Create the future Gesamtheitliches Konzept zur dezentralisierten Energieversorgung auf der Basis regenerativer Quellen – Teil 1

Der unübersehbare, vom Menschen mitverursachte Klimawandel erfordert energische Gegenmaßnahmen. Zur Verbesserung der ökologischen Bilanz muss auch die Energiewirtschaft als einer der wesentlichen Emittenten des schädlichen Treibhausgases CO₂ ihren Beitrag leisten. Dies erfordert vor allem, den Anteil der aus fossilen Energieträgern erzeugten elektrischen Leistung drastisch zu reduzieren. Neben Maßnahmen zur Energieeinsparung soll der bestehende Bedarf vor allem durch den vermehrten Einsatz natürlicher Energieträger befriedigt werden. Dabei steht die Ausnutzung von Wind- und Sonnenenergie an vorderster Stelle.

Problemstellung
Das Dilemma besteht allerdings darin, dass das Energieaufkommen aus regenerativen Quellen starken wetterbedingten und tagezeitlichen Schwankungen unterliegt. Dadurch können sich u.U. beträchtliche Unterschiede zwischen dem aktuellen Energieangebot und dem benötigten –bedarf ergeben. Zum Ausgleich solcher Differenzen müssen derzeit noch beträchtliche Reservekapazitäten vorgehalten werden, welche zu wesentlichen Teilen auf der Verwendung fossiler und atomarer Energieträger beruhen.
Beide Energieträger sind jedoch aus bekannten Gründen fragwürdig. Reicht die installierte Reserveleistung dennoch nicht aus, so muss Fremdenergie zu meist ungünstigen Konditionen zugekauft werden. Kommt es im Gegenzug wiederum zu einem Überschuss an mit Ökostrom erzeugter Leistung, so verbleibt nur die Abschaltung von Generatoren, was ebenfalls zu wirtschaftlichen Verlusten führt. Im Gefolge des Ausbaus der regenerativen Energieerzeugung kann es auch zu Überlastungen des Versorgungsnetzes kommen.
Angesichts dieser Sachlage besteht ein dringender Bedarf an neuen in die Zukunft gerichteten Energiekonzepten, die dem zunehmenden Ausbau der Energieerzeugung aus regenerativen Quellen in besonderer Weise Rechnung tragen.

Zielstellung
Das neue Energiekonzept ist auf den zu erwartenden Ausbau sowie die maximale Ausnutzung natürlicher Energiequellen im Versorgungsgebiet gerichtet. Parallel dazu soll der Anteil der wegen der schwankenden Energiebereitstellung derzeit notwendigen konventionellen Kraftwerke eingeschränkt sowie der bedarfsweise Energieaustausch mit Fremdnetzen reduziert werden. Damit sollen ein wirkungsvoller Beitrag zur Verringerung der von der Energiewirtschaft emittierten Treibhausgase geleistet sowie auch die Wirtschaftlichkeit der Energieversorgung verbessert werden.

Lösungsidee
Die Anregung für das Lösungskonzept der Autoren liefert einmal mehr die Natur. Hier können wir von den Lebewesen, insbesondere ihrer grundlegenden Fähigkeit lernen, für sich selbst zu sorgen. Solch autonomes Verhalten verbessert nicht nur ihre Lebenschancen, sondern ist zudem auch besonders effektiv.
Dieses Prinzip der Autonomie von Einzelwesen lässt sich in gewisser Weise auf die Gestaltung künftiger Energiesysteme auf der Basis natürlicher Energiequellen übertragen. Es ist offenbar vorteilhaft, im Versorgungsgebiet Einheiten zu bilden, welche in der Lage sind, ihren Energiebedarf aus eigenem Aufkommen zu decken. Dies führt dann folgerichtig zu einer Dezentralisierung des Energiesystems durch Bildung energieneutraler Versorgungseinheiten, die hier Cluster bzw. Subcluster genannt werden.
Diese Einheiten sind im Versorgungsgebiet räumlich verteilt. An solchen Standorten soll der Strom nicht nur erzeugt, sondern möglichst auch verbraucht bzw. vorübergehend  zwischengespeichert werden. Günstige Standorte für das Entstehen solcher Einheiten ergeben sich aus vorteilhaften Bedingungen vor allem bezüglich der Gewinnung Erneuerbarer
Energie. Für die Lieferung von Energie aus regenerativen Quellen kommen vorzugsweise Windkraftwerke, PV-Anlagen sowie auch biotechnologische Anlagen in Betracht.

Das Lösungskonzept
Bei der Umsetzung der Lösungsidee in ein tragfähiges Konzept sind noch spezifische Faktoren zu berücksichtigen. Hier sind insbesondere die auftretenden Disproportionen zwischen dem Aufkommen an Erneuerbarer Energie und dem lokalen Verbrauch zu beachten. Um dem entgegenzuwirken, sind in den Versorgungseinheiten ausgleichende Maßnahmen zu treffen, worauf jedoch an späterer Stelle eingegangen wird.
Trotz der angestrebten Energieautarkie kann es vorkommen, dass diese vorübergehend nicht eingehalten werden kann. Um die Energieversorgung der Versorgungseinheiten auch in solchen Extremfällen zu gewährleisten, ist zusätzlich eine Anbindung an ein übergeordnetes Stromnetz notwendig. Da es sich hier jedoch meist um eher geringe Leistungen handelt, kann das vorhandene Netz möglicherweise verschlankt werden.
Die dem Vorschlag der Autoren zugrunde gelegte Philosophie der Energieversorgung lautet somit: Lösung der Aufgabe (Deckung des aktuellen Energiebedarfs) möglichst dort, wo sie ansteht, im Notfall aber Rückgriff auf externe Unterstützung (zusätzliche Energiebereitstellung oder -abnahme).
Auf der Grundlage der vorgestellten Lösungsideen lässt sich die Struktur eines Energieversorgungssystems entwickeln, das hierarchisch gegliedert ist. Der Vorschlag besteht darin, ein System mit drei Ebenen vorzusehen, wie im Bild dargestellt.


Struktur eines verteilten 3-Ebenen-Systems.

Die Ebenen haben folgende Bedeutung:

• Ebene E1: Die Ebene E1 wird als Globalebene GS bezeichnet und bietet einen Zusammenschluss aller räumlich wie funktional dezentralen Versorgungseinheiten über ein gemeinsames Energienetz. Über das Netz besteht – wie auch bisher – eine weitere energetische Verbindung zur Außenwelt, die das betrachtete Energiesystem in ein internationales Verbundsystem einbindet.
• Ebene E2: Angesichts der gewählten hochgradig dezentralisierten Struktur des künftigen Energieversorgungssystems sollen im Versorgungsgebiet weitgehend energieneutrale Einheiten eingerichtet werden, die der Ebene E2 zugerechnet werden. Diese werden hier (Energie-)Cluster Ci genannt. Die Cluster sind im Versorgungsgebiet sowohl weiträumig lokal als auch funktionell verteilt. Dabei handelt es sich um größere Einheiten, wie etwa Städte oder Ballungsgebiete.
• Ebene E3: Es erweist sich als zweckmäßig noch eine dritte Ebene E3 einzuführen, in der sogenannte Subcluster Sij angesiedelt sind. Damit sollen vorwiegend Einzelmaßnahmen zur Nutzung Erneuerbarer Energien erfasst werden, welche bei der Umstellung auf Erneuerbare Energie eine wichtige Rolle spielen.

Nach Darlegung der Struktur soll nun detaillierter auf die einzelnen Komponenten des Systems eingegangen werden, beginnend mit der untersten Ebene.

Erläuterung der Subcluster
Bei den auf unterster Ebene angesiedelten Subclustern handelt es sich um energieneutrale Insellösungen kleiner und kleinster Größe. Dazu zählen Öko-Häuser (sogenannte Green Buildings), energieneutrale öffentliche Gebäude, ökologisch sanierte Wohnanlagen, Siedlungen, Biodörfer u.a.m. Hier spielt vor allem die Energiegewinnung aus Sonnenstrahlung, vorzugsweise mittels großflächig ausgestatteter PV-Anlagen, eine herausragende Rolle. Diese Energiewandler werden teilweise zur Unterstützung des Strommixes durch besonders auf Hochhäusern installierte Windgeneratoren, Kleinkläranlagen mit Biogasreaktoren sowie auch Wärmepumpen ergänzt.
Zu den notwendigen Baumaßnahmen bzw. Investitionen in den Immobilien gehören weiterhin die Einrichtung eigener Kapazitäten zur Energiespeicherung, Durchführung von Energiesparmaßnahmen (Gebäudeisolierung, adaptive Thermoverglasung, verbrauchsarme Elektrogeräte, benutzerabhängige Beleuchtung etc.), eine Verbrauchsverlagerung in Zeiten des Energieüberschusses sowie die Realisierung einer energieeffizienten Gebäudesteuerung. Der Nutzen besteht in einer weitgehenden Eigenversorgung, im Leisten eines eigenen Beitrags zum Klimaschutz, der Gewährleistung einer hohen Versorgungssicherheit und nicht zuletzt auch in einem Imagegewinn. Damit wird die voran gestellte Idee der autonomen Energieversorgung sozusagen „nach unten“ transformiert.

Erläuterung der Cluster
Im Nominalfall wird angestrebt, die Cluster im Rahmen größerer kommunaler Einheiten zu bilden. Die Standortwahl wird vor allem die bestehenden lokalen Bedingungen, besonders hinsichtlich der Gewinnung Regenerativer Energien, bestimmt. Hier spielt vor allem die Erzeugung von Energie aus Wind- und/oder Solaranlagen eine herausragende Rolle. Diese primär genutzten regenerativen Energiequellen liefern schwankende Stromeinträge, die häufig nicht in Relation zum aktuellen Bedarf stehen. Zur Erreichung einer weitgehenden Unabhängigkeit von den Energieeinträgen aus diesen natürlichen Quellen können verschiedene Maßnahmen getroffen werden.
Die eine Möglichkeit ist der Strommix, d.h. die sinnvolle Kombination der Energieeinspeisung aus regenerativen Quellen unterschiedlicher Art. Darüber hinaus müssen in den Clustern interne Ausgleichsmaßnahmen getroffen werden. Dazu bedarf es der Einrichtung lokaler Speicher hinreichender Kapazität. Diese dienen der Zwischenspeicherung überschüssiger Energie, auf die dann in Zeiten des Mangels zurückgegriffen werden kann. Bei den Speichern sind zunächst die begrenzten Möglichkeiten der Speicherung elektrischer Energie auszureizen. Hier ist es durchaus sinnvoll, selbst kleinste Einheiten in das Speicherkonzept einzubeziehen. Gedacht ist vor allem an die Speicherung in Batterien von E-Mobilen, deren Anteil sich in Zukunft erheblich ausweiten wird. Solche Energiespeicher haben weitgehend verteilten Charakter.
Wesentlich ergiebiger ist jedoch der Rückgriff auf andere Speichermedien, insbesondere solche gasförmiger Art. Energiereiches Gas kann vor allem von Biogasanlagen erzeugt werden. Deratiges Gas kann in städtischen Kommunen vor allem von den örtlichen Klärwerken durch Vergasung von Klärschlamm und Bioabfällen produziert werden. Wesentlich größere Möglichkeiten bieten ländliche Gebiete, da hier verstärkt auf Abfälle aus der Tierhaltung und Holzverarbeitung zurückgegriffen werden kann.
Der Energieträger Gas lässt sich – etwa in Kavernen oder Röhrenspeichern – gut vorhalten und außerdem zu Heizzwecken nutzen. Gas kann jedoch nicht nur gespeichert, sondern auch verstromt werden. Somit kann in Zeiten des Mangels auch zusätzlicher Strom gewonnen werden. Die Einbindung von Biogasanlagen in das Energiekonzept kann also nicht nur einen wesentlichen Beitrag zur Energiespeicherung leisten, sondern führt in Verbindung der Vernetzung mit Windkraft- und/oder PV-Anlagen somit zu besonderen Synergieeffekten.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung gasförmiger Energieträger bietet der Einsatz von Reformern. Damit kann in Zeiten des Energieüberschusses durch elektrolytische Spaltung von Wasser sogenannter „grüner“ Wasserstoff erzeugt werden. Dieses Gas kann nicht nur vorteilhaft gespeichert, sondern zeitversetzt auch in Brennstoffzellen verstromt werden Mit diesem lokal erzeugten Treibstoff ließen sich dann auch die Wasserstoff-Tankstellen für die zukünftig zu erwartende Flotte von Brennstoffzellen-Fahrzeugen sozusagen vor Ort versorgen.
Die Erzeuger-Verbraucher-Bilanz lässt sich auch durch Einflussnahme auf das Verbraucherverhalten verbessern. Dazu eignet sich bspw. die Einführung eines gestaffelten Tarifsystems, das die Verbrauchsverlagerung in Zeiten eines Überangebots von Energie finanziell begünstigt. Dies betrifft bspw. die Wiederbelebung der elektrischen Nachtspeicherheizung, Verlagerung des Ladens der Batterien von E-Mobilen, Betriebs von Waschmaschinen und anderer nicht unmittelbar zeitgebundener Verbraucher in die Nachtstunden. Solche Maßnahmen ließen sich ganz ohne äußere Steuereingriffe umsetzen.
Nicht immer wird es gelingen, Cluster in Form einer kompakten Einheit zu bilden. Dies gilt besonders dann, wenn die Energieerzeugung in einem von den Verbrauchern räumlich abgesetzten Gebiet stattfindet. Die unterschiedlichen Orte der Erzeugung und Verwendung könnten dann über eine elektrische Direktverbindung (sogennante Stromautobahn) zusammengeschlossen werden, die den Energietransfer besorgt. So könnte beispielsweise die Energiequelle des off-shore-Windparks vor Borkum mit dem Großraum Hamburg oder Bremen zu einem Cluster zusammengeschlossen werden. Gleiches erscheint ebenfalls bei einer Vereinigung des Windparks vor der Ostküste Rügens mit dem Gebiet Rostock-Stralsund möglich.
Eine ähnliche Kombination wäre ebenfalls für die Einbindung von Solarfarmen interessant, die häufig auf abgelegenen Gebieten angelegt sind. Dazu böte sich beispielsweise die Möglichkeit, das derzeit in Brandenburg errichtete riesige Solarstrom-Kraftwerk mit der Region Cottbus oder Potsdam direkt zu koppeln. 

Erläuterung der Netzebene
Es ist sinnvoll, die Cluster über ein zentrales Versorgungsnetz energetisch miteinander zu koppeln, um temporäre Bilanzunterschiede, die in den Clustern selbst nicht abgefangen werden können, auszugleichen. Durch eine vorteilhafte Mischung von Clustern, die unterschiedliche natürliche Energieträger nutzen, lassen sich auch Defizite im regionalen Energieeintrag besser kompensieren. Zur Verwertung von Energieüberschüssen bzw. zum Ausgleich von Mängeln sind in verstärktem Maße auch zentrale Energiespeicher großer Kapazität in Form von Speicherkraftanlagen (Energieträger: Wasser, Druckluft oder Wärme) in das Versorgungsnetz einzubinden.
Gegenwärtig wird es vorübergehend auch noch notwendig sein, konventionelle Spitzenkraftwerke in das Netz zu integrieren, wofür vor allem Gaskraftwerke als geeignet erscheinen. Als langfristiges Ziel wird jedoch angestrebt, den Leistungsanteil dieser Spitzekraftwerke auf Null zu reduzieren. Auch wird man auf die Anbindung an externe Energienetze nicht vollständig verzichten können, einerseits, um überschüssige Energie günstig vermarkten zu können, andererseits, um für Extremfälle gerüstet zu sein. Die Verwirklichung des vorgeschlagenen Energiekonzepts wird allerdings einen tiefgreifenden Umbau der Energie-Infrastruktur nötig machen und ein sog. Intelligentes Stromnetz (smart grid) erfordern.

Lösungskonzept für das Steuerungssystem
Für den Betrieb des vorgeschlagenen Energiesystems wird eine Steuerung benötigt, die wegen ihrer komplexen Funktion als intelligent bezeichnet werden kann. Die Wahl der Struktur dieser Steuerung folgt dem zuvor erläuterten energetischen Konzept und ist dementsprechend ebenfalls räumlich und funktionell verteilt und hierarchisch organisiert. Daraus folgt einerseits, dass jedem Teilsystem (Cluster wie Subcluster) vorschlagsgemäß eine eigene lokale Steuerung zugeordnet wird. Auf der oberen Funktionsebene ist zusätzlich eine übergreifende Steuerung notwendig, die zentralisiert ist und mit sämtlichen unterlagerten Steuerungen kommuniziert. Eine Erläuterung der verschiedenen Steuerungsfunktionen kann hier aus Gründen der Komplexität nicht gegeben werden. (Wird fortgesetzt)

Autoren:
Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Weller: 1960-1970 Forschungstätigkeit in der Industie; Lehraufträge am Higher Institute for Electronics in Menouf (Ägypten) und an der Univ. Rostock; 1970-1998 Inhaber des Lehrstuhls für Technische Kybernetik und Direktor des Instituts für Automatisierungstechnik an der Humboldt-Univ. zu  Berlin; 1992-2008 Ingenierubüro für Intelligente Informationstechnologien
Marco Will: Student an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Studiengang Umwelttechnik/Regenerative Energien; Mitwirkung im Living EQIA-Team mit Wettbewerbsbeteiligung in der Teildisziplin Solare Systeme; zusammen mit Prof. Weller Teilnahme am Zukunftswettbewerb der GASAG Berlin

Bilder: IKZ-ENERGY Archiv/ Autoren