I. Vorschlag für ein neues Energiesystem mit Wasserstoff
Eine neuartige Architektur für Stromversorgungssysteme auf Basis Erneuerbarer Energien wird gebraucht. Wie sie aussehen könnte, schreibt Wolfgang Weller, langjähriger Lehrstuhlinhaber an der Humboldt-Universität zu Berlin, in einem Fachaufsatz in zwei Teilen. Solarify dokumentiert mit freundlicher Genehmigung den am 12. und 15.06.2020 in ErneuerbareEnergien erschienenen Text.
Strommasten und Windenergie bei Nauen, Brandenburg – Foto © Dieter Fichtner für Solarify
Der derzeit stattfindende Technologiewandel auf dem Gebiet der Stromversorgung ist durch die schrittweise Substitution der vorhandenen klimaschädlichen Wärmekraftwerke durch Stromerzeugungsanlagen auf der Basis regenerativer Energiequellen gekennzeichnet. Dabei fällt auf, dass bei der Umsetzung der diesbezüglichen Beschlüsse die bisherigen Lösungsprinzipien im Wesentlichen weiterverfolgt werden. Dazu gehört die Beibehaltung der Trennung der Standorte für die Stromerzeugung und des Verbrauchs, die durch ein landesweit überdeckendes System eines Öffentlichen Netzes verbunden sind. Somit erfolgt der Stromfluss nach dem Top-Down-Prinzip. Mit der verordneten Energiewende wird sich im Wesentlichen nur die Lage der Standorte für die genutzten Energieträger ändern. In Deutschland bedeutet das eine Abkehr von den bisherigen Zentren der Stromerzeugung auf fossiler Basis, etwa in der Rheinebene, der Lausitz und Umgebung von Leipzig zugunsten neuer Zentren der Energiegewinnung aus regenerativen Quellen insbesondere an den Küsten bzw. küstennahen Bereichen (Offshore) der Nord- und Ostsee sowie in den sonnenverwöhnten Gebieten Süd- und Südwestdeutschlands. Aus dieser Verlagerung resultieren nicht nur erhebliche Probleme für die betroffenen Standorte und deren Bewohner, sondern vergrößert sich auch die Diskrepanz zwischen dem erhöhten Stromangebot bei vergleichsweise geringerem Verbrauch im Norden und einem hohen Strombedarf im industriell stärkeren Süden unseres Landes. Dementsprechend bedarf es umfangreicher und kostenintensiver Maßnahmen infrastruktureller Art, deren bekannteste die Errichtung von Nord nach Süd reichender sog. Stromautobahnen ist.
Angepasste Problemlösungen
Das bisher verfolgte Lösungskonzept wird dem Umstieg auf die neuen Energieträger nur unzureichend gerecht, da deren Besonderheiten kaum berücksichtigt werden. Dementsprechend besteht ein Bedürfnis nach neuen, der veränderten Situation besser angepassten Problemlösungen.
In dem vorliegenden Beitrag soll ein neuartiges kohärentes Konzept für die strukturelle Gestaltung zukünftiger Energieversorgungssysteme vorgestellt werden, welches in besonderer Weise auf die Verwertung klimafreundlicher regenerativer Energiequellen gerichtet ist. Die grundlegende Idee besteht darin, die Einrichtungen zur Stromerzeugung und des Verbrauchs lokal zusammenzuführen, wobei der benötigte Strom aus regenerativen Quellen stammt und selbst erzeugt wird. Auf diese Weise werden weitgehend energie-autonome Energiezellen gebildet. Lösungsansätze in dieser Richtung gibt es bereits vereinzelt bei der Stromversorgung mobiler Systeme sowie mit Photovoltaik ausgestatteten Eigenheimen, an die wir hier anknüpfen.
Unser Vorschlag geht indessen viel weiter, indem wir benachbarte und sich ebenfalls selbstversorgende Zellen zu Clustern zusammenschließen und diesen die Möglichkeit bieten, sich bedarfsweise an eine Stromleitung einfacher Art anzukuppeln. Damit verbessern sich die Realisierungschancen für eine Energieautonomie.
Bestehende Energiezellen zu Clustern vereinen
Der nächste Gedanke besteht darin, derartige, mit Ökostrom gespeiste basale Stromversorgungssysteme auch auf höheren Ebenen zu bilden. Dazu werden wiederum bestehende Energiezellen ähnlicher Art auf höherer Ebene zu neuen Gesamtheiten, also Clustern, vereinigt. Auch diesen wird wiederum ein schaltbarer Zugang zu einer Stromleitung gewährt. Dieses Prinzip lässt sich nach oben beliebig fortgesetzt anwenden. Somit wird hier eine Bottom–Up–Strategie verfolgt. Damit entsteht im Ergebnis ein neuartiges Stromversorgungssystem von hierarchischer Struktur. Damit wird ein Lösungsvorschlag geboten, der zu einer völlig andersartigen Strukturlösung für die landesweite Stromversorgung führt und der ausschließlichen Verwertung von Ökostrom in besonderer Weise angepasst ist. Das hier vor-gestellte Konzept hierarchisch gestufter, weitgehend energieautonomer Stromversorgungssysteme kann auch systemtheoretisch interpretiert werden, entsprechend der Relativität des Gebrauchs der Begriffe von System und Element.
Gastbeiträge geben die Meinungen der Autorinnen und Autoren, nicht in jedem Fall die von Solarify wieder.
Unser Lösungsvorschlag wird durch diverse Ideen zur Lösung von Teilaufgaben ergänzt. Dazu zählt die Wiederbelebung der sogenannten Stadtwerke. Des Weiteren wird eine Direktversorgung naheliegender Städte in Regionen mit besonders hohem Aufkommen an regenerativer Energie empfohlen sowie die Etablierung einer in industriellem Maßstab betriebenen Wasserstofftechnologie in Küstennähe vorgeschlagen. Damit soll der lokale Verbrauch von Ökostrom in Regionen mit besonders hohem Energieaufkommen erhöht und auch der Grad der bisher eher schwachen Industrialisierung gestärkt werden. Mit der Errichtung von Anlagen zur Erzeugung von Wasserstoff in Küstennähe in Verbindung mit der Realisierung einer weitreichenden Infrastruktur zur Verteilung des energiereichen Gases würde auch eine Brücke in andere von der Klimaänderung betroffene Bereiche, hier insbesondere zur Verkehrstechnik, geschlagen.
Die vorgeschlagene Strukturlösung für Stromversorgungssysteme bietet einen mehrfachen Nutzen. Dazu zählt die weitgehende Entbehrlichkeit von Stromautobahnen dank der weitgehend direkten Kopplung von Stromerzeugung und Verbrauch. Angesichts der angestrebten Eigenversorgung mit Ökostrom verbessert sich auch die Versorgungssicherheit wie auch der Schutz vor Stromausfällen (Blackouts). Ein durchaus willkommener Effekt besteht ebenfalls darin, dass der Mensch bzw. eine entsprechende maschinelle Intelligenz in die Bewirtschaftung der hier vorgeschlagenen Systemlösung einbezogen wird. Damit besteht nunmehr auch eine wechselseitige Beziehung zwischen der Stromerzeugung und dem Verbrauch.
Kritik an der bisherig verfolgten Problemlösung
Die gegenwärtig vorhandenen Stromversorgungssysteme sind bekanntlich dadurch charakterisiert, dass der benötigte Strom vorzugsweise von Wärmekraftwerken erzeugt wird, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Diese wurden vorzugsweise an günstigen Standorten errichtet, die durch die entsprechenden Lagerstätten der Primärenergieträger bestimmt sind. Der erzeugte Strom wird dann unter Verwendung einer flächendeckenden Infrastruktur in Form eines sogenannten öffentlichen Netzes den landesweit verteilten Energieverbrauchern zugeleitet. Damit findet ein einseitig gerichteter Stromtransport, nämlich von den Regionen der Stromerzeugung zu denen des Verbrauchs, statt. Diese Sachlage werden wir mit dem bereits geprägten Begriff Top-Down–Strategie bezeichnen.
In der gegenwärtigen Phase findet ein Technologiewandel statt, welcher einen gewichtigen Beitrag zur Bewältigung des fortschreitenden Klimawandels mit all seinen schädlichen Folgen leisten soll. Dazu sollen die derzeitig vorrangig benutzten Wärmekraftwerke neben den restlichen noch vorhandenen Kernkraftwerken schrittweise außer Betrieb genommen werden, um die von der Verwendung fossiler Energieträger ausgehende Emission schädlicher Treibhausgase, insbesondere des Kohlendioxids, zunehmend einzuschränken. Dementsprechend hat die Regierung eine über den Zeitraum bis 2050 reichende schrittweise Stilllegung der Wärmekraftwerke verfügt. Im Gegenzug werden in zunehmendem Maße neue Kraftwerke errichtet, die den benötigten Strom aus regenerativen Energiequellen erzeugen.
Wie bei den Wärmekraftwerken gibt es auch hier bevorzugte Standorte, an denen die Sonneneinstrahlung oder das Windaufkommen besonders hoch ist. Diese neuen Kraftwerksstandorte liegen in völlig anderen Regionen, beispielsweise an den Küsten oder sogar im Offshore-Bereich oder auch gebirgigen Gebieten und sind daher zum Teil sehr abgelegen. Damit stellt sich das Problem, den an bevorzugten Orten erzeugten Ökostrom an die oft weit entfernten Zentren des Verbrauchs, etwa in Regionen mit Bevölkerungsdichte bzw. erheblicher Industrialisierung, zu transportieren. Die gegenwärtig verfolgte Strategie besteht vor allem in der Errichtung sog. Stromautobahnen, was nicht nur recht kostspielig ist, sondern auch mit Bürgerinteressen kollidiert. Damit wird die bisherige mit Top-Down–beschriebene Strategie der örtlichen Trennung von Stromquellen und Stromsenken fortgeschrieben, was uns angesichts gewisser, bisher ungenutzter Eigenschaften der neuen Energieträger ungeeignet erscheint. Dementsprechend sind neuartige Lösungen gefragt, die vor allem den Besonderheiten der neuen Energieträger Rechnung tragen.
Der neue Lösungsansatz
Die Basis unseres Lösungsansatzes beruht auf der lokalen Zusammenführung der Standorte der ökologischen Stromgewinnung mit denen des Stromverbrauchs in Verbindung mit der Selbsterzeugung des benötigten Ökostroms. Dieser Lösungsweg verspricht eine Vereinfachung des Stromübertragungsnetzes.
Schaut man sich nach Lösungen dieser Art um, so findet man solche bei Besitzen von Yachten und Caravans. Mangels des dauerhaften Zugriffs auf eine stationäre Stromquelle besteht hier die Notwendigkeit, sich den benötigten Strom aus regenerativen Quellen, wie die Sonnenstrahlung und die Windströmung, zu beschaffen. Der erzeugte Strom wird an Bord erzeugt und auch dort verbraucht. Für die Stromgewinnung können die Besitzer solcher Fahrzeuge inzwischen auf ein Angebot geeigneter technischer Mittel, wie Photovoltaik-Paneele und Kleinwindgeneratoren, zurückgreifen, die sie auf ihren Fahrzeugen installieren.
Inzwischen gibt es auch an Land ortsfeste Lösungen für die Eigenstromerzeugung aus ökologischen Quellen. Dieser Möglichkeit bedient sich eine zunehmende Anzahl von Eigenheimbesitzern, welche auf ein breites Angebot von Komplettlösungen vorzugsweise auf der Basis von PV-Anlagen zurückgreifen können. Vorteilhaft sind insbesondere solche technische Lösungen, die auch einen Stromspeicher enthalten. Als zusätzliche Maßnahme kann auch eine Kleinwindkraftanlage als zweite Stromquelle integriert werden. um den Grad der Eigenautarkie zu erhöhen. Für die Bereitschaft der Hauseigentümer, ihre Immobilie mit einer solchen Installation nachrüsten zu lassen, mögen unterschiedliche Motivationen maßgebend sein. Dazu zählen wohl Umweltbewusstsein, die Erlangung einer energetischen Selbstständigkeit und möglicherweise auch finanzielle Interessen.
Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung
Der Umstieg auf die Nutzung regenerativer Quellen zur Stromerzeugung ist generell mit dem Problem belastet, dass der auf diese Weise erzeugte Strom zum Teil erheblichen Schwankungen unterliegt. Solche Fluktuationen haben bei der Nutzung solarer Strahlung ihren Ursprung in der tages- und jahreszeitlich veränderlichen Sonnenscheindauer sowie der wechselnden Wolkenbedeckung, während die Erzeugung von Windstrom vor allem von der herrschenden Wetterlage bestimmt wird. Somit müssen zur Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung geeignete Methoden des Ausgleichs vorgesehen werden. Dazu sind Speicher einzurichten, wobei die Verwendung eines Stromspeichers die geeignetste Variante ist. Positiv auf die Versorgungssicherheit wirkt sich auch aus, wenn für die regenerative Stromerzeugung zwei auf unterschiedlichen Wirkprinzipien beruhende regenerative „Kraftwerke“ eingesetzt werden. Eine günstige Kombination ist dabei die Kombination der PV-Anlage mit einer Kleinwindkraftanlage. Infolge der unmittelbaren Kopplung von Stromerzeugung und -verbrauch besteht weiterhin auch die Möglichkeit, Einfluss auf die Stromnutzung zu nehmen, indem die Bedienung von Verbrauchern ohne direkte Zeitbindung, wie beispielsweise Waschmaschinen oder Geschirrspüler, in Zeiten größeren Stromangebots verlagert wird. Damit besteht für den Besitzer einer solchen Stromanlage die Möglichkeit, selbst Einfluss auf den Stromverbrauch zu nehmen. Er wird damit zum eigenen Energiemanager.