wissenschaftsdialog 2014 der bundesnetzagentur: mike dokter, jakob kopec, tu dortmund: bewertung und...

Bewertung und Planung von Stromnetzen

Wissenschaftsdialog 2014 | Bonn | 25.09.2014

Mike Dokter, TU Dortmund, Fachgebiet Ver- und Entsorgungssysteme

Jakob Kopec, TU Dortmund, Fachgebiet Raumbezogene Informationsverarbeitung und

Modellbildung

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung 2

Quelle: Gina Sanders – Fotolia.de

Amprion GmbH Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Jochen Meyering

Technische Universität Dortmund Informatik, LS für Algorithm Engineering

Prof. Dr. P. Mutzel, Dr. C. Gutwenger

Informatik, LS für Graphische Systeme Prof. Dr. H. Müller, Dr. F. Weichert

Mathematik, LS für Diskrete Optimierung Prof. Dr. C. Buchheim

Raumplanung, FG Ver- und Entsorgungssysteme Prof. Dr.-Ing. H.-P. Tietz, Dipl.-Ing. Mike Dokter

Raumplanung, FG Raumbezogene Informationsverarbeitung und Modellbildung Prof. Dr. N. X. Thinh, M.Sc. Jakob Kopec

Spiekermann & Wegener, Stadt- und Regionalforschung Dipl.-Ing. Björn Schwarze

Konsortium

3

• Softwaresystem zur Identifikation von „optimalen“ Trassenverläufen Objektive multikriterielle Ermittlung und

Bewertung von Trassenverläufen Beachtung topologischer, raumplanerischer,

technischer, wirtschaftlicher, ökologischer und sozioökonomischer Anforderungen

Bundesweite Übertragbarkeit möglich

• Nutzen aus planerischer Perspektive Unterstützung von Planungsprozessen Darstellung von Trassenalternativen

hinsichtlich veränderter Rahmenbedingungen („Bürgerdialoge“)

Partizipation durch Web-Gis-Anwendungen Quelle: VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V./Übertragungsnetzbetreiber

Motivation und Zielsetzung des Projektes

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

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Prozesspipeline

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

Erfassen relevanter Kriterien

Überführen der Kriterien in eine Bewertungsfunktion

Modellierung der Geodaten

Multikriterielle Optimierung

Trassenbewertung und Alternativenvergleich

Visualisierung

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Grundmodell der Bewertung

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

Vo

rhab

en

Sachmodell - Erfassungskriterien Wirkfaktor A

Wirkfaktor B

Wirkfaktor C

Wertesystem • Geltende Gesetze und Normen • Gesetzliche bzw. politische Ziele • Fachliche Konventionen und Standards • Wissenschaftliche Erkenntnisse • …

Mo

de

llierun

g de

r Ge

od

aten

Umwelt

Bewertung und Transformation

Quelle: in Anlehnung an Bechmann 1995 und laufendes BMWi-Forschungsprojekt „Stromnetzplanung“

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Kriterienbaum

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

7

Kriterienbaum

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

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Geodaten

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• Anforderungen Flächendeckend verfügbar Aktuell und aktualisierbar Gemeinsames Bezugssystem:

DHDN3

• Datenverarbeitung Post-GIS Serverlösung SQL-Abfrage und -Zugriff auf

parametrisierbare Datenbank

Abstandfunktion als Raster-Output

EU

EEA NATURA 2000 (FFH + VSG)

National

BKG Basis-DLM, DGM10

BFN NSG, LSG, NLP, NP, RAMSAR, SPA, UZVR, IBA, Biosphärenreservate, Biotopverbund, Landschaftsbewertung

BGR BÜK200, BÜK1000

Länder

Landes-umweltämter

Biotopkataster

Regionen

Regional-verbände

Regionalpläne

Kommunen

Denkmalschutz-behörden

UNESCO Welterbestätten

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Operationalisierung und Bewerten der Kriterien

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• Probleme der Bewertung: Fehlen von Umweltstandards Allgemeine und abstrakte Rechtsgrundlagen (z.B. „unbestimmte Rechtsbegriffe) Bewertung im Einzelfall nicht möglich Ermessens- oder Interpretationsspielräume auszufüllen und abstrakte Lösungen

finden

• Beispiel „Wohnen im Innenbereich“: Überspannungsverbot von „Gebäude oder Gebäudeteilen […], die zum dauerhaften

Aufenthalt von Menschen bestimmt sind“. (§ 4 Abs. 3 26.BImSchV) Einhaltung der Grenzwerte des Anhang 1a der 26. BImSchV (elktr. Feldstärke 5

kV/m; magn. Flussdichte 100 µT). (§ 4 Abs. 1 26. BImSchV)

Abstandsintervall [m]

0 m 100 m 200 m 300 m 400 m 500 m 600 m

Raum

wid

ers

tand

Gru

nd

fläc

he

kein

tabu

hoch

mittel

gering

10

Modellierung der Widerstands- und Bündelungsfunktionen – Beispiel

Abstands-intervall [m]

Raum-widerstand

Grundfläche tabu

0 - 40 tabu

40 - 100 hoch

100 - 200 gering

200 - 400 sehr gering

> 400 kein

Datengrundlage: Basis-DLM, Webatlas des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie

Abstand zu Wohngebäuden im

Innenbereich

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Abstandsintervall [m]

11

Modellierung der Widerstands- und Bündelungsfunktionen – Beispiel

Abstands-intervall [m]

Raum-widerstand

Grundfläche tabu

0 - 40 tabu

40 - 100 hoch

100 - 200 gering

200 - 400 sehr gering

> 400 kein

Hausumring

Raumwiderstand

tabu

hoch

gering

sehr gering

Datengrundlage: Basis-DLM, Webatlas des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie

Abstand zu Wohngebäuden im

Innenbereich

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0 1 2 3 4

Ra

um

wid

ers

tan

d

Rotordurchmesser

kein

tabu

hoch

mittel

gering

Abstand zu

Windenergieanlagen

*RD = 95m

12

Modellierung der Widerstands- und Bündelungsfunktionen – Beispiel

Rotor-durchmesser *

Raum-widerstand

≤ 1x tabu

> 1x bis < 3x mittel

≥ 3x kein

Datengrundlage: Basis-DLM, Webatlas des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie

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Abstand zu

Windenergieanlagen

*RD = 95m

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Modellierung der Widerstands- und Bündelungsfunktionen – Beispiel

Rotor-durchmesser *

Raum-widerstand

≤ 1x tabu

> 1x bis < 3x mittel

≥ 3x kein

Datengrundlage: Basis-DLM, Webatlas des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie

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Hausumring

Raumwiderstand

tabu

mittel

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• Raumplanerische Bewertung eines Teilgebiets

Wehrendorf

Urberach

Multikriterielle Modellierung

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• Raumplanerische Bewertung eines Teilgebiets

Multikriterielle Modellierung

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• Raumplanerische Bewertung eines Teilgebiets Modellierung räumlich relevanter Kriterien

Multikriterielle Modellierung

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17

• Raumplanerische Bewertung eines Teilgebiets Modellierung räumlich relevanter Kriterien

• Zerlegung des Raumes durch Konstruktion eines

Rastergraphen

Multikriterielle Modellierung

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10 m

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• Raumplanerische Bewertung eines Teilgebiets Modellierung räumlich relevanter Kriterien

• Zerlegung des Raumes durch Konstruktion eines

Rastergraphen

• Gewichtung der Kante des Rastergraphen als Grundlage der multikriteriellen Optimierung

Multikriterielle Modellierung

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• Bewertung jeder Kante des Rastergraphen durch räumliches Verschneiden mit Raumwiderständen

Ermittlung von Kantengewichten

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

Hausumring

Raumwiderstand

tabu

hoch

gering

sehr gering

• Bewertung jeder Kante des Rastergraphen durch räumliches Verschneiden mit Raumwiderständen

Ermittlung von Kantengewichten

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• Bewertung jeder Kante des Rastergraphen durch räumliches Verschneiden mit Raumwiderständen

• Summenbildung der Querungslängen je Raumwiderstand und Kriterium entlang der Kante

Ermittlung von Kantengewichten

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Kantenlänge

Rau

mw

ider

stan

d

1

2

3

4 5 1

2

4

3 5

22

• Testgebiet: Distanz zwischen Punkten: 6000m

• Betrachtete Kriterien:

Querung von Landschaftsschutzgebieten Querung von Vogelschutzgebieten Entfernung zu Wohnnutzungen Bündelung mit linearer Infrastruktur Gesamtlänge (Umwegfaktor ≤ 1,4)

Multikriterielle Optimierung - Beispiele

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Insgesamt 20.872 pareto-optimale Lösungen / Trassenvarianten

Multikriterielle Optimierung - Beispiele

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Wohnen

LSG

VSG

0 m

0 m

0 m

489 m

885 m

1893 m

183 m

mögliche min. Querung Bedingung: max. erlaubte Querung

n = 20.827 Variante0

24

Multikriterielle Optimierung - Beispiele

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

Wohnen

LSG

VSG

0 m

0 m

0 m

183 m

885 m

1893 m

183 m

n = 190

310m

270m

Bezüglich der Entfernung zu Wohnnutzungen insgesamt 190 Lösungen mit einer minimalen Querung von 183m

Unter den 190 Lösungen ist die kürzeste Alternative 7473m lang

VarianteWohnen

25

Multikriterielle Optimierung - Beispiele

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

Wohnen

LSG

VSG

0 m

0 m

0 m

183 m

885 m

1893 m

183 m

n = 190

310m

270m

Unter den 190 Lösungen beträgt die kürzeste Querung von LSG 310m

VarianteWohnen

26

Multikriterielle Optimierung - Beispiele

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

Wohnen

LSG

VSG

0 m

0 m

0 m

183 m

885 m

1893 m

183 m

n = 190

310m

270m

Unter den 190 Lösungen beträgt die kürzeste Querung von LSG 310m

Unter den 190 Lösungen beträgt die kürzeste Querung von VSG 270m

VarianteWohnen

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Multikriterielle Optimierung - Beispiele

25.09.2014 Mike Dokter, Jakob Kopec, TU Dortmund, Fakultät Raumplanung

Wohnen

LSG

VSG

0 m

0 m

0 m

489 m

0 m

1893 m

293 m

n = 207

589 m

VarianteLSG

Bezüglich der Querung von LSG insgesamt 207 Lösungen mit einer minimalen Querung von 0m

Unter den 207 Lösungen ist die kürzeste Alternative 7778m lang

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Multikriterielle Optimierung - Beispiele

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Bezüglich der Querung von VSG insgesamt 17 Lösungen mit einer minimalen Querung von 0m

Unter den 17 Lösungen ist die kürzeste Alternative 8073m lang

Wohnen

LSG

VSG

0 m

0 m

0 m

489 m

885 m

0 m

242 m

n = 17

757 m

VarianteVSG

Quelle: Gina Sanders – Fotolia.de

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Fazit, Herausforderungen und Ausblick

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• Fazit Die „perfekte“ Trasse gibt es nicht!

• Herausforderungen Sind alle Kriterien abbildbar/operationalisierbar? Objektive Bewertung möglich? Methoden zur Reduktion und Bewertung der Alternativen Räumliche Aggregation von Kriterien Trassenalternativen nicht auf „Knopfdruck“

• Ausblick

Softwaretool kann Planungsprozesse unterstützen Trassenverläufe anhand veränderter Eingangsparameter Bereitstellung eines interaktiven Anwendungs- und

Visualisierungstools