Mit bestehenden Technologien die Energiewende meistern
Der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung Deutschlands steigt.
Damit erhöht sich auch die Volatilität im Netz.
Das regenerative Speicherkraftwerk hilft
einen Ausgleich zu schaffen und die Energieversorgung zu sichern.
Rund 20 Jahre nach der Einführung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) beträgt der Anteil erneuerbaren Stroms in Deutschland 42,6 % (Stand: 2019) [1]. Bis 2050 müssen demnach „nur“ noch die restlichen 57,4 % erfüllt werden. Doch wo stehen wir mit der Energiewende tatsächlich? Werden der Gesamtzustand (Strom, Wärme, Verkehr) und die Klimabilanz (Bild 1) in Deutschland betrachtet, so müssen noch zahlreiche Herausforderungen bewältigt werden. Hierfür gibt es jedoch schon jetzt eine einfache, jahrzehntelang konventionell erprobte, systemübergreifende, skalierbare und wirtschaftliche Lösung.
Fehlender zeitlicher Stromausgleich
Die aktuelle Defossilisierung des Stromsektors ist in den letzten Jahren verstärkt durch Photovoltaik (PV)- und Windstrom entstanden. Dieser Trend wird und muss auch zukünftig bestehen, da diese beiden Energieformen in Deutschland ihre Stärken relativ gut nutzen können, sich sogar teilweise gut ausgleichen und keine Brennstoffkosten besitzen. Allerdings steigt dadurch die Volatilität im Netz. Da auch die ausgleichenden atomar-fossilen Energien (Kernkraft und Kohle) zügig stillgelegt werden müssen, muss die Residuallast durch steuerbare, wetterunabhängige, erneuerbare Energien abgedeckt werden. Nach aktuellem Stand soll die Kernkraft 2021 und die Kohlekraft 2038 in Deutschland stillgelegt werden.
Doch hier kommt das Energiewende- Paradoxon ins Spiel: Durch immer mehr PV- und Windstrom steigt die Volatilität im Netz. Die Lobby atomar fossiler Kraftwerke findet unterdessen Gehör bei der Politik mit ihrem Argument des Netzausgleiches sowie der Absicherung der sogenannten Dunkelflaute. Sie bremst damit den weiteren Ausbau durch Überkapazitäten. Schafft man es, die fossilen Kraftwerke durch flexible regenerative Anlagen zu ersetzen, wird dieses Paradoxon zerschlagen.
Mit fortschreitendem Zubau von PV und Windenergieanlagen werden zwei Zustände im Stromnetz dominieren und damit auch klare Maßnahmen nach sich ziehen:
- Es gibt zu viel Strom. Reihenfolge der Maßnahmen bei kurzem bis langem Stromüberschuss: Batterien, Pumpspeicherkraftwerke, Power to Heat (PtH), Demand Side Management, Power to Gas (PtG), Power to X (PtX). PtH hat dabei besonders geringe spezifische Kosten.
- Es gibt zu wenig Strom. Reihenfolge der Maßnahmen bei kurzem bis langem Strommangel: Batterien, Demand Side Management, Pumpspeicher, regeneratives Speicherkraftwerk (rSKW). Selbst kurzfristig werden alle Maßnahmen erforderlich sein, da die Dunkelflaute jährlich auftaucht.
Zusammen mit den zentralen Großkraftwerken verlassen auch die rotierenden Massen das System. Sie dominierten einst den Primärregelungsmarkt. Diese Eigenschaften werden voraussichtlich die Batterietechnologien übernehmen. Die Großkraftwerke sind aber auch schwarzstartfähig und dunkelflauteresistent. Diese Eigenschaften sind technisch-wirtschaftlich auch mit Blockheizkraftwerken (BHKW) realisierbar.
BHKW sind seit Jahrzehnten erprobt und weiterentwickelt, nutzen den Brennstoff sehr effizient aus, schaffen sogar extreme Lastwechsel, oder den konstanten Dauerbetrieb. Anfahrrampen können mit weniger als 2 min von 0 auf 100 % zuverlässig abgerufen werden, im Extremfall sogar mit 30 s. Allerdings werden die BHKW momentan größtenteils mit Erdgas oder Diesel befeuert. Nicht wenige BHKW werden allerdings seit Jahrzehnten auch mit regenerativen Gasen wie Biooder Klärgas betrieben. Die Biogasbranche beweist mit einer steigenden Anzahl hoch flexibilisierter Anlagen, dass ihre Technik die neuen Anforderungen und Herausforderungen am Strommarkt meistern kann [2]. Sie gleichen die Stromschwankungen von PV und Wind marktwirtschaftlich aus. Diese hochflexiblen Anlagen stellen die erste Generation sogenannter regenerativer Speicherkraftwerke dar. Die Biogasbranche hat das Potenzial, wenn es politisch tatsächlich gewollt ist, ein Viertel aller Kohlekraftwerke [3] binnen weniger Jahre zu ersetzen, und das sogar dezentral, ohne zusätzliche Anbaufläche, ohne zusätzlichen Mais.
Schleppender Ausbau der Strominfrastruktur
Bekanntermaßen stagniert der Netzausbau und sorgt dadurch auch für einen schleppenden Ausbau von Windkraftanlagen. Immer mehr neue Windparks in Norddeutschland planen mittlerweile entweder mit deutlich längeren Netzanschlusszeiten – da auch die Fachfirmen im Netzausbau ausgelastet sind -, oder mit kostenintensiven Netzausbau-Ersatzmaßnahmen, wie z.B. Batteriespeichern oder P2G/P2X.
Im Netzausbaugebiet (Bild 2) fördern die Übertragungsnetzbetreiber z.T. Elektrodenkessel bei bestehenden KWK-Wärmenetzen (IBN bis einschl. 2016). Hierdurch soll zum einen das Stromnetz massiv entlastet werden und zum anderen sollen Wärmenetzte ihre fossile Energie substituieren. Jedoch müssen diese bislang fossil betriebenen KWK-Wärmenetze weiterhin in eine erneuerbare, flexible Erzeugungsanlage investieren.
Im Vereinigten Königreich werden seit 2015 zahlreiche BHKW (bisher über 450 MW nur durch Fa. Jenbacher) modular an strategisch wichtigen Netzpunkten errichtet, meist abseits von Wohn- und Industriebebauung. Die sogen. „Store“-Kraftwerke (engl. Speicher) laufen nur ca. 500-1000 Bh/a, ca. 1-3 Bh pro Start (Firmenangabe Jenbacher). Sie regeln dabei erfolgreich die zahlreichen Windparks aus. Die Kohlekraftwerke wurden immer öfter abgeschaltet und sogar stillgelegt (Bild 3).
Der CO2-Preis hat die Trendwende ganz sicher entscheidend bestimmt, doch der regelungstechnische Erfolg durch die BHKW war zugleich der technische Praxisbeweis. Der fossile CO2-Ausstoß wurde dadurch konsequent um 44 % (Jahre 2012 bis 2018) reduziert [4]. Zwei Fehlstellungen bestehen hier dennoch: Diese BHKW werden mit Erdgas betrieben und deren Wärme wird nicht genutzt (ungefähr 50 % der eingesetzten Energie).
Steigerung der Defossilisierung im Wärmesektor
Etwa 50 % der Primärenergie entfällt auf den Wärmesektor, doch die erneuerbare erzeugte Wärme/Kälte ist mit < 14 % (2018, BMWi) noch sehr überschaubar.
Der Einsatz erneuerbarer Wärme in Deutschland wird zurzeit zu rund 80 % (BMEL) mit Holz gedeckt (meist Klein und Kleinstfeuerungen). Bei unsachgemäßer Anwendung (zum Beispiel durch den Einsatz von feuchtem Brennstoff) steigt nicht nur die Feinstaubbelastung, auch der Wirkungsgrad des Ofens sinkt. Die Auflagen zur Emissionsminderung erhöhen sich mit der 44. BImSchV und belasten dadurch den Ausbau im kleinen Leistungssegment.
Die Solarthermie ist zwar immer mehr vertreten – nicht nur im Neubau, sondern auch in kommunalen Nahwärmenetzen –, aber die technisch-wirtschaftlich vertretbare Erzeugungsmenge reicht alleine nicht zur Deckung der Nachfrage. Die Solarthermie benötigt stets eine zweite, steuerbare Energieerzeugung. Im Winter, wo die Hauptnachfrage an Wärme besteht, stehen nur geringe Solarenergiemengen zur Verfügung.
Aber auch die Kombination von PV und Wärmepumpe hat netzentkoppelt betrachtet das gleiche Winterproblem, zumal die Luft-Wasser-Wärmepumpen gerade im Winter einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad beziehungsweise COP aufweisen. Um 100 % regenerative Wärme per Wärmepumpe im Haushalt zu erzeugen, sollte die Wärmepumpe somit zukünftig auch durch das Stromnetz versorgt bleiben (inklusive einer passend dimensionierten Batterie). Dabei kann sie Windstromüberschüsse in Wärme umwandeln (PtH, Demand Side Management). Das Prinzip lässt sich sogar mit einfachen elektrischen Widerständen (zum Beispiel Tauchsieder) gestalten. Je nach Ausbauverhältnis von PV und Windkraft zu Wärmepumpen sowie der Wetterlage können die Wärmepumpen das Netz aber auch übermäßig belasten. Im Jahr 2012 zeigte Frankreich, welche Randphänomene eine rein stromseitig ausgerichtete Wärmeversorgung hat.
Der Betrieb von Gasbrennwertgeräten mit 100 % Biomethan ist wegen der relativ hohen Brennstoffpreise für die meisten Kunden nicht wirtschaftlich, selbst wenn das Brennwertgerät bereits abgeschrieben ist.
Ein sehr großes Wärmepotenzial bietet bekanntermaßen die Abwärme der Industrie und verarbeitender Gewerbe. Alleine für den Osnabrücker Raum stünden jährlich theoretisch 2,1 Mio. GJ Abwärme zur Verfügung, so das Regionale Wärmekataster Industrie (ReWIn). Allerdings ist die Abwärme zum Teil aufwendig auszukoppeln und volatil. Die meisten Industrieunternehmen möchten keine Wärmelieferverpflichtungen eingehen und dadurch ihr Kerngeschäft eventuell einschränken.
In Dänemark wird bereits seit Jahrzehnten der Ausbau von Wärmenetzen forciert. Es ist durch die Zentralität und die Skaleneffekte deutlich gezielter, kostengünstiger und schneller in Wärmenetzen die Wärmeerzeuger zu ersetzen als in sämtlichen Wohneinheiten. Heizzentralen müssen auch nicht zwingend direkt im Zentrum einer Stadt stehen, können daher zum Beispiel große Holzkessel, Solarthermie und BHKW beherbergen. Zentrale Ortsgebiete können alleine mittels BHKW-Anlagen sehr effektiv erschlossen werden. Sogar bestehende Wärmenetze von atomar fossilen Kraftwerken können binnen zwei bis fünf Jahren mittels BHKW bedarfsgerecht versorgt werden – mit regenerativer Wärme.
Energieunabhängigkeit und Stärkung der Volkswirtschaft
Durch die atomar-fossile Energieversorgung (auch Gas- und Ölwirtschaft) fließen jährlich Milliardensummen ins Ausland. Teilweise wandern diese Gelder mittel- und unmittelbar in Krisengebiete sowie an Unterstützerländer von Konflikten wie Saudi-Arabien, Iran, USA oder Russland. Ungeachtet der Klimadiskussionen sollte dies eigentlich Grund genug sein, die Quote der Energieunabhängigkeit ambitioniert zu steigern. Mit der Energieunabhängigkeit ist nicht etwa eine Autarkie gemeint, sondern vielmehr die Freiheit, nur noch Energiehandelsbeziehungen mit denjenigen Staaten unterhalten zu können, die nach ethischen Moralvorstellungen streben.
Mit der Energieunabhängigkeit wird zugleich mehreren Problemen der aktuellen internationalen Politik begegnet:
- Fluchtursachen durch kriegerische Handlungen bekämpfen,
- Handlungsdruckerhöhung zur Energiewende auf die exportierenden Länder von atomar-fossilen Ressourcen und dadurch die Reduktion von Fluchtursachen durch den Klimawandel,
- politische Unabhängigkeit von atomar fossil exportierenden Ländern
Lokale, regionale, nationale und natürlich europäische Wertschöpfungskreisläufe werden gestärkt, wenn die Abhängigkeit von atomar-fossilen Energien gelöst wird. „Fossile“ Finanzmittel werden frei (Desinvestition), um in lokale Strukturen und regenerative Energieerzeugung zu investieren. Allein die Church of England investiert bereits 600 Mio. £ in nachhaltige Anlagen, dies entspricht der Hälfte aus ihren Fonds. Ebenfalls erfreulich: die Verschiebungen von BlackRock und der europäischen Investmentbank.
Die Betreiber deutscher regenerativer Anlagen und Wärmenetze sind in der Regel regional, national oder seltener europäisch ansässig. Sie engagieren lokale und regionale Service-Unternehmen, beziehen Komponenten (BHKW, Pumpen, Trafos usw.) meist aus nationalen und europäischen Fabriken. Auch die Öffentlichkeit profitiert schlussendlich von den vermehrten Steuereinnahmen, stabileren Energiepreisen und moderner Infrastruktur.
Da die rSKW aus dem klassischen Maschinen- und Anlagenbau entstammen, profitiert auch die deutsche Industrie ganz deutlich: die meisten und wirtschaftlichsten BHKW – das Herzstück des rSKW – werden in Deutschland gefertigt. Trafo und Schaltanlagenbauer, Gebäude- und Tankbauer, Kaufleute, Planer, Elektriker und Heizungsbauer. Zahlreiche und unterschiedliche Branchen profitieren zugleich und können die freiwerden Personalressourcen aus den atomar fossilen Branchen aufnehmen.
Die weitere Biomethanbereitstellung kann aus den noch nicht erschlossenen nationalen Quellen stammen. Diese sind nach Einschätzung des FNR (Bild 4) bis 2050 auf das Dreifache gegenüber dem heutigen Stand ausbaubar (Energie aus der Landwirtschaft) – im Einklang mit Naturschutz und der Nahrungsmittelproduktion. Hinzu kämen noch Potenziale aus der Modernisierung von Biogas- und Klärgasanlagen sowie die Steigerung der Energienutzung aus Holz um etwa 50 %. Das sichert Arbeitsplätze in der Landwirtschaft und erhöht die ländliche Wertschöpfung Die Bioenergie deckte 2015 rund 8 % an deutschem Primärenergieverbrauch ab [5].
Das regenerative Speicherkraftwerk
Ein regeneratives Speicherkraftwerk (rSKW) besteht mindestens aus den folgenden Komponenten:
KWK-Anlage
Es handelt sich um ein BHKW, das gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt. Mit der fortschreitenden Reife neuer Technologien können zukünftig zum Beispiel auch Brennstoffzellen die Motoren ersetzen – je nach Bedarf, ganz flexibel
Als Treibgas wird Biomethan, Biogas, Klärgas, erneuerbares Synthesegas oder eine Mischung dieser Gase eingesetzt. Für Biomethan ist lediglich ein Erdgasanschluss erforderlich (Bild 5). Über die Gasleitung wird bilanzielles Biomethan bezogen, das an anderer Stelle eingespeist wird. Für die solide Wirtschaftlichkeit kann alleine Biomethan eingesetzt werden, die Zugabe alternativer Treibgase wirkt darüber hinaus positiv auf die Bilanzen. Werden mehrere BHKW modular aufgestellt, so können gar theoretisch verschiedene Lastverläufe flexibel mit relativ hohem Wirkungsgrad abgefahren werden, was bei Gaskraftwerken durch den Teillastbetrieb nicht möglich ist (Bild 6). Durch die Modularität entsteht zugleich eine Redundanz.
Jede Gemeinde und jedes Dorf könnte sich mit dieser Technologie sowohl ein zentrales Notstrom-Aggregat als auch eine gesicherte Wärmeversorgung verschaffen.
Netzanschluss
Im 10-kV-Netzgebiet können die BHKW direkt, also ohne einen Trafo, in das Netz einspeisen. Das funktioniert technisch und wirtschaftlich besonders gut in den Leistungsklassen > 4 MW. Für die Netzebenen 20 und 30 kV gibt es leider keine entsprechenden Generatoren, daher werden hier Transformatoren eingesetzt.
Ein schöner Nebeneffekt: Im urbanen Raum können an dem Netzanschluss sogar mehrere Ultra-Schnellladestationen für die E-Mobilität (zum Beispiel E-Busse) realisiert werden. Die Elektrifizierung des Individualverkehrs bereitet zahlreichen Energieversorgern Kopfschmerzen, es muss hierfür oft in neue Transformator- beziehungsweise Regel- und Schutztechnik investiert werden. Auch das Mittel- und Niederspannungsnetz muss oft verstärkt werden. Das das regenerative Speicherkraftwerk bietet die Chance, durch die Wahl geeigneter Netzverknüpfungspunkte diese erforderliche Investition zu teilen und beiden Seiten einen Vorteil zu verschaffen. Darüber hinaus können auch PtH-Anlagen direkt über den Netzanschluss eingebunden werden.
Wärmespeicher
Da die BHKW tageszeitlich stromgeführt betrieben werden, muss die gesamte Tageswärmemenge in einem einfachen, verlustarmen und günstigen Speicher untergebracht und bei Bedarf wieder abgegeben werden. Es handelt sich um einen mit Wasser gefüllten, isolierten Behälter, der nur zwei Leitungsanschlüsse besitzt. Hierüber kann eine Temperaturschichtung im Speicher sichergestellt werden, ohne aufwendige Regelungskonzepte – anders als bei mehreren Anschlusspaaren. Der Speicher arbeitet passiv, das heißt, er nimmt nur die Überschussenergie auf, ohne eigene Ladepumpen oder Regelventile – das gilt auch für die Entladung.
In modernen Wärmenetzen reichen Vorlauftemperaturen von < 95 °C völlig aus, somit braucht der Speicher nicht als Druckbehälter ausgelegt zu werden. Das ist nicht nur günstiger, sondern auch potenziell sicherer. Auch bei bestehenden Wärmenetzen lassen sich mit entsprechendem Aufwand die Betriebstemperaturen minimieren, dies zahlt sich oft alleine durch die geringeren Netzverluste aus.
Richtig dimensioniert, kann dieser Speicher auch Solarthermie und Holzheizwerke einbinden (vergleiche Ludwigsburg), aber auch volatile Industrieabwärme. Ebenfalls können die Stromüberschüsse bei Bedarf mittels PtH untergebracht werden. Für die solide Wirtschaftlichkeit des regenerativen Speicherkraftwerks (rSKW) sind auch diese alternativen Wärmeerzeuger nicht zwingend erforderlich, sie verringern jedoch die Wärmegestehungskosten und sorgen somit durch geringere Wärmepreise für noch höhere Anschlussquoten und ermöglichen damit wiederum mehr lokale Wertschöpfung und Akzeptanz. Gäbe es jedoch Probleme mit der lokalen Gasversorgung, so kann die Wärmeversorgung damit zusätzlich abgesichert werden.
Fazit
„Der beste Weg, die Zukunft vorherzusagen, ist sie zu gestalten“ – Abraham Lincolns Worte verdeutlichen auch im 21. Jahrhundert, dass selbst die besten Simulationen und Konzepte nur theoretische Gebilde sind. Daher sollten nun in der Praxis die richtigen Technologien vermehrt eingesetzt werden, die flexibel auf die verschiedensten Anforderungen reagieren können – Technologien, die in sich wirtschaftlich funktionieren und mit allen weiteren Technologien mühelos kombinierbar sind, standort- und witterungsunabhängig, volkswirtschaftlich und sicher. Es gilt, alle erneuerbaren Energien mittels dem rSKW auszuschöpfen und zu aktivieren, nicht zu konkurrieren.
Der praktische Nachweis ist in der Biogasbranche erbracht, nun gilt es, den Flex-Deckel der Biogasbranche sofort zu streichen, das regenerative Speicherkraftwerk in der klassischen Energieversorgung zügig zu etablieren, die Ausschreibungsmengen für Bioenergie deutlich anzuheben, den Widerstand gegen PV und Wind beizulegen sowie PtH auch bei neuen, regenerativen KWK-Anlagen zu fördern.
Autor: Jaroslav Litau
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L i t e r a t u r
[1] Hein, F.; Peter, F.; Graichen, P.: Die Energiewende im Stromsektor: Stand der Dinge 2019. Agora Energiewende, 01/2020.
[2] https://www.energie-und-management.de/ nachrichten/kwk/detail/regenerativerenergiespeicher-134221.
[3] Effekte des Ausgleichs von Stromdefizitendurch Biogasanlagen. Kurzstudie des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme IWES, 2014.
[4] Jörg Lange, CO2 Abgabe e. V.
[5] FNR-Pressemitteilung vom 27.04.2016: Einheimische Bioenergie kann 2050 bis zu 26 Prozent unseres Primärenergie – bedarfs decken.
[6] Lucke, N.; Spitta, C.; Vrangos, V. (Hrsg.): Transfer4.0@KWK.NRW – Im Rahmen des Virtuellen Instituts | KWK.NRW. Abschlussbericht zum Verbundprojekt. Gas- und Wärme- Institut Essen e.V., Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik der Universität Duisburg-Essen, ZBT – Zentrum für