Energiesysteme: regenerativ und dezentral

Die fossilen Ressourcen haben eine endliche Reichweite. Aus den bekannten Ressourcen und dem heutigen Bedarf errechnete Reichweiten gelten nicht, da durch verbesserte Explorationsmethoden unbekannte fossile Reserven erschlossen werden. Der fossile Energiebedarf der Welt wird absolut weiter ansteigen durch die Transformation von Entwicklungsländern zu Schwellenländern und von Schwellenländern zu Industrienationen. Dadurch sind Verknappungen mit Preissteigerungen sehr wahrscheinlich. Die nachhaltige Energieversorgung wird zu einer verstärkten Elektrifizierung führen, insbesondere durch den massiven Ausbau von Windenenergie und Fotovoltaik. Eine Entwicklung in Richtung nachhaltige Energieversorgung ist durch die lokal vorhandenen nachhaltigen Potenziale der Energieregionen begrenzt. Der Energiebedarf der Regionen kann nicht höher sein als das Dargebot. Effizienzsteigerung sind daher notwendig, um dieses Gleichgewicht einstellen zu können. Energieimporte bei geringem Potenzial sind nur in geringem Ausmaß möglich, da zukünftig alle Regionen in Richtung Nachhaltigkeit gehen müssen und daher ihre Ressourcen selbst benötigen. Außerdem sind Importe teuer. Effizienzsteigerungen stellen Maßnahmen mit den geringsten Kosten dar: Was nicht benötigt wird, muss nicht erzeugt, transportiert, verteilt oder gespeichert werden.

Die elektrische Energieversorgung steht vor einem Umbruch. Die zentralen Versorgungsstrukturen bleiben auch zukünftig erhalten. Ein transkontinentales Supergrid mit weiträumigen Transport von regenerativer Energie konnte aber bisher nicht realisiert werden, insbesondere weil hierzu ein Konsens vieler Vertragsstaaten notwendig wäre und die Akzeptanz der Bevölkerung entlang der Ultra-Hochspannungstrassen.

Dezentrale Versorgungsansätze in Form des Microgrids mit lokaler regenerativer Erzeugung und lokaler Nutzung können die Aufwendungen für den Netzausbau minimieren und eine höhere Akzeptanz bei der Bevölkerung finden. Weiterhin können einzelne Regionen beginnen und unabhängig von anderen ihre Konzepte entwickeln und umsetzen. Durch dezentrale Versorgungskonzepte mit Speicherung und Netzregelung kann weiterhin eine dezentrale Versorgungssicherheit und Unempfindlichkeit gegen Netzstörungen erzielt werden.

In Regionen mit geringem Windenergiepotenzial lassen sich die wenigen Windenergieanlagen in die vorhandenen Netze integrieren. Durch den starken Ausbau der Windenergie nimmt deren Leistung in einigen Regionen stark zu und bei konventioneller Auslegung werden Netzverstärkungen erforderlich, die nur kurzzeitig genutzt werden und daher wenig wirtschaftlich sind.

Windenergieanlagen sollten zukünftig im Binnenland für höhere Volllaststunden bei kleineren Generatorleistungen ausgelegt werden, indem die Rotorleistung deutlich größer dimensioniert wird als die Generatorleistung. Eine Abregelung von bestehenden Windenergieanlagen mit äquivalenter Rotor- und Generatorleistung zeigt zu geringe Effekte. Außerdem müssten hierfür evtl. Marktmodelle zur Abgeltung der abgeregelten Energie geschaffen werden.

Die neue Auslegung mit überdimensioniertem Rotor benötigt i. A. keine Abgeltung für Abregelung und rechnet sich über die vermiedenen Netzausbaukosten. Die bisherigen Einspeisevergütungen berücksichtigen nicht die anteilig notwendigen Netzausbaukosten und führen daher zu Windenergieanlagen mit hohen Leistungen bei niedrigen Volllaststunden. Der Netzausbau erfolgt nachgelagert ohne gesamtwirtschaftliche Betrachtung von Erzeugungs- und Netzkosten.

Die neuen Windenergieanlagen sollen verbrauchsnah bei Siedlungen und Städten installiert und entsprechend der dortigen Spitzenleistung des Elektrizitätsbedarfs ausgelegt werden. Dadurch kann der Leitungsausbau für die Fernübertragung der Windenergie vermindert wird. Die dezentrale Nutzung von Windenergie wird damit auch im Binnenland wirtschaftlicher. Die neuen Windenergieanlagen mit vergrößerten Rotoren haben heute höhere Investitions- und Erzeugungskosten. Über die verminderten Netzausbaukosten ergibt sich bei starkem Ausbau der Windenergie aber keine Erhöhung der Energiekosten. Zukünftig lassen sich durch Mehrinvestitionen in innovative Windenergieanlagen die Netzausbaukosten vermindern. Wenn Windenergieanlagen mit konventioneller Auslegung in großer Zahl weiter errichtet werden, führen deren minimierte Investitionskosten zu erhöhten Netzausbaukosten. Der Netzausbau stellt ein flächiges Problem der Raumordnung dar, das wenig Akzeptanz bei der Bevölkerung findet und im dicht besiedelten Mitteleuropa große Probleme bei der Suche nach neuen Trassen verursacht. Die Konzentration auf innovative Windenergieanlagen führt bei ganzheitlicher Betrachtung zu keiner Erhöhung der Strombezugskosten beim Endkunden und stellt insgesamt eine Lösung mit höherer Wahrscheinlichkeit für eine Akzeptanz der Bevölkerung dar.

PV-Anlagen ohne Speicherbatterien sind aus der Sicht des Betreibers kostengünstiger als solche mit Speicher. Sie lassen aber nur geringere Eigen-Nutzungsanteile zu und können zu hohen Netzbelastungen führen oder aber Vorschriften zur Abregelung hervorrufen. Außerdem werden größere Dachflächen benötigt, die nicht unbedingt zur Verfügung stehen. Für eine breite Anwendung sind daher PV-Anlagen mit Speicher notwendig.

Zukünftig sind bei Neubauten auch in Großstädten PV-Installationen von 2 kW pro Haushalt möglich. Damit wird eine solare Versorgung der Haushalte zu 50 % des heutigen Strombedarfs möglich. Weiterhin können die heute existierenden Niederspannungsnetze ohne weiteren Ausbau verwendet werden und es ist keine zentrale Speicherung und kein Engpassmanagement für Netze erforderlich. Schließlich können die dezentralen Speicherbatterien für eine unterbrechungsfreie und damit versorgungssichere Elektrizitätsversorgung genutzt werden. Die Versorgungssicherheit wird wegen des zunehmenden Automatisierungsgrades im Gebäude, dem Gewerbe und der Industrie immer wichtiger.

Die regenerativen Energiequellen haben Erzeugungscharakteristiken, die eine Ergänzung durch Speicher und Erzeugungsanlagen für Ausgleichsenergie benötigen. Durch dezentrale Versorgungskonzepte, bei denen die regenerativen Quellen auf den Bedarf abgestimmt sind und die zusätzlich mit lokalen Speichern kombiniert werden, können die bisherigen Energienetze mit nur geringem Ausbaubedarf weiter betrieben werden. Speicherpotenziale können zukünftig durch PV-Batterien, Fahrzeugbatterien, Pumpspeicher sowie durch Wasserstoffelektrolyse und Ökomethan geschaffen werden. Wegen der niedrigen Gesamtwirkungsgrade bei der Rückverstromung von Wasserstoff oder Ökomethan sind größere Leistungen der regenerativen Stromerzeugungsanlagen zu installieren. Insbesondere Ökomethan ist für die Langzeitspeicherung geeignet und ermöglicht, die Gas- und -Dampfkraftwerke als regenerativ zu betrachten.

Der Ausbau der regenerativen Energieversorgung führt zu einer zeitweiligen Verdrängung von konventionellen Kraftwerken. Diese sind bisher mit ihren Schwungmassen und Turbinenreglern an der Leistungs-Frequenz-Regelung beteiligt. Im europäischen Netz werden zukünftig weiterhin Wasserkraftwerke und ein Teil der thermischen Kraftwerke in Betrieb sein. Hierdurch wird der Anteil der wirksamen Schwungmassen zwar insgesamt geringer, er wird aber mindestens 20 % der heutigen Werte ausmachen. Durch die geringeren Schwungmassen werden die Frequenzgradienten bei Störungen des Leistungsgleichgewichts zwischen Erzeugung und Last wesentlich größer. Solche Störungen sind nach den bisherigen Regeln der auf die langsamen thermischen Kraftwerke abgestimmten Erzeugungsgradienten nicht mehr beherrschbar.

Zukünftig müssen sich bei hoher regenerativer Erzeugung die regenerativen Anlagen an der Primärregelung beteiligen. Die Windenergieanlagen sind mittels Pitchregelung oder durch interne Batteriespeicher in der Lage hohe Leistungsgradienten zu erbringen. Hierzu ist ein Teil der Anlagen entsprechend auszustatten.

Photovoltaikanlagen sollten mit Batterien ausgestattet werden, damit sie jederzeit an der Leistungs-Frequenz-Regelung teilnehmen können. Nur ein kleiner Anteil dieser Anlagen wird dafür benötigt und es sind außerordentliche Regelgeschwindigkeiten möglich.

Durch dezentrale verbrauchernahe Installation von Windenergie und PV sowie durch neue Auslegung der Windenergieanlagen mit geringeren Einspeiseleistungen und mehr Volllaststunden lassen sich zukünftig Netzüberlastungen vermeiden. Damit kann auch eine frequenzabhängige Abschaltung dieser Anlagen entfallen, die zu sprunghaften Leistungsänderungen und dadurch zu Instabilitäten im Netz bis hin zur Auslösung von Blackouts führen kann.

Die dezentrale Energieversorgung mit gebäudegebundener Fotovoltaik kann mit geringen Anforderungen an den Ausbau der Verteilungsnetze auskommen, wenn die PV-Anlagen möglichst gleichmäßig über alle Gebäude verteilt werden und wenn lokale stationäre und mobile Batteriespeicher die Überschussenergie tagsüber puffern und am Abend und in der Nacht zurückspeisen. Die Dachflächenpotenziale erlauben eine dezentrale Versorgung von bis zu 50 %. Voraussetzung hierfür ist, dass die Endanwender von Elektrizität erhebliche Maßnahmen zur Effizienzsteigerung durchführen.

Windenergie kann in ländlichen Regionen bedarfsgerecht in die Mittelspannungsnetze integriert werden. Auch hierbei ist mit angepassten Windenergiekonvertern, die hohe Volllaststunden auch im Binnenland aufweisen, ein Integration ohne Netzausbau möglich.

Die städtischen und großstädtischen Ballungsgebiete können Windenergieanlagen nur am Stadtrand in großen Windparks akzeptieren. Für die Versorgung dieser Gebiete ist ein Ausbau der 110 kV- und 380/220 kV-Netze notwendig.

Die geringeren Volllaststunden der regenerativen Energiequellen erfordern bei zentraler Einbindung in die Übertragungsnetze hohe Installationsaufwendungen im Netz. Durch die relativ kurze jährliche Nutzungsdauer sind diese Leitungen wenig wirtschaftlich und finden außerdem wenig Akzeptanz bei der Bevölkerung.

Für Photovoltaikanlagen sind zukünftig auch ergänzende Batteriespeicher erforderlich, die den Nutzungsgrad der dezentralen Installationen durch Verlagerung der Nutzung gespeicherter Solarenergie in die Abend- und Nachtstunden erhöhen. Diese kombinierten Anlagen werden zukünftig durch technologische und fertigungstechnische Fortschritte wirtschaftlich werden. Weiterhin ist ein Ausbau der Pumpspeicher erforderlich. Beide Speichertypen sind wirtschaftlich und technisch nur als Kurzzeitspeicher realisierbar.

Der Energieaustausch zwischen Regionen mit regenerativer und fossiler Erzeugung stellt eine interessante Möglichkeit zur Minderung der Emissionen dar. Wegen der geringen Akzeptanz von Freileitungen und hoher Kosten bei erdverlegten Kabeln ist wahrscheinlich nur ein durch die vorhanden Leitungskapazitäten und die mittelfristig umsetzbaren Zubaupotenziale begrenzter Austausch möglich.

Die dezentrale Energieversorgung ist derart zu entwickeln, dass ein möglichst großer Anteil der beim Endanwender gewonnenen Energie auch dort genutzt wird. Die regenerativen Quellen sind zukünftig so auszulegen, dass sie bei begrenzten Installationsleistungen hohe Volllaststunden aufweisen und damit möglichst eine Erhöhung der Kapazität des Verteilungsnetzes mit kurzer jährlicher Nutzungsdauer vermeiden.

Die Eigenerzeugung führt zu einer Minderung der Bezugsleistung aus den überlagerten Netzen, während im Niederspannungsnetz selbst durch gegenseitigen Energieaustausch zwischen den Prosumern Netzentgelte anfallen.

Die Organisation des dezentralen Elektrizitätsmarktes für die Prosumer muss für kleine Austauschmengen an elektrischer Energie geeignet sein. Kleinbilanzgruppen mit automatisierten Energiemonitoring- und -Abrechnungssystemen sind zukünftig notwendig. Kleinste Einheiten bilden dabei Energieautomatisierungssysteme in Gebäuden, in denen gemeinsame oder individuelle regenerative Erzeugungs-, Speicherungs- und Energie-Bilanzierungsanlagen vorhanden sind. Auch der Energieaustausch zwischen Endkunden im Niederspannungsnetz benötigt Automatisierungssysteme, die auch die Netznutzungstarife mit verrechnen können.

Die elektrische Energieversorgung befindet sich auf dem Weg von einer durch Förderung der nachhaltigen Energie geprägten Investitionskultur zu einem ungeförderten und durch den Nutzen des Endkunden bestimmten freien Markt. Die heutige auf zentrale Systeme abgestimmte Wertschöpfungsorientierung muss durch eine auf die Endkunden abgestimmte Bedürfnisorientierung abgelöst werden. Zukünftig müssen die Energiedienstleister die Bedürfnisse der Endkunden erfüllen, die bei geringen finanziellen Möglichkeiten den Weg zur dezentralen nachhaltigen Energieversorgung mit Eigenerzeugung gehen möchten. Da die Energiedienstleister nach der neuen europäischen Energieeffizienzrichtlinie zukünftig auch für die Effizienz bei der Endanwendung ihrer gelieferten Energie verantwortlich sind, verschieben sich die wirtschaftlichen Optimierungsziele. Einnahmen aus dem Energiehandel und den Netzdienstleistungen und Pönalen bei Nichterreichen der vorgegebenen Effizienzziele sind zusammen zu betrachten und gegeneinander aufzurechnen.

Wegen der großen Zahl von Endkunden, bei denen die Effizienz jährlich um einen vorgegebenen Prozentsatz zu steigern ist, sind groß angelegte Kampagnen zum subventionierten Gerätetausch nicht wirtschaftlich durchzuführen. Stattdessen können Contracting-Modelle zur Effizienzsteigerung wirtschaftlich interessant sein.

Eine Direktvermarktung von regenerativer Energie bis hin zum Kleinkunden mit regenerativer Eigenerzeugung wird an Bedeutung gewinnen. Hierzu sind dezentrale Automatisierungs- und Messsysteme erforderlich, die eine qualifizierte Betreuung benötigen. Die Netzbetreiber können dieses Gebiet, das sie bisher mit Messdienstleistungen beim Einzelkunden abdecken, in Richtung eines automatisierten Management- und Abrechnungssystems erweitern und hier treuhänderische Funktionen übernehmen.

Eine Analyse des Endenergiebedarfs nach Anwendungsarten zeigt, dass die mechanische Energie, die Raumwärme und die Prozesswärme bereits 93 % des Endenergiebedarfs ausmachen. Der Sektor Verkehr hat den größten Anteil an der mechanischen Energie. Die Raumwärme wird überwiegend im Sektor der Gebäude benötigt und die Prozesswärme in der Industrie und im Gewerbe.

Die Energiestrategie Europas zielt in Richtung einer überwiegend regenerativen Energieversorgung bis zum Jahr 2050. Die regenerativen Energiequellen aus Wasserkraft, Windenergie und Fotovoltaik werden bis dahin die größten Anteile an der Energiebereitstellung haben. Da diese Elektrizität erzeugen, wird die Energieversorgung überwiegend elektrisch. Die heutige vorwiegend auf fossiler Energie beruhende Versorgung muss durch erneuerbar gewonnene Elektrizität substituiert werden. Da die regenerativen Potenziale beschränkt sind, ist eine erhebliche Steigerung von Effizienz und Suffizienz in der Endanwendung notwendig.

Der industrielle Sektor hat zusammen mit Gewerbe, Handel und Dienstleistungen einen Anteil von 45 % am Endenergiebedarf in Deutschland. Für ein Gelingen der Umstellung auf eine überwiegend nachhaltige Energieversorgung müssen diese Sektoren weiterhin an einer leistbaren und sicheren regenerativen Energieversorgung beteiligt werden.

Im Bereich der industriellen Antriebstechnik ist heute bereits eine fast vollständige Umstellung auf elektrische Antriebstechnik erfolgt, wodurch regenerativ gewonnene Elektrizität aus Fotovoltaik, Windenergie und Wasserkraft ohne Umstellung der Produktionsanlagen genutzt werden kann. Die Prozesswärme hat im industriellen Sektor einen relativen Endenergiebedarf von 65 % und ist noch überwiegend auf fossile Ressourcen angewiesen. Die Umstellung der Prozesswärmeversorgung auf elektrothermische Verfahren stellt daher einen Schlüssel zur Integration des Sektors Industrie in die nachhaltige Energieversorgung dar.