In der Masterarbeit wird eine Methode zur Regionalisierung von Windkraftanlagen für die BRD entwickelt und deren technische Umsetzung beschrieben.
Die in dieser Arbeit durchgeführte Regionalisierung von Windkraftanlagen an Land basiert auf einer detaillierten Analyse der Gesamtfläche der BRD bezüglich ihrer Nutzbarkeit für die Windenergieerzeugung. Hierzu wird die Gesamtfläche der BRD in 14,3 Mio. Rasterzellen von 200 m x 200 m unterteilt. Für jede Rasterzelle erfolgt eine Bewertung der Windqualität und der Flächenverfügbarkeit für die Windenergienutzung. Hierbei wird die Standortqualität verschiedener Windzonen sowie Flächenrestriktionen unterschiedlicher Flächennutzungstypen berücksichtigt. In geeigneten Rasterzellen wird dann die Errichtung von Windkraftanlagen vorgesehen. Standortabhängig werden dabei unterschiedliche Standard-Windkraftanlagen angenommen, wobei ein technisch notwendiger Mindestabstand zwischen Windkraftanlagen eingehalten wird. Die Summe der Leistung aller in geeigneten Rasterzellen errichteten Windkraftanlagen ergibt das in der BRD maximal installierbare Leistungspotenzial. In die Skalierung gehen ebenfalls die Ausbauziele der Bundesländer ein, wodurch eine Gewichtung der Verteilung der Windenergieleistung auf Bilanzkreisebene der Bundesländer erfolgt. Die Ausbauziele werden im Szenariorahmen 2019-2030 konkretisiert, weshalb als Eingangsparameter für die Skalierung die Daten des Szenarios C 2030 aus dem Szenariorahmen 2019-2030 verwendet werden.
Nach der Einleitung in Kapitel 1 werden in Kapitel 2 grundlegende technische Zusammenhänge dargestellt, die für die Regionalisierung von Windkraftanlagen an Land wichtig sind.I n Kapitel 3 wird eine Analyse der Windqualität in der BRD durchgeführt. In Kapitel 4 wird eine Flächenanalyse der BRD durchgeführt. Dabei wird jede Rasterzellen daraufhin untersucht, ob in ihr Arten der Flächennutzung vorliegen, die der Windenergieerzeugung entgegenstehen oder diese begünstigen. Ausgehend von den in den Kapitel 3 und Kapitel 4 erfassten Daten wird in Kapitel 5 eine Allokation von Windkraftanlagen in geeigneten Rasterzellen vorgenommen. Das bewertete Leistungspotenzial wird in Kapitel 6 auf die Ausbauziele der Bundesregierung für Windkraftanlagen an Land skaliert. In Kapitel 7 wird die technische Umsetzung der Regionalisierung der Windkraftanlagen an Land vorgestellt. In Kapitel 8 wird die Methodik zur Regionalisierung von Windkraftanlagen an Land zusammenfassend dargestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Struktur der Arbeit
2 Grundlagen
2.1 Windenergietechnik
2.2 Volllaststunden und Weibullverteilung
2.3 Starkwind- und Schwachwindanlagen
2.4 Schallemissionen von Windkraftanlagen
3 Analyse der Windqualität
3.1 Ermittlung der Volllaststunden
3.2 Einteilung von Windzonen
3.3 Auswahl von Standard-Windkraftanlagen
4 Flächenanalyse
4.1 Windvorrang- und Windeignungsgebiete
4.2 Baunutzfläche
4.2.1 Wohnbaufläche
4.2.2 Industrie- und Gewerbefläche
4.2.3 Fläche gemischter Nutzung
4.2.4 Flächen besonderer funktionaler Prägung
4.2.5 Sonstige Baunutzflächen
4.3 Infrastruktur
4.3.1 Fahrbahnen
4.3.2 Gleis- und Bahnanlagen
4.3.3 Freileitungen
4.3.4 Flugsicherungsanlagen, Flughäfen und Landeplätze
4.4 Natürliche und technische Ausschlussflächen
4.4.1 Moore und Sümpfe, stehende und fließende Gewässer
4.4.2 Hangneigung
4.5 Naturschutz
4.5.1 Naturschutzgebiete
4.5.2 Nationalparks
4.5.3 Flora-Fauna-Habitate
4.5.4 Vogelschutzgebiete
4.5.5 Ramsar-Gebiete
4.5.6 Biosphärenreservate
4.5.7 Landschaftsschutzgebiet
4.5.8 Naturparks
4.5.9 Waldfläche
4.5.10 Wasserschutzgebiete
4.6 Analyse der Ausschluss- und Potenzialfläche
5 Ermittlung des Leistungspotenzials von Windkraftanlagen an Land in der BRD
5.1 Ermittlung des Leistungspotenzials
5.2 Ermittlung des bewerteten Leistungspotenzials
5.3 Repowering
6 Regionalisierung der Windenergieleistung gemäß Szenariorahmen Strom 2019-2030
6.1 Auswahl des Szenarios C 2030 für die Regionalisierung von Windkraftanlagen an Land
6.2 Skalierung der Leistung der Windkraftanlagen an Land auf den Zielwert des Szenario C 2030
7 Technische Umsetzung der Regionalisierung
7.1 Software
7.2 Aufbau des Rasters und Gridcode
7.3 Ermittlung der Volllaststunden und der Hangneigung
7.4 Selektion und Pufferung von Flächen und Linienstrukturen
7.5 Aggregation von Geometrien
7.6 Aufbau und Überführung von Daten in die Datenbank
7.7 Datenverarbeitung in der Datenbank
8 Schlussbetrachtung
8.1 Zusammenfassung
8.2 Weiteres Vorgehen
8.3 Optimierungsoptionen
9 Kartenanhang
9.1 Volllaststunden einer Enercon E82 E4
9.2 Verteilung des Windkraftanlagenbestandes
9.3 Windzonen
9.4 Windvorrang und Windeignungsgebiete
9.5 Baunutzfläche mit Schutzabstand
9.6 Fahrbahnen, Bahn- und Gleisanlagen, Freileitungen
9.7 Flughäfen, Landeplätze, Flugsicherungseinrichtungen
9.8 Fließ-/Stehgewässer, Moore und Sümpfe, Hangneigung > 5 °
9.9 Naturschutzgebiete und Nationalparks
9.10 Vogelschutzgebiete und Flora-Fauna-Habitate
9.11 Ramsar-Gebiete und Biosphärenreservate
9.12 Naturparks und Landschaftsschutzgebiete
9.13 Waldflächen und Wasserschutzgebiete
9.14 Ausschlussflächen und Potenzialflächen
9.15 Leistungspotenzial
9.16 Bewertetes Leistungspotenzial
9.17 Skalierte Leistung für Szenario C 2030
10 Anhang
10.1 Anhang 1
10.2 Anhang 2
10.3 Anhang 3
10.4 Anhang 4
10.5 Anhang 5
10.6 Anhang 6
10.7 Anhang 7
10.8 Anhang 8
10.9 Anhang 9
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer eigenständigen Methodik zur Regionalisierung der Leistung von Windkraftanlagen an Land in Deutschland, basierend auf den Vorgaben des Szenariorahmens zum Netzentwicklungsplan Strom 2019-2030, um die regionale Verteilung und deren Auswirkungen auf das Stromübertragungsnetz besser abzubilden.
- Analyse der Windqualität und Einteilung der BRD in Windzonen.
- Umfassende Flächenanalyse unter Berücksichtigung rechtlicher Ausschlusskriterien und technischer Schutzabstände.
- Ermittlung des maximalen und bewerteten Leistungspotenzials unter Einbeziehung eines Repowering-Szenarios.
- Technische Umsetzung der Regionalisierung mittels Geoinformationssystemen (ArcGIS) und Datenintegrationsplattformen (FME).
- Skalierung der Ergebnisse auf die politischen Ausbauziele des Szenarios C 2030.
Auszug aus dem Buch
2.1 Windenergietechnik
Windenergieanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes über ihre Rotorblätter in mechanische Energie um. Die mechanische Energie wird mit einem Generator wiederum in elektrische Energie gewandelt. Die elektrische Energie wird dann mittels eines Transformators in das Stromnetz übertragen. Abbildung 1 zeigt das beschriebene Prinzip der Energiewandlung mit einer Windkraftanlage.
Das zum Antrieb des Generators benötigte Drehmoment wird mit der Drehung der Rotorblätter erzeugt. Die Drehung der Rotorblätter erfolgt über einen Auftrieb, der aus dem Auftreffen eines Luftstroms auf ein Rotorblatt resultiert. Abbildung 2 verdeutlicht, dass der Weg eines Luftstroms beim Passieren eines gewölbten Rotorblattes (Flügel) an dessen Oberseite länger ist als an dessen Unterseite. Die Wegdifferenz führt zu einer Geschwindigkeitsdifferenz des Luftstroms an Ober- und Unterseite, was eine Druckdifferenz bedingt. Aus dieser Druckdifferenz entsteht ein Auftrieb, der das Rotorblatt in Bewegung versetzt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Vorstellung der Thematik, der Motivation zum Netzausbau aufgrund der Energiewende und der allgemeinen Struktur der Arbeit.
2 Grundlagen: Erläuterung technischer Zusammenhänge wie Windenergietechnik, Weibullverteilung und das Schallemissionsverhalten, die für die methodische Entwicklung essenziell sind.
3 Analyse der Windqualität: Berechnung der Volllaststunden auf Rasterzellenebene und Einteilung des Bundesgebiets in vier Windzonen zur Auswahl geeigneter Standard-Anlagentypen.
4 Flächenanalyse: Untersuchung der gesamten Landesfläche auf Ausschlusskriterien und Definition notwendiger Schutzabstände zu baulichen und naturschutzfachlichen Objekten.
5 Ermittlung des Leistungspotenzials von Windkraftanlagen an Land in der BRD: Allokation der Anlagen in geeigneten Zellen und Berechnung des maximalen sowie des bewerteten Leistungspotenzials inklusive Repowering-Potenzial.
6 Regionalisierung der Windenergieleistung gemäß Szenariorahmen Strom 2019-2030: Skalierung der ermittelten Potenzialwerte auf die politischen Zielvorgaben des Szenarios C 2030.
7 Technische Umsetzung der Regionalisierung: Detaillierte Beschreibung der eingesetzten Software, der Datenverarbeitungsprozesse und der Datenbankstruktur.
8 Schlussbetrachtung: Zusammenfassende Darstellung der entwickelten Methodik, Ausblick auf die Netzberechnung und Erörterung von Optimierungsoptionen.
9 Kartenanhang: Sammlung der georeferenzierten Kartenmaterialien zur Illustration der Flächenanalyse und der erzielten Regionalisierungsergebnisse.
10 Anhang: Berechnungsdetails, Datenbeispiele und technische Zusatzinformationen.
Schlüsselwörter
Windkraftanlagen, Regionalisierung, Netzentwicklungsplan, Volllaststunden, Flächenanalyse, GIS, Windzonen, Leistungspotenzial, Szenario C 2030, Repowering, Geodaten, Schutzabstände, Erneuerbare Energien, Rasteranalyse.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit entwickelt eine Methodik, um die deutschlandweit installierte Leistung von Windkraftanlagen an Land auf die lokale Ebene (Rasterzellen) zu regionalisieren und so eine fundierte Datenbasis für den Netzentwicklungsprozess zu schaffen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die meteorologische Analyse der Windqualität, eine deutschlandweite GIS-gestützte Flächenanalyse unter Berücksichtigung von Naturschutz und Bebauung sowie die rechnerische Ermittlung von Leistungspotenzialen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist die Erstellung einer rasterscharfen Regionalisierung der Windenergieleistung für das Szenario C 2030, um den Übertragungsnetzausbaubedarf in Deutschland präziser prognostizieren zu können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Methodik basiert auf einer detaillierten Rasteranalyse (200m x 200m Auflösung) der BRD, der Anwendung von Weibullverteilungen für Windgeschwindigkeiten und einer mehrstufigen Allokationslogik unter Nutzung von Geoinformationssoftware (ArcGIS, FME).
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Bestimmung der Windqualität, die detaillierte Flächenanalyse hinsichtlich Restriktionen und Ausschlusskriterien sowie die darauf aufbauende Allokation und Skalierung der Windkraftleistung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Windkraftpotenzial, Regionalisierung, Flächenanalyse, Volllaststunden, Geoinformationssysteme, Szenariorahmen 2030 und Netzplanung.
Wie wurde der Schutzabstand für Wohngebiete in Bayern festgelegt?
In Bayern wurde aufgrund der gesetzlichen 10h-Regelung (zehnfache Gesamthöhe der Anlage) ein erhöhter Schutzabstand von 1800 m für die Flächenanalyse angesetzt.
Wie wird das Repowering im Modell berücksichtigt?
Anlagen, die bis 2030 eine Lebensdauer von 22 Jahren überschreiten, werden als rückbaubar markiert. Die entsprechenden Rasterzellen werden für Ersatzneubauten vorgesehen, sofern diese nicht in definierten Ausschlussflächen liegen.
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- Stephan Röttgen (Author), 2019, Entwicklung einer Methodik zur Regionalisierung von Windkraftanlagen an Land. Szenariorahmen zum Netzentwicklungsplan Strom 2019-2030, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/540547
