Deutschlandweite Standortbestimmung für ... Standortbestimmung für...

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    Deutschlandweite Standortbestimmung fr Wasserspeicherkraftwerke mit Methoden

    der Reliefanalyse Thorsten HENS, Denise HEINISCH und Jrg GROHMANN

    Bjrnsen Beratende Ingenieure, Koblenz [email protected]

    Zusammenfassung

    Aufgrund der gesetzlichen Vorgaben ist der Ausbau der Strom- und Wrmeerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen zu frdern. Die damit verbundenen nderungen im rumli-chen und zeitlichen Angebot von Energie fhren zu einem erhhten Bedarf an Speicherka-pazitt. Wasserspeicherkraftwerke bernehmen bereits heute als Regelungskraftwerke und Energiespeicher wichtige Funktionen im Stromverbundnetz. Eine deutschlandweite Suche nach Standorten fr Wasserspeicherkraftwerke soll das vorhandene Potenzial aufzeigen und als Grundlage fr konkrete Planungsmanahmen dienen. Fr die Standortbestimmung wur-den Methoden der Reliefanalyse mit klassischen Standortanalysemethoden kombiniert und Standortfaktoren fr Wasserspeicherkraftwerke aus Geodaten abgeleitet. Die ermittelten, potenziellen Standorte wurden in nachgeschalteten Projekten weiter untersucht. Fr eine Auswahl an Standorten wurden Raumordnungsverfahren eingeleitet.

    1 Ausgangslage und Problemstellung

    1.1 Grundlagen der Energiewirtschaft

    Mit der Verabschiedung des Stromeinspeisungsgesetzes (1991), das vom Gesetz fr den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)) im Jahr 2000 abge-lst wurde, ist die Frderung des Ausbaus von Strom- und Wrmeerzeugung aus erneuerba-ren Energiequellen gesetzlich verankert. Die nderungen in der Erzeugungsstruktur fr elektrische Energie ergeben einen steigenden Bedarf an Speicherkapazitten. Dabei ist die Pumpspeichertechnologie bereits wirtschaftlich verfgbar, alternative Technologie wie z. B. die Druckluftspeicher stehen noch am Anfang der Entwicklung. Aufgrund der guten Regelfhigkeit bei krzesten Anlaufzeiten bernehmen Wasserspeicherkraftwerke mehrere Funktionen im Stromverbundnetz und bilden eine wichtige Sttze der Versorgungssicher-heit (GIESECKE & MOSONYI 2005).

    Zur Bestimmung der in Deutschland verfgbaren Standortpotenziale fr Wasserspeicher-kraftwerke hat die Trianel European Energy Trading GmbH die Bjrnsen Beratende Inge-nieure GmbH mit einer deutschlandweiten Standortsuche fr Wasserspeicherkraftwerke beauftragt.

    Strobl, J., Blaschke, T., Griesebner, G. & Zagel, B. (Hrsg.) (2013): Angewandte Geoinformatik 2013. Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN 978-3-87907-533-1. Dieser Beitrag ist ein Open-Access-Beitrag, der unter den Bedingungen und unter den Auflagen der Creative Commons Attribution Lizenz verteilt wird (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

  • T. Hens, D. Heinisch und J. Grohmann 508

    1.2 Vorgehensweise

    Im Rahmen einer Grundlagenbearbeitung wurden zunchst die technischen Anforderungen an Wasserspeicherkraftwerke ermittelt, bestehende Anlagen analysiert und standortbezoge-ne Parameter und deren Grenordnungen abgeleitet.

    Aus den Standortfaktoren wurden die Anforderungen an die Datengrundlage formuliert und Methoden zur Ableitung der Standortfaktoren aus den Geodaten entwickelt. Der Einsatz von GIS eignet sich dabei besonders aufgrund der Mglichkeit, Methoden der komplexen Reliefanalyse mit klassischen Standortanalyseverfahren zu kombinieren und Analysepro-zesse zu automatisieren.

    2 Standortbestimmung fr Wasserspeicherkraftwerke

    2.1 Technische und wirtschaftliche Grundlagen

    Das Prinzip der Speicherkraftwerke beruht darauf, dass Wasser aus einer Tieflage (Talsper-re, Unterbecken) in hochgelegene Speicherbecken gepumpt wird. Die im Oberbecken zwi-schengespeicherte potenzielle Energie des Wassers kann ber Turbinentechnik zurckge-wonnen werden. Die Leistung der Turbine ergibt sich dabei aus der verfgbaren Fallhhe sowie dem Durchfluss, der vom verfgbaren Volumen und der tglichen Betriebszeit ab-hngig ist. Die spezifischen Kosten zur Herstellung der Anlage sinken mit zunehmender Gre der Anlage, wobei die Errichtung langer Druckleitungen sowie Eingriffe in stark geneigtem Gelnde die Baukosten erhhen und das Konfliktpotenzial vergrern.

    2.2 Standortfaktoren von Wasserspeicherkraftwerken

    Aus den hydraulischen und wirtschaftlichen Grundlagen ergeben sich sechs Standortfakto-ren. Die topografische Lage des Standorts ist durch eine Hochlage fr das Oberbecken und eine Tieflage fr das Unterbecken charakterisiert. Die Hhendifferenz zwischen Ober- und Unterbecken (Fallhhe) sowie die am Standort verfgbare Flche bestimmen, neben der baulichen Ausfhrung, die Leistungsfhigkeit der Anlage. Der horizontale Abstand zwi-schen Ober- und Unterbecken sowie die Neigungsverhltnisse wirken sich auf die Kosten der Realisierung aus, whrend die aktuelle Nutzung am Standort und in der Umgebung fr die Genehmigungsfhigkeit ausschlaggebend ist.

    2.3 Datengrundlage

    Zur Analyse der topografischen Lage, der Hhendifferenzen sowie der Neigungsverhltnis-se wurde auf das Digitale Hhenmodell (DHM) der Fernerkundungsdaten der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) von Februar 2000 zurckgegriffen. Die Analyse der Nut-zungskonflikte wurde anhand der Siedlungs- und Verkehrsflchen des Digitalen Land-schaftsmodells (DLM250) sowie den Schutzgebietsdaten des Bundesamtes fr Naturschutz (BfN) durchgefhrt.

    2.4 Methodik der Standortbestimmung

    Die potenziellen Ober- und Unterbeckenstandorte auf Hhenrcken bzw. in Tallagen wur-den mithilfe des Index der topografischen Position (Topographischen Positions Index

  • Deutschlandweite Standortbestimmung fr Wasserspeicherkraftwerke 509

    (TPI)) berechnet, der von WEISS (2001) vorgestellt wurde. Der TPI vergleicht die Hhe jeder Zelle im DHM mit dem Mittelwert der Zellhhen ber eine definierte Nachbarschaft (siehe Formel 1, Nachbarschaftsform: ANNULUS). Positive TPI-Werte reprsentieren Bereiche, die hher liegen als ihre Umgebung, also Rcken (siehe Abbildung 1, 1); Zellen mit negativen TPI-Werten stellen Tler (siehe Abbildung 1, 2) dar. TPI-Werte um den Wert 0 zeigen entweder flache Bereiche (Hangneigung fast 0) (siehe Abbildung 1, 3) oder Hnge mit konstanter Neigung (Hangneigung grer 0) (siehe Abbildung 1, 4) an.

    , , , 0,5 (1) M: Mastabsfaktor,entsprichtrainMeterra: uererRadiusderbetrachtetenNachbarschaft AnzahlZellen ri: InnererRadiusderbetrachtetenNachbarschaft AnzahlZellen

    Abb. 1: TPI-Wertebereich (in Anlehnung an WEISS 2001)

    Der Index der topografischen Position ist methodisch bedingt mastabsabhngig, die Gre der betrachteten Nachbarschaft ist fr den Detaillierungsgrad der Abbildung der Formen ausschlaggebend. Bei einem groen Mastab werden Klein- und Kleinstreliefformen der Landschaft abgebildet, bei einem kleinen Mastab hingegen werden die Hauptformen wie Tler und Bergrcken deutlicher herausgearbeitet (siehe Abb. 2).

    Abb. 2: TPI-Raster fr einen groen (M = 300 m) und kleinen Mastab (M = 2000 m), berechnet fr ein DHM mit 30 m Rastergre (WEISS 2001)

  • T. Hens, D. Heinisch und J. Grohmann 510

    Durch die Kombination zweier TPI-Raster mit unterschiedlichen Mastben knnen Land-schaftsformen nach der Methode von WEISS (2001) klassifiziert werden. Dazu werden die TPI-Raster zunchst standardisiert (Mittelwert = 0, Standardabweichung = 1) und anschlie-end aufgrund der standardisierten Zellwerte und der aus dem DHM berechneten Hangnei-gung in zehn Landschaftsformen (siehe Tabelle 1) nach dem Prinzip von Abbildung 3 klas-sifiziert.

    Abb. 3: Prinzip der Klassifikation von Landschaftsformen durch Kombination von zwei

    TPI-Rastern unterschiedlicher Mastbe (in Anlehnung an JENNES 2006).

    Tabelle 1: Kriterien zur Klassifikation der Landschaftsformen aus TPI-Rastern unter-schiedlicher Mastbe und der Hangneigung (in Anlehnung an JENNES 2006)

    Nr. Landschaftsform Nachbarschaft Neigung

    Klein Gro

    1 Tler, Kerbtler TPI 1 TPI 1

    2 Flachtler TPI 1 1 < TPI < 1

    3 Hochtler, Quellgebiete TPI 1 TPI 1

    4 U-Tler 1 < TPI < 1 TPI 1

    5 Ebenen 1 < TPI < 1 < TPI < 1 5

    6 Hangzonen 1 < TPI < 1 < TPI < 1 > 5

    7 Oberhangzonen, Tafelberge 1 < TPI < 1 TPI 1

    8 Lokale Rcken, Bergkuppen im Tal TPI 1 TPI 1

    9 Hangrcken TPI 1 1 < TPI < 1

    10 Bergkuppen, Gipfel TPI 1 TPI 1

    Aus den zehn Landschaftsformen wurden die Tallagen (siehe Tabelle 1, Nr. 1 4) und die Toplagen (siehe Tabelle 1, Nr. 10) als potenzielle Standorte fr die Ober- bzw. die Unter-becken selektiert.

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    Ein optimaler Standort hinsichtlich der Standortfaktoren Hhendifferenz und horizontaler Abstand zeichnet sich durch eine maximale Fallhhe bei geringer horizontaler Entfernung aus. Diese Eigenschaft wurde ber das relative Relief erfasst, das den Hhenunterschied zwischen dem hchsten und dem tiefsten Punkt in einem bestimmten Gebiet beschreibt. Das relative Relief wurde aus dem DHM fr vier Nachbarschaftsgren (500 m 500 m, 1000 m 1000 m, 1500 m 1500 m, und 2000 m 2000 m) nach Formel 2 berechnet.

    , , , , , , , , (2) xN,yN: GrederNachbarschaftinMetern,xN:Breite,yN:Hhe

    Das Maximum ber die vier Raster unterschiedlicher Nachbarschaftsgren beschreibt das maximale relative Relief der Standorte. Standorte unterhalb eines definierten Grenzwertes des maximalen relativen Reliefs wurden eliminiert, da fr diese Standorte keine wirtschaft-liche Realisierbarkeit gegeben ist. Anschlieend wurden die verbleibenden Standorte mit den Restriktionsflchen (gepufferte Siedlungs-, Verkehrs- und Schutzgebietsflchen) ver-schnitten. Aus den Standorten ohne Restriktionen wurden abschlieend die Standorte selek-tiert, die eine Mindestgre aufweisen und bei denen eine Kombination aus Ober- und Unterbecken gegeben war.

    Die Umsetzung des Standortsuchverfahrens erfolg