Hintergrundinformation

Eine Infrastruktur
für erneuerbare Energien

Erneuerbare Energieträger, vor allem Wind und Sonne, kann man nur dann nutzen, wenn die Sonne scheint und der Wind weht. Während Wärme zumindest über kürzere Zeiträume leicht in Warmwassertanks gespeichert werden kann, ist für die umfassende Nutzung erneuerbaren Stroms eine angepasste Infrastruktur notwendig, die sowohl die Energiespeicherung als auch ein angepasstes und “intelligentes” Stromnetz umfasst.

Das europäische Supergrid zum Stromtransport
Erneuerbare Energieerzeugung braucht eine andere Infrastruktur: Um Schwankungen
bei der Stromerzeugung ausgleichen zu können, muss die Transportkapazität für Strom
und die Speichermöglichkeiten ausgebaut werden. Das hier dargestellte “Supergrid” birgt
 freilich auch Gefahren und Sachzwänge, siehe Text. Eigene Abbildung, inspiriert von
der aus DIE ZEIT Nr. 18/2010.

Die Systemfrage

Hinter der zuverlässigen Lieferung von Strom und anderen Nutzenergien steht immer ein komplexes System der Energiebereitstellung, das weit mehr umfasst als die Erzeugung von Nutzenergie: Bei konventionellen Energien gehören etwa der Abbau der Rohstoffe, ihr Transport zu den Kraftwerken oder Raffinerien, und die Weiterleitung des erzeugten Stroms über Stromnetze zu den Kunden bzw. der Transport von Benzin, Heizöl oder Gas zu den Tankstellen oder zum Endverbraucher, das Tankstellennetz und vieles andere zu diesem System der Energiebereitstellung. Wie dieses System aussieht, hängt von den Eigenschaften der genutzten Energiequellen ab. Bei konventionellen Energiequellen finden sich fossile Brennstoffe und Uran an wenigen Orten auf der Erde konzentriert, so dass eine komplexe Lieferkette entsteht, die - da die sichere Energieversorgung “systemrelevant” ist (um einen Begriff aus der Finanzkrise auszuleihen) - eine enge Zusammenarbeit von Energieunternehmen und Regierungen erfordert; die Energieunternehmen selber müssen international tätig sein oder mindestens kooperieren. Historisch hat sich hieraus eine - politisch zur Sicherstellung der Rentabilität von Investitionen etwa in Stromnetze auch gewollte - Konzentration in der Energiewirtschaft entwickelt, die bis hin zu erst vor wenigen Jahren aufgelösten Monopolen führte.

Mit erneuerbaren Energiequellen ändern sich die Anforderungen an das System der Energiebereitstellung grundsätzlich: Sie fallen, wenn auch unterschiedlich intensiv, überall auf der Welt an, so dass - außer bei der Biomasse - der Abbau und der Transport von Rohstoffen entfallen und der Ort der Energieumwandlung und der des Verbrauchs derselbe sein können. Dafür kann man - wieder außer bei der Biomasse - auch keine Rohstoffe lagern und bei Bedarf verbrennen; die meisten erneuerbaren Energieträger können nur genutzt werden, wenn sie anfallen - z.B. die Sonne scheint oder der Wind weht. Gespeichert werden kann hier nur die Endenergie, also Strom und Wärme.

An dieser Stelle besteht daher ein Systemkonflikt zwischen den Anforderungen des bestehenden Energiesystems und einem System erneuerbarer Energien: Das gesamte System der Energiebereitstellung muss umgebaut werden, wenn erneuerbare Energiequellen eine zunehmende Rolle in der Energieversorgung übernehmen und diese schließlich komplett sicherstellen sollen.

Warum Stromkonzerne erneuerbare Energien nicht mögen

Die unterschiedlichen Systemanforderungen atomer/fossiler Energieträger und erneuerbarer Energien sind der Hintergrund des Widerstands der Stromenergie gegen die Einführung erneuerbarer Energien (aller anderslautenden Werbung zum Trotz - 90 Prozent der Investitionen in erneuerbare Energien werden in Deutschland nicht von den Stromkonzernen getätigt): Das bisherige System der zentralen Energieversorgung sichert ihnen jedes Jahr Milliardengewinne; bei dezentraler Nutzung erneuerbarer Energien entstehen aber vor allem Technikkosten (die Anlagen müssen gekauft werden), von denen die Anlagenhersteller, nicht aber die Stromkonzerne profitieren. Daher versuchen die Stromkonzerne, erneuerbare Energien wenn schon, dann möglichst zentral zu nutzen, und investieren beispielsweise in Windparks in der Nordsee und unterstützten Initiativen wie Desertec.

Eine dezentrale Energieversorgung, bei der auch andere Erzeuger mitmischen können, etwa Stadtwerke, die wieder eigene Erzeugung anstreben oder gar die Bürger selbst in Form von “Bürgerkraftwerken”, liegt nicht in ihrem Interesse. Aber das betriebswirtschaftliche Interesse der Stromkonzerne ist nicht identisch mit dem volkswirtschaftlichen und energiepolitischen Interesse des Landes, und bei den Äußerungen der Stromkonzerne (siehe rechts ...) und der in ihrem Sold stehenden Experten zu erneuerbaren Energien muss man deren Interessen immer mit bedenken. Spannend dürfte in diesem Zusammenhang werden, was die grün-rote Landesregierung in Baden-Württemberg mit dem von der Vorgängerregierung gekauften Stromkonzern EnBW, einem der vier großen in Deutschland, macht: Hier geht es darum, ein Modell zu finden, wie ein “alter” Stromkonzern auf die anbrechenden Zeiten erneuerbarer Energien ökologisch verantwortlich und ökonomisch tragfähig reagieren kann.

Siehe auch: Agentur für erneuerbare Energie >> Kraftwerke für Jedermann (pdf, 2,4 MB)

Ein besseres Stromnetz

Das heutige Hochspannungsnetz dient vor allem dazu, den Strom aus im Prinzip verbrauchernah gebauten Großkraftwerken zu ersetzen, wenn diese einmal ausfallen. Die Anforderungen an ein Stromnetz für erneuerbare Energiequellen hängen von deren Anordnung ab: eine lokale Stromerzeugung muss vor allem Schwankungen in der Erzeugung von Wind und Sonne durch die Nutzung von Stromspeichern und flexibler Regelenergie ausgleichen können (“smart grid”), die großtechnische Erzeugung von Strom aus Windparks in der Nordsee oder aus Sonnenkraftwerken rund ums Mittelmeer braucht zudem eine deutlich höhere und möglichst verlustärmere Transportkapazität.

“Smart Grids” - schlaue Stromnetze

Ein “schlaues Stromnetz” (engl. smart grid) nutzt moderne Informations- und Kommunikationstechniken, um lokal Stromerzeugung und Verbrauch auszugleichen. Dieses Netz erlaubt, die Stromverbraucher über den Zustand des Netzes zu informieren (smart metering - “intelligente Stromzähler”) und etwa über gestaffelte Preise dazu zu animieren, ihren Verbrauch möglichst in Zeiten zu legen, in denen genug Strom zur Verfügung steht (wie Industriebetriebe das heute schon unter dem Stichwort “Lastmanagement” tun). Damit werden Elektrogeräte möglich, bei denen die Nutzer eingeben können, bei welchem Strompreis sie sich einschalten und bei welchem sie sich wieder ausschalten sollen - so können etwa Kühlschränke ihren Kompressor zu Zeiten, in denen Spitzenlaststrom besonders teuer ist, einfach kurz abschalten; Waschmaschinen nur in Zeiten des billigsten Stromes laufen. Außerdem können solche Stromnetze lokale Energiespeicher (siehe nächstes Kapitel), zukünftig etwa die Batterien von Hybrid- und Elektroautos (>> hier), in das Netz einbinden. Mit diesen Maßnahmen kann die (teure) Erzeugung von Spitzenlaststrom, mit dem heute Schwankungen zwischen Stromangebot und -nachfrage ausgeglichen werden, verringert werden - die Energieversorgung würde billiger und umweltfreundlicher. Heute ist aber noch unklar, in welchem Ausmaß Verbraucher ihr Verhalten ändern und die Möglichkeiten dieser Technologie auch nutzen werden. Durch flexibel einsetzbare “Regelenergie “ (z.B. mit Biogas betriebene Blockheizkraftwerke) können die verbleibenden Schwankungen von Wind und Sonne ausgeglichen werden (siehe >> unten). Solche Konzepte sind, etwa in “100 Prozent-Erneuerbare- Energie-Regionen” bereits in der Praxid erprobt.

Bessere Hochspannungsnetze

Zahlreiche Szenarien für eine Energieversorgung mit erneuerbaren Energiequellen bauen zudem auf ein besser ausgebautes Hochspannungsnetz. Sonne und Wind schwanken nicht nur kurzfristig, sondern auch saisonal - die Sonne liefert vor allem im Sommerhalbjahr Strom, der Wind im Winterhalbjahr. Werden Wind- und Sonnenkraftwerke in einem großräumigen Stromverbund verknüpft, ergänzen sich beide: Irgendwo scheint immer die Sonne, irgendwo weht immer Wind. Daher werden desto weniger Kraftwerke und andere Technologien für den Ausgleich von Schwankungen (>> unten) gebraucht, je mehr Kapazität für die Fernübertragung von Strom zur Verfügung steht. Herkömmliche (Wechselstrom-) Hochspannungsleitungen sind wegen zu hoher Verluste für die nötigen Distanzen aber weniger geeignet. Für die Übertragung von Strom über weite Strecken - so dass etwa Sonnenenergie aus Spanien die Windschwankungen in der Nordsee ausgleichen kann - soll daher die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) genutzt werden. Ein HGÜ-Netz hätte geringere Übertragungsverluste und wäre besser steuerbar, was seine Nachteile (höhere Kosten) ausgleicht; außerdem können sie kostengünstiger unterirdisch verlegt werden, was die Akzeptanz in der Öffentlichkeit erhöhen dürfte. Die Technik ist bewährt und wird seit fast 60 Jahren eingesetzt; jüngstes Beispiel ist das Norned-Unterseekabel, das Norwegen und die Niederlande miteinander verbindet. Bei einer Länge von 1.000 Kilometern betragen die Verluste nur 3 Prozent, die Hälfte der Verluste von Wechselstromleitungen (dazu kommen noch 1,5 Prozent für die beiden Konverterstationen, an denen der Wechselstrom gleichgerichtet bzw. wieder in Wechselstrom umgewandelt wird). Die Anhänger dieser Vision denken daran, die vorhandenen HGÜ-Fragmente zu einem europäischen, bis nach Nordafrika reichenden, “Supernetz” auszubauen. Dabei könnten auch norwegische Wasserkraftwerke, die als Zwischenspeicher dienen könnten (>> unten) mit eingebunden werden.

Auch andere Länder, die erneuerbare Energien massiv ausbauen, auf neue Stromnetze: In den USA wird ein Unified National Smart Grid von “Repower America” als einer von vier Meilensteinen auf dem Weg zu einer vollständigen Versorgung mit erneuerbaren Energien gesehen (und von Präsident Obama unterstützt); China hat bereits mit dem Bau des modernsten Hochspannungsnetzes der Welt mit einem 800-Kilovolt-Supernetz begonnen, in das es 363 Milliarden Euro investiert. Es soll bis 2020, wenn das Land 15 Prozent seiner Energienachfrage mit erneuerbaren Energiequellen decken will, fertiggestellt sein. “Smart” wird ein Supernetz übrigens in Kombination mit “schlauen”, lokalen Stromnetz (siehe folgendes Kapitel); die Kombination aus besseren Hochspannungsnetzen und intelligenten Stromnetzen wird auch als Super-Smart-Grid bezeichnet.

Hochspannungsleitungen sind aber auch unbeliebt - wo immer sie gebaut werden sollen, gibt es lokalen Widerstand. Dieser lässt sich durch unterirdische Leitungen verringern - diese kosten aber drei- bis fünfmal soviel wie Freilandleitungen. Um die Akzeptanz für neue Hochspannungsleitungen zu verbessern, sollte daher zum einen der Vorrang für lokal erzeugte erneuerbare Energien gesetzlich festgeschrieben werden, zum anderen sorgfältig und transparent geprüft werden, welche Leitungen tatsächlich notwendig sind: Offshore-Windparks und Stromerzeugung in der Sahara werden von den Stromkonzernen auch deshalb angestrebt, weil damit die gewohnte zentrale Stromversorgung auch mit erneuerbaren Energiequellen aufrecht erhalten werden kann. Ob etwa die behaupteten Preisvorteile bei Betrachtung der Systemkosten (Stromtransport...) und der zu erwartenden Konzessionsabgaben tatsächlich eintreten, steht durchaus dahin.

Speicherung von Wind- und Sonnenstrom

Schwankungen bei Wind- und Sonnenenergie kann man auch mit anderen, flexibleren erneuerbaren Energiequellen ausgleichen: Auf lokaler Ebene mit “regenerativen Kombianlagen”, in denen beispielsweise Biomasse genutzt wird, um mittels Holz- oder Biogas-Kraftwerken Strom zu erzeugen, wenn Wind und Sonne nicht ausreichen. Aber aufgrund der Grenzen der Biomassenutzung (>> hier) ist dieses Potenzial begrenzt. Vor allem kann damit kein überschüssiger Strom gespeichert werden. Dieser wird aber absehbar in größerem Umfang anfallen, wenn die geplanten Offshore-Windkraftanlagen in Nord- und Ostsee fertig gestellt werden. Auf “konventionelle” erdgasbetriebene Kleinkraftwerke setzt daher der Ökostromanbieter Lichtblick bei seinen “ZuhauseKraftwerken”: Auch diese lassen sich so steuern, dass Schwankungen bei der Stromerzeugung durch erneuerbare Energiequellen ausgeglichen werden; die anfallende Wärme wird gespeichert. Die Anlagen lassen sich im Prinzip auch mit Biogas in Erdgasqualität betreiben (Lichtblick selber mischt seinem Erdgas Biogas zu); als Kraft-Wärme-Koppelungsanlagen vermeiden sie in jedem Fall die enormen Wärmeverluste von Großkraftwerken (>> hier).

Der klassische Weg zum Speichern überschüssigen Stroms sind Pumpspeicherkraftwerke: Bei einem Überangebot an Strom wird Wasser in hochgelegene Stauseen gepumpt, und bei Strommangel mit der Wasserkraft Strom erzeugt. In Deutschland gibt es Pumpspeicherkraftwerke mit einer Leistung von etwa 7.000 Megawatt; aber für weitere Pumpspeicher fehlen hier geeignete Standorte. Daher wird daran gedacht, die norwegischen Wasserkraftwerke, die heute fast den gesamten Strom Norwegens erzeugen, mit Pumpen und Steigleitungen zu versehen. Damit würde die Pumpspeicherkapazität enorm ausgebaut. Allerdings wäre diese Technik auf weit größere Stromtransportkapazität - den Anschluss an das europäische Supernetz - angewiesen. Auch andere Technologien werden entwickelt: Unterirdische Druckluftspeicher (mit überschüssigem Strom wird Druckluft erzeugt, und mit dieser im Bedarfsfall Strom; die erste deutsche Anlage arbeitet seit 1978 im niedersächsischen Huntorf) und auf die Erzeugung von Wasserstoff (siehe >> hier). Die Erzeugung von Wasserstoff ist vor allem für längere Speicherzeiträume preisgünstiger als die Erzeugung von Druckluft, allerdings sind die Energieverluste größer. Mit Wasserstoff und Kohlendioxid kann auch synthetisches Methan erzeugt werden, das wiederum in gasbetriebenen Blockheizkraftwerken zur Erzeugung von Regelenergie genutzt werden kann.

Wie groß der Bedarf an Speichern bei einer Energieerzeugung ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen ist, ist nicht genau bekannt; und hängt auch von Faktoren wie etwa dem Ausbau des Stromnetzes (siehe oben) ab. Schätzungen reichen von 0,5 bis 8 Prozent des jährlichen Stromverbrauchs; im obersten Fall wäre das etwa 1000 Mal soviel Speicherkapazität wie heute vorhanden. Daher sucht die Energiewirtschaft nach weiteren Speichermöglichkeiten. Ein Hoffnungsträger sind Elektroautos:

Energiespeicher Plug-In-Hybrid- und Elektroauto

Die Akkus zukünftiger Plug-In-Hybrid- (das sind Hybridautos, deren Akkus am Stromnetz aufgeladen werden können) und Elektroautos könnten in Kombination mit einem intelligenten Stromnetz als Speicher dienen, und den Autobesitzern Geld sparen: Geladen werden die Akkus, wenn Strom billig ist, verkauft wird der Strom, wenn er besonders teuer ist. Immerhin wird ein Auto durchschnittlich 90 Prozent seiner Lebenszeit nutzlos geparkt. Hybridautos könnten mit ihrem Motor - oder in fernerer Zukunft mit Brennstoffzellen - in Spitzenzeiten sogar Strom erzeugen, geparkte Autos also zu einem “Kraftwerkspark” werden. Diese Speichertechnologie hängt freilich, wie die Zukunft der Hybrid- und Elektroautos insgesamt, von Fortschritten in der Batterietechnologie ab (>> mehr).

Stromspeicherung mit Akkumulatoren

Von der Entwicklung der Batterietechnologie für Elektroautos wird die Stromindustrie in jedem Fall profitieren: Batterien stellen einen wichtigen Baustein zum Ausgleich kurzfristiger Schwankungen dar. Moderne Akkus können in wenigen Millisekunden Strom zur Verfügung stellen, und sind darin jeder Art von Kraftwerk überlegen. Der modernste Batterietyp, zimmergroße Natrium-Schwefel-Akkus eines japanischen Herstellers, sind jedoch auf Jahre ausverkauft; zukünftig sollen aber auch aus Autoakkus zusammengesetzte Anlage diese Rolle spielen können. Optimisten gehen davon aus, dass die Nanotechnologie oder magnetische Stromspeicherung in Zukunft zu Durchbrüchen bei der Speichertechnologie führen werden.

Die Infrastruktur der Zukunft

Unsere Infrastruktur - die langlebigen Einrichtungen, die dem Funktionieren der Volkswirtschaft und des gesellschaftlichen Lebens dienen, wie Strom- und Fermwärmenetze, Verkehrswege, Kommunikationsnetze und Wasserver- und Abwasserentsorgungs- einrichtungen - muss, wie hier am Beispiel der Stromnetze gezeigt, für eine nachhaltige Zukunft umgebaut werden. Ein solcher Umbau kann aber, wie etwa die Erfahrungen mit Stuttgart 21, dem Umbauprojekt das Stuttgarter Hauptbahnhofs, zeigen, nicht ohne ein transparentes und nachvollziehbares Verfahren gelingen, mit dem Ziel, Zeitpläne und Prioritäten festgelegt werden und so den Betroffenen vermitteln, warum bestimmte Vorhaben im Sinne der Allgemeinheit notwendig sind. Aber bei einem Umbau der Infrastruktur wird es immer Gewinner und Verlierer geben, und daher sollte für die Verlierer von vornherein ein fairer Interessenausgleich vorgesehen werden, etwa Kompensationszahlungen beim Wertverlust von Immobilien. Bisher müssen Betroffene nämlich in der Regel Nachteile einfach erdulden, und können sich daher nur wehren, indem sie das betreffende Projekt ganz ablehnen. Erst wenn Projekte gut geplant, nachvollziehbar begründet, rechtsstaatlich genehmigt und Verlierer fair entschädigt wurden, kann der notwendige Umbau der Infrastrukur ohne gesellschaftliche Verwerfungen gelingen.

mehr: Öko-Institut, eco@work Juli 2011: >>
Der Ausbau der Infrastrukur; >> Gastkommentar von Thomas Jühe, Bürgermeister von Raunheim zum Beispiel Ausbau des Frankfurter Flughafens.

Webtipps

Den Umbau der Stromnetze für erneuerbare Energien will das >> Forum Netzintegration fördern, dem es auch darum geht, Konflikte beim Netzumbau durch Transparenz und frühzeitige Beteiligung der betroffenen Öffentlichkeit zu verringern.

Mehr über das amerikanische Supernetz: Repower America >>
Energy Infrastructure
Mehr über das Desertec-Supernetz: Desertec >>
Technologies

Mehr über intelligente Stromnetze:
lohas.de: >>
Intelligente Stromnetze
Technologie-Wettbewerb zur Entwicklung intelligenter Stromnetze >>
E-Energy
Mehr über intelligente Stromzähler:
BBC Science/Nature: >>
Bringing Meters out of the Closet (englischsprachig)

Mehr über das >>
Lichtblick ZuhauseKraftwerk

© Jürgen Paeger 2006 - 2011

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Erneuerbare Energien   lieferten in Deutschland 2010 pro Einwohner gut 3,4 kWh/Tag, also 16,5 Prozent des Stromverbrauchs von 20,4 kWh/Tag.

“Regenerative Energien wie Sonne, Wasser und Wind können auch langfristig nicht mehr als 4 Prozent unseres Strombedarfs decken.”  Aus einer 1993 in allen großen Zeitungen geschalteten Anzeige der Stromwirtschaft.

aus: Erneuerbare Energien - Vohersage und Wirklichkeit. Agentur für erneuerbare Energien (2009),
www.unendlich-
viel-energie.de