Der Flächenbedarf als Engpass der Energiewende? Analyse der Wechselwirkungen zwischen Gesamtsystemkosten und Flächeneinsparung mittels multikriterieller Optimierung

Kurzfassung

Die Veränderung hin zu einer nachhaltigen zukünftigen Energieversorgung ist zwar immer mehr zu einem politischen Ziel geworden, doch der, für die Maß- nahmen dieses Wandels notwendige, Flächenbedarf sorgt vermehrt für gesellschaftlichen Wiederstand und er ist aufgrund auftretender Flächenkonkurrenzen, z. B. mit landwirtschaftlichen Nutzungen, als Engpass zu betrachten (vgl. BfN (2019), S. 16 ff.; vgl. Wüstenhagen et al. (2007), S. 2683). Dennoch fand bisher keine Untersuchung der, zur Erreichung der Treibhausgasreduktionsziele, erforderlichen Fläche der Energieinfrastruktur in Europa statt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt nicht nur eine solche Bilanzierung der nötigen Fläche der gesamten Energieinfrastruktur, sondern eine ganze Front an möglichen Systemkonfigurationen, eine sogenannte Pareto-Front, wird ermittelt und analysiert. Dafür wird das Energiesystemmodell REMix (Renewable Energy Mix for Sustainable Electricity Supply) des deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums, um eine multikriterielle Optimierung mit der Epsilon-Constraint Methode (vgl. Mavrotas (2009)) erweitert und so eine Optimierung der Systemkosten und des Flächenbedarfs für Europa in dem bereits parametrisiertem Projekt INTEEVER durchgeführt (vgl. Cao und Pregger (2019)). Aus vorgelagerten Tests der Methode geht zudem hervor, dass die untersuchte Epsilon-Constraint Methode zu anwendungseinschränkend hohen Rechenzeiten führt, weshalb ein paralleler Ansatz entwickelt wird, um eine Anwendung in umfassenden Energiesystemmodellen möglich zu machen. Abgebildet ist der Flächenbedarf mit zwei Indikatoren, zum einen vor dem Hintergrund der Flächenkonkurrenzen ohne Abstandsflächen, und zum anderen bei Betrachtung der Akzeptanz, mit Abstandsflächen. Gemäß ersterem ist im Gesamtsystem für die kostenoptimale Energieinfrastruktur eine Fläche von 15.500 km² und nach dem zweiten von 44.300 km² erforderlich. Aus den zwei generierten Pareto-Fronten wird zudem deutlich, dass eine Reduktion des Bedarfs von 12% bereits durch einen relativ geringen Kostenaufwand von 1% der Gesamtsystemkosten über einen Wechsel von Freiflächen Photovoltaikanlagen hin zu Aufdachanlagen erfolgen kann. Aus Sicht der Akzeptanzprobleme zeigt sich außerdem, dass eine Reduktion über diesen Wechsel hinaus unter Annahme der minimalen Kosten nicht ohne konventionelle Kraftwerke realisiert werden kann. Mit den generierten Fronten lässt sich also entsprechend der gewünschten Reduktion und unter Berücksichtigung anderer Ziele und Restriktionen der Umgang mit dem Flächenbedarf ableiten.