Problemaufriss und Lösungsansätze
Die Energiewende verändert die Struktur des Stromversorgungssystems: Im bisherigen System produzieren relativ wenige, zentral gelegene Kraftwerke permanent Strom. Im zukünftigen, regenerativen Stromsystem werden wir viele kleine, fluktuierend einspeisende Kraftwerke haben, die über ganz Deutschland verteilt sind. Unter diesen veränderten Rahmenbedingungen muss das Stromsystem angepasst werden, um weiterhin eine sichere und bedarfsgerechte Stromversorgung zu ermöglichen.
Eine der zentralen Aufgaben des Stromversorgungssystems besteht darin, Stromangebot und -nachfrage zur Deckung zu bringen. Nur bei einem ausgeglichenen Verhältnis kann das Stromsystem richtig funktionieren. In einem regenerativen Energiesystem gibt es hierfür im Grund genommen zwei Ansätze:
Die erste Variante besteht darin, das Stromnetz auszubauen. So können Schwankungen von Stromangebot und –nachfrage räumlich ausgeglichen werden: Wird in einer Region zu viel Strom produziert, so kann dieser (bei ausreichender Netzkapazität) in andere Gebiete transportiert werden, in denen gerade eine Unterproduktion herrscht. Dieser Lösungsansatz setzt jedoch einen umfangreichen Netzausbau voraus, der beträchtliche Kosten verursacht und einen hohen Landschaftsverbrauch mit sich bringt.
Die zweite Option besteht darin, den Stromausgleich hauptsächlich innerhalb von Regionen (sogenannten Clustern) zu organisieren. Lediglich derjenige Anteil des Stroms, der nicht durch Maßnahmen innerhalb eines Clusters ausgeglichen werden kann, wird dann mittels überregionalen Stromnetzen (also zwischen Clustern) ausgeglichen. Bei dieser Variante geht es hauptsächlich um die intelligente Steuerung des Stromflusses vor Ort. Hierbei werden Stromproduktion und Stromnachfrage geschickt verknüpft und gesteuert, während zusätzlich Stromspeicher eingesetzt werden, um Unterschiede zwischen Stromangebot und -nachfrage über die Zeit hinweg auszugleichen. Dieser Ansatz bringt viele Vorteile mit sich: Ein aufwändiger und teurer Netzausbau kann vermieden werden. Durch die Investitionen in die regionale Infrastruktur erhöht sich die lokale Wertschöpfung. Die Akzeptanz vor Ort steigt, da notwendige Baumaßnahmen und Veränderungen nicht dem anonymen, überregionalen Stromtransport dienen, sondern der lokalen Stromversorgung. Zudem können die langen Wartezeiten für Planung und Genehmigung überregionaler Netztrassen vermieden werden, was wiederum eine schnelle Energiewende ermöglicht. Weiterhin wird die lokale Vermarktung regenerativen Stroms durch ein regional organisiertes Stromssystem erleichtert, was wiederum die Erneuerbare-Energien-Gesetz-Umlage reduziert. Vor dem Hintergrund der genannten Argumente tritt die 100 prozent erneuerbar stiftung für ein regional organisiertes Stromsystems ein.
Funktionsweise eines regional organisierten Stromsystems:
Für den Ausgleich von Stromproduktion und -nachfrage innerhalb einer Region stehen die folgenden technischen Möglichkeiten zur Verfügung:
Um das Problem der schwankenden Energieproduktion regenerativer Energieerzeugungsanlagen zu lösen, können Kombikraftwerke eingesetzt werden. In einem Kombikraftwerk werden verschiedene regenerative Energiequellen so zusammengeschaltet, dass sich ihre Schwankungen gegenseitig ausgleichen. Zusätzlich werden regelbare regenerative Energieanlagen (z.B. Biogaskraftwerke) und Stromspeicher eingesetzt. Auf diese Weise wird eine konstante Stromversorgung ermöglicht. Das Fraunhofer Institut hat 2007 ein solches Kombikraftwerk ein Jahr lang mit realen Energieerzeugungsanlagen simuliert. So konnte gezeigt werden, dass eine sichere Vollversorgung auf Basis einer vollständig regenerativ-dezentralen Energieproduktion perspektivisch möglich ist.
Statt wie beim Kombikraftwerk die Stromproduktion zu steuern, kann auch alternativ der Stromverbrauch reguliert werden. Eine solche Steuerung des Stromverbrauchs nennt man Demand-Side-Management. Hier werden auf Verbraucherseite zeitlich flexible Stromanwendungen (z.B. Kühlgeräte, Wärmepumpen, Wasch- und Spülmaschinen, Schwimmbadheizungen oder das Aufladen von Elektroautos) per Computer gesteuert. Die Geräte werden immer zugeschaltet, wenn die regenerative Stromproduktion hoch ist bzw. (falls möglich) abgestellt, wenn zu wenig regenerativer Strom verfügbar ist. Hierdurch lässt sich die schwankende Stromeinspeisung aus regenerativen Quellen bis zu einem gewissen Grad ausgleichen.
Statt Stromangebot und -nachfrage unmittelbar zeitnah zu synchronisieren, können ihre Schwankungen auch „über die Zeit“ ausgeglichen werden. Hierzu dienen Stromspeicher. Strom kann auf unterschiedliche Arten gespeichert werden, beispielsweise physikalisch (z.B. Lageenergie) oder chemisch. Zu den physikalischen Speichern zählen Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicher. Chemische Speichertechniken verwenden Strom um chemische Prozesse in Gang zu setzen, bei denen energiereiche Verbindungen wie Wasserstoff oder Methan entstehen. Auch die allseits bekannten Batterien zählen zu den chemischen Speichern.
Kombikraftwerke, Demand-Side-Management und Speicher werden im regionalen Stromsystem miteinander kombiniert um so ihre unterschiedlichen Funktionen zu einem optimalen System zusammenzufügen. Das Zusammenspiel von Stromerzeugung, Stromverbrauch und Stromspeicherung wird dabei über Computer gesteuert und abgestimmt. Die Steuerung kann zentral erfolgen (wie beim Kombikraftwerk) oder dezentral. Bei der dezentralen Variante werden allen Stromkonsumenten und -produzenten Informationen über die aktuelle Versorgungslage im Stromnetz zur Verfügung gestellt. Hierauf aufbauend regeln die Teilnehmer dann ihre Produktion bzw. ihren Verbrauch. Anreiz für ein systemadäquates Verhalten ist dabei der Strompreis.
In diesem neuen System wird die bisherige Einbahnstraßen-Logik der derzeitigen Stromversorgung (Energie fließt stets vom Kraftwerk zum Verbraucher) aufgelöst. Sie wird ersetzt durch ein bidirektionales System, in dem Stromverbraucher zu „Prosumenten“ (Produzenten & Konsumenten) werden. So können beispielsweise Elektroautos je nach Situation als Konsumenten (Batterie aufladen) oder Produzenten (Energie ins Netz abgeben) fungieren.
Indem das Stromsystem Informationen über bisherige Verbrauchsmuster mit Prognosen über die künftige Stromproduktion und den Stromverbrauch kombiniert, kann es bevorstehende Überschusssituationen und Engpässe vorhersehen, Preise entsprechend anpassen und Ersatzkapazitäten wie Speicher und Blockheizkraftwerke bereithalten.
Die vorgestellten Konzepte werden aktuell in verschiedenen Modellprojekten in die Realität umgesetzt. Zu nennen sind hier u.a. die sechs Modellregionen der E-Energy Initiative des Umwelt- und Wirtschaftsministeriums, das KonWerl Zentrum in Werl sowie das RegenerativKraftwerk in Bremen. In diesen Modellprojekten werden Industrie- und Wohngebiete komplett über regenerativ-dezentrale Stromsysteme beliefert. Im Fall der Modellregion Harz wird sogar versucht, einen ganzen Landkreis mit 240.000 Einwohnern auf solche Weise mit Strom zu versorgen.
Bisher wurde ausschließlich diskutiert, wie Stromangebot und -nachfrage in Einklang gebracht werden können; wie also die Strommenge richtig gesteuert wird. Für eine sichere Stromversorgung ist neben der Menge des Stroms jedoch auch noch dessen „Qualität“ (Frequenz, Spannung, Blindleistung) von Bedeutung. Bis vor Kurzem haben ausschließlich konventionelle Kraftwerke für diese Stromqualität gesorgt. Seit April 2011 müssen nun auch neu gebaute Windenergieanlagen per Gesetz ihren Beitrag zur Systemstabilität leisten. In Zukunft werden zunehmend auch Sonne-, Wasser- und Biomasseanlagen hieran beteiligt werden. Diese zukünftige Situation wird bereits heute im kleinen Maßstab erprobt. Im Rahmen des Forschungsprojektes Kombikraftwerk 2 (dem Nachfolgeprojekt des oben erwähnten Kombikraftwerks) wollen Wissenschaftler nachweisen, dass mit ausschließlich regenerativen Kraftwerken eine bedarfsgerechte Stromversorgung unter Aufrechterhaltung der Rahmenbedingungen von Frequenz, Spannung und Blindleistung realisiert werden kann.