Team 1 2017

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Hochschule für Technik Rapperswil

Modul: Räumliche Analysen und GIS (RAG)
Thema: Standorte für Windenergieanlagen im Kanton SG, AI, AR
Studierende: Andreas Keiser | Silvan Oberholzer | Silas Trachsel
Dozent: Claudio Büchel
Datum: 20. Dezember 2017

Aufgabe

Im Modul Räumliche Analysen und GIS (RAG) soll mithilfe des GIS Programms ArcMap einer raumplanerischen Fragestellung, beispielsweise einer Standortevaluation, nachgegangen werden.

Ausgangslage

Der Kanton St. Gallen hat im Jahr 2013 ein Koordinationsblatt zu Windenergieanlagen in den kantonalen Richtplan aufgenommen. Bis heute wurden aber nur wenige Windenergieanlagen erstellt. Auch wurde bisher keine kantonsweite Studie verfasst, welche die möglichen Standorte aufzeigt und gewichtet. Unsere Idee war es, die nötige Standortevaluation dafür mit einer GIS-Analyse durchzuführen.

Perimeter

Perimeter SG, AR, AI + 1km

Als funktionalen Raum wurde folgende Gebiete definiert:

  • Kanton St.Gallen
  • Kanton Appenzell Innerrhoden
  • Kanton Appenzell Innerrhoden

Zu diesem Perimeter wurde ein Umriss von 1 Kilometer dazugerechnet, damit über die Kantonsgrenze verlaufende Flächen nicht verloren gehen oder abgeschnitten werden.

Methodik

Um die möglichen Standorte zu finden und anschliessend nach ihrer Güte zu gewichten, wurden harte und weiche Kriterien definiert. Beim Erstellen dieses Kriterienkataloges richteten wir und nach dem Konzept „Windpotenzial im Kanton Zürich“. Die harten Kriterien definieren dabei diejenigen Standorte, die aufgrund unterschiedlichster Faktoren nicht in Betracht gezogen werden können (Ausschlusskriterien). Mit den weichen Kriterien können die Standorte priorisiert werden. Die Priorisierung der einzelnen Kategorien wurde von uns wie folgt definiert:

Datei:28 Harte und Weiche Kriterien.pdf

Arbeitsschritte

Arbeitsschritt 1: Erstellen des Bearbeitungsperimeters

Im ersten Schritt wurde der Bearbeitungsperimeter erstellt. Dieser umfasst die Kantone beider Appenzell, St Gallen und die Exklave des Kantons Thurgau.

Bearbeitungsperimeter

  1. Mittels „selection by attribute“ wurden die Kantonsflächen ausgewählt.
  2. Zusätzlich wurde die Exklave des Kantons Thurgau manuell hinzugefügt
  3. Mit Rechtsklick auf den Layer und dem Befehl "Selection" --> „Create new layer from selected feature“ wurde eine neue Ebene erstellt
  4. Mit dem Dissolve-Tool wurden die einzelnen Polygone miteinander vereint
  5. Mit dem Buffer-Tool wurde 1 km zum Perimeter dazugerechnet. So werden Flächen, die knapp über die Kantonsgrenze hinausschauen, auch noch miteinbezogen.

  • Schritt 1: Selection

  • Schritt 4: Dissolve

  • Schritt 5: Dissolve_buffer

Arbeitsschritt 2: Aufbereiten der weichen Kriterien

Anschliessend wurden die einzelnen Datensätze aufbereitet. Hierbei wurden jeweils Rasterdatensätze generiert, die mit Werten zwischen 1 und 10 klassiert wurden.

Vereisungshäufigkeit

  1. Rasterdaten werden mit dem Tool „Image Analysis“ auf den Bearbeitungsperimeter zugeschnitten.
  2. Den Rasterdaten werden mit dem Reclassify-Tool neue Werte gemäss obenstehender Kriterienliste zugeteilt.

  • Schritt 1: Image Analysis

  • Schritt 2: Reclassify Tool

Windstärke

  1. Zuschneiden der Polygone auf den Bearbeitungsperimeter mittels „select by location“
  2. Mit dem „Polygon to Raster" Tool werden die Polygone des Datensatzes Windstärke in ein Rasterbild umgewandelt.
  3. Den Rasterdaten werden mit dem „Reclassify-Tool“ neue Werte gemäss obenstehender Kriterienliste zugeteilt. Dabei wurde dasselbe Raster verwendet wie bei der Vereisungshäufigkeit (Environment Settings). Als geeignete Rastergrösse haben wir 25m*25m erachtet, damit sinnvolle Aussagen getroffen werden können, die Datenmenge aber in einem ansprechenden Rahmen bewegt.

  • Punkt 2: Polygon to Raster

  • Schritt 3.1: Environements Settings - Raster Analysis

  • Schritt 3.2: Environements Settings - Processing Extent

Amphibienlaichgebiete

  1. Die Amphibienlaichgebiete plus 100m Buffer werden aus dem Bearbeitungsperimeter mittels „Erase-Tool“ ausgeschnitten. (Da dies kein Rasterdatensatz ist, ist dies vorerst mit diesem Tool möglich)
  2. Die Amphibienlaichgebiete werden in Rasterdaten umgewandelt.
  3. Den Rasterdaten werden mit dem „Reclassify-Tool“ neue Werte gemäss obenstehender Kriterienliste zugeteilt.

  • Schritt 1: Befehl Erase

BLN

  1. Mit dem Tool "Union" werden die Flächen BLN und Bearbeitungsperimeter verbunden und ein neuer Layer erstellt.
  2. In der Tabelle des neuen Layers wird mit „AddField“ eine neue Spalte hinzugefügt
  3. Die Fläche mit „FID_BLN_Buffer“ = -1 haben durch den „FieldCalculator“ den Wert 10 erhalten. Bei den Flächen „FID_BLN_Buffer“ = -1 handelt es sich um alle Flächen welche nicht in einem BLN-Gebiet liegen.
  4. Allen anderen Flächen, also den BLN-Gebieten, wird mit dem „FieldCalculator“ der Wert 0 zugeteilt.
  5. Danach werden die Polygone in ein Rasterbild umgewandelt. Es muss darauf geachtet werden dass beim „Value-Field“ die neue Spalte „BLNGebiet“ ausgewählt ist.
  6. Der Befehle „Reclassify“ muss nicht mehr durchgeführt werden, da die Entsprechenden Werte (0 oder 10 = BLN ja oder nein) bereits bestehen.

  • Schritt 1: Befehl Union

  • Schritt 2: AddField

  • Schritt 3: Field Calculator

  • Schritt 4: Field Calculator

Wald

  1. Vorgehen Analog BLN.

Bauzonen

  1. Es soll die Distanz zu den einzelnen Bauzonen dargestellt werden. Je weiter eine Fläche von den Bauzonen entfernt ist, desto mehr Punkte bekommt sie (siehe Kriterienliste). Dazu wird das“ Euclidean distance" Tool verwendet.
  2. Den Rasterdaten werden mit dem „Reclassify" Tool neue Werte gemäss obenstehender Kriterienliste zugeteilt.

  • Schritt 1: Befehl Euclidean Distance

  • Produkt - Distanz zu Wohngebieten

Höhenmodell

  1. Im Höhenmodell wird die Höhe der einzelnen Punkte dargestellt. Mit dem „Slope-Tool“ wird die Steigung in Prozent oder Grad berechnet.
  2. Den Rasterdaten werden mit dem „Reclassify-Tool“ neue Werte gemäss obiger Kriterienliste zugeteilt.

  • Schritt 1: Befehl "Slope"

Weiche Kriterien zusammenzählen

Jede Fläche der weichen Kriterien hat nun je nach Qualität eine unterschiedliche Anzahl Punkte erhalten. Nun müssen sämtliche weichen Kriterien zusammengezählt und nach der Kriterienliste gewichtet werden. Der Windstärke wird dabei die grösste Aufmerksamkeit geschenkt

  1. Mit dem „Raster Calculator“ werden die einzelnen Rasterdatensätze, welche mit Punkten bewertet wurden, zusammengezählt. Die einzelnen Kriterien werden mit einem Faktor multipliziert um die Gewichtung der einzelnen Kriterien zu erhalten. Als Resultat bekommt man ein Punktetotal. Die Gebiete mit der höchsten Anzahl Punkte sind laut der Kriterienliste am besten für Windenergieanalagen geeignet. Die höchst mögliche Punktzahl ist 1000 Punkte. Die 1000 Punkte errechnen sich folgendermassen: Gewichtung 100% und alle Datensätze mit maximal 10 Punkten bewertet > 10 * 100
  2. Da gewisse Raster den Wert „NoData“ hatten, musste dieser mit dem „Reclassify-Tool“ (siehe Vereisungshäufigkeit) zu „0“ umklassiert werden. Ansonsten funktioniert der "Raster-Calculator" nicht richtig!

  • Schritt 1: Punkte zusammenzählen

Das Resultat dieses Arbeitsschrittes ist eine Karte, auf der die erreichten Gesamtpunktzahlen dargestellt werden.

  • Ergebnis aller weichen Kriterien

Datei:Karte Windpotential.pdf

Arbeitsschritt 3: Aufbereiten der harten Kriterien

Sämtliche harten Kriterien müssen nun von den weichen Kriterien (Gesamtkarte) abgezogen werden, da an diesen Standorten kein Windenergieanlagen möglich sind.

Bauzonen, Gewässer, Strassen und Bahngleisen

Für die Kriterien bezüglich Bauzonen, Gewässer, Strassen und Bahngleisen ist die Entfernung als Ausschlusskriterium massgeben (siehe harte und weiche Kriterien).

  1. Mit dem „Buffer-Tool“ wird die Distanz zu den einzelnen Kriterien dargestellt. Diese Flächen sind vor Windkraftanlagen freizuhalten.

Höhenmodell

  1. Sämtliche Flächen welche eine Steigung von mehr als 20% erreichen, bekommen mit dem „Reclassify-Tool“ den Wert 1 und sind somit Teil der Ausschlussfläche.

  • Reclassify Hoehenmodell

Harte Kriterien zu einer Fläche zusammenfügen

Die harten Kriterien werden zu einer Fläche zusammengefügt. Die neu erstellte Fläche zeigt nun, an welchen Flächen keine Windenergieanlagen erstellt werden können. Diese Fläche kann nun von den weichen Kriterien abgezogen werden.

  1. Mit dem „Raster to polygon-Tool“ werden die Rasterbilder in Polygone umgewandelt. Dies muss gemacht werden da das Merge-Tool nur auf Polygone angewendet werden kann.
  2. Mit dem „Merge-Tool“ werden sämtliche Objekte in einer „Feature Class“ zusammengefügt.
  3. Mit dem „Dissolve-Tool“ werden sämtliche Flächen zusammengefügt.
  4. Mit dem „Intersect-Tool“ wird die Fläche auf den Perimeter zugeschnitten.
  5. Mit dem „Union-Tool“ werden sämtliche Flächen dargestellt in welchen Gebieten theoretisch Windenergieanlagen gebauten werden können

  • Punkt 1: Raster to Polygon

  • Punkt 2: Flächen mit Merge zusammenführen

  • Punkt 4: Flächen zuschneiden (Intersect)

Das Resultat dieses Arbeitsschrittes ist eine Karte, in welcher die Standorte aufgezeigt werden, die von den harten Kriterien nicht betroffen sind.

  • Mögliche Standorte harte Kriterien

Datei:Karte mögliche Standorte.pdf

Überleitung zum Resultat

  1. Mit dem „Erase-Tool“ wird ein Negativ der harten Kriterien erstellt. Anschliessend können die weichen Kriterien auf diese mit dem „Image Analysis“ Tool zugeschnitten werden. > Resultat
  2. Mit dem „Vermassungs-Tool“ wurde grob geschaut ob die potentiellen Flächen grösser als 4‘000m2 sind. Wir kamen zum Schluss, dass der Grossteil dieser Flächen die 4000m2 minim bis deutlich übertreffen.

Resultat

Bewertung der 5 Standorte

In St. Gallen sind erstaunlich viele Flächen vorhanden, die nicht durch die harten Kriterien vom Bau von Windenergieanlagen ausgeschlossen werden. Bei einer entsprechend strengen Anwendung der weichen Kriterien (mind. 900 von 1000 Punkten) fallen aber viele Gebiete weg. Die grössten übrigbleibenden Gebiete, die eine gute Nutzungseignung zur Windenergieproduktion aufweisen, sind in den Talebenen des Rheins (bei Bad Ragaz und Diepoldsau) und der Linth (bei Benken) zu finden. Zwei weitere potentielle Standorte befinden sich im Norden des Kantons, im Gebiet Tannenberg und nördlich von Gossau. Gewisse Kriterien konnten bei der Standortevaluation nicht miteinbezogen werden, da die nötigen Datengrundlagen fehlten oder der Bund uns diese nicht zur Verfügung stellen wollte. Aus diesem Grund wurden die fünf evaluierten Standorte anschliessend qualitativ bewertet (siehe Tabelle rechts):

  • Windpotentialanalyse

Datei:Karte Windpotentialanalyse Ausschlusskriterien.pdf

  • Standort Bad Ragaz

  • Standort Eichberg-Diepoldsau

  • Standort Gossau

  • Standort Waldkirch (Tannenberg)

  • Standort Benken

Visualisierung Stao Tannenberg

Wir haben herausgefunden, dass beim Standort Tannenberg vor rund 3-4 Jahren konkretere Planungen bezüglich einer Windkraftanlage im Gange gewesen sind. Da dieser Standort aus unserer Analyse heraus ebenfalls sehr gut für Windkraftanlagen geeignet ist, kann unsere Analyse als repäsentativ erachtet werden. Die Folgen dieses Projekts (Tannenberg) sind zurzeit noch unklar, doch erste Daten stimmen zuversichtlich. Genauere Informationen finden sich unter folgendem Link: http://www.tagblatt.ch/ostschweiz/stgallen/gossau/Gegenwind-auf-dem-Tannenberg;art191,4173365

Geeignete Standorte für Windkraftanlagen übertragen in Google Earth

Link zur interaktiven Karte mit den Standorten für Windenergieanlagen im Perimeter (Google Earth): https://www.dropbox.com/sh/mh99a5bhb58a003/AACP9pwEUzjGQG9x7FyDfacua?dl=0

Schlusswort

Die Arbeit im GIS hat uns sehr viel Freude bereitet. Wir haben im Oktober lange Zeit nach den Daten gesucht. Dies war nicht immer einfach, da der Bund die Daten entweder nicht zur Verfügung stellt oder gar keine Datengrundlagen vorhanden sind. Als wir den Grossteil unserer Daten beisammen hatten, konnte es mit dem „GISlen“ losgehen. Das hat richtig Spass gemacht und wir konnten das im GIS 1 Gelernte an einem praktischen Beispiel vertiefen. Es ist toll zu sehen, was in relativ kurzer Zeit alles auf die Beine gestellt werden kann. Wir hoffen, dass dies für den Kanton St.Gallen Anreiz genug ist, um zu einem führenden Kanton im Bereich Windenergie zu werden. Die nötigen Voraussetzungen wären nun mit unserer Arbeit geschaffen. - Wer weiss -

Nun wissen wir wo es in St. Gallen am meisten "windet" und wo in 20-30 Jahren möglicherweise Windräder stehen könnten, die mehrere 1000 Haushalte mit Strom versorgen.

Lieber Gruss Silas, Silvan und Andi

Quellen

  • map.geo.admin.ch
  • openstreetmap.org
  • HSR Geodatenkompass
  • Skript Technischer Umweltschutz 1 (Hansruedi Kunz)
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