Nach der verheerenden atomaren Katastrophe von Fukushima hat die Bundesregierung eine drastische Änderung ihrer Energiepolitik verfügt. Wesentliche Bestandteile der Energiewende sind der Ausstieg aus der Kernenergie und der verstärkte Ausbau der erneuerbaren Energien. Nach bereits erfolgter Abschaltung der sieben ältesten Kernkraftwerke im Frühjahr 2011 sollen die restlichen Meiler bis 2020 vom Netz gehen und stillgelegt werden. Der Anteil erneuerbarer Energien hat im ersten Halbjahr 2012 bereits die Marke von 25 Prozent erreicht. Für das Jahr 2020 sollen statt der ursprünglich durch die schwarz-gelbe Bundesregierung geplanten 35 Prozent nach derzeitiger Einschätzung sogar 40 Prozent des Strombedarfs aus regenerativen Quellen gedeckt werden.
Unter den regenerativen Energieträgern kommen der Windkraft und Solarstrahlung die größte Bedeutung zu, deren Anteil von derzeit neun beziehungsweise fünf Prozent dann auf 50 beziehungsweise 35 Prozent gesteigert werden soll. Die hochgesteckten Ziele stellen Politik und Energiewirtschaft vor große Herausforderungen. Das betrifft
1.) den Stromtransport zwischen den teils weit auseinander liegenden Standorten der Erzeugung regenerativer Energien und den Zentren hohen Verbrauchs besonders in den industriellen Ballungszentren.
2.) die Kompensation der Fluktuationen bei der Erzeugung regenerativer Energien, insbesondere aus den Quellen Wind und Solarstrahlung, in Relation zum ebenfalls schwankenden Bedarf.
3.) die aus der Abschaltung der Atomkraftwerke resultierende Stromlücke im Zusammenhang mit dem Bedarf an regelfähigen Kraftwerken auf Basis fossiler Quellen.
Bei der Überwindung dieser Schwierigkeiten wird bisher weitgehend auf konventionelle Strategien gesetzt. Auf die oftmals großen Entfernungen zwischen den Zentren der Energiegewinnung und des Verbrauchs sollen durch den Aus- und Neubau hochleistungsfähiger Stromautobahnen überbrückt werden. Dies bedarf langer Planungszeiten, ist außerordentlich kostenintensiv und stößt vielfach auf den Widerstand von Bürgerinitiativen. Den Unwägbarkeiten der auf natürliche Weise erzeugten Strommengen versucht man mit der Verknüpfung verschiedener regenerativer Energieträger zu einem Energiemix, mit der Errichtung neuer Speicherkraftwerke oder auch der Bereithaltung ausreichender Regelleistung zu begegnen. Und einer befürchteten Energielücke wollen die Regierungspolitiker und der Führungsetagen der Stromkonzerne mit dem Neubau weiterer Großkraftwerke mit fossilen Energieträgern vorsehen. Angesichts der schwankenden Gaspreise setzt man hierbei vor allem auf den Neubau von Kohlekraftwerken. Anerkanntermaßen besser wäre allerdings, strategische Reserven in Form von Gaskraftwerken anzulegen, da diese im Bedarfsfall schneller hochzufahren sind und auch bessere Regeleigenschaften besitzen.
Doch all diese Maßnahmen sind nicht nur recht aufwändig und damit teuer. Sie erfordern auch lange Planungszeiten und geraten oft in parteipolitische Auseinandersetzungen und Interessenkonflikte.
Das Prinzip
Eine Alternative sind kleinräumige Lösungen. Die Energiewende braucht Vorschläge, die schnell und unbürokratisch umsetzbar sind, einen vergleichsweise geringen Aufwand erfordern und schrittweise realisiert werden können. Für das Fluktuationsproblem von Wind- und Solarstrom ist eine dezentrale Struktur zu wählen. Bei der Umschau nach geeigneten Objekten für den angestrebten Energieausgleich auf dezentraler Ebene treffen wir auf die Gebäude im Versorgungsgebiet. Gebäude konsumieren rund 40 Prozent der Gesamterzeugung an Strom. Daraus ergibt sich, dass ein an dieser Stelle vorgenommener Ausgleich von Fluktuationen einen möglicherweise erheblichen Beitrag leisten kann.
Der hier unterbreitete Lösungsvorschlag sieht vor, in jeder Wohneinheit, gegebenenfalls auch in Betrieben des Kleingewerbes und der Landwirtschaft, eigenständig einen Stromspeicher einzurichten. Die Maßnahme könnte künftig zur Pflicht gemacht werden. Auf diese Weise wird insgesamt ein virtueller Speicher von beträchtlicher Kapazität gebildet.
Zur Energiespeicherung genügen Akkumulatoren. Grundsätzlich gilt: Stromspeicher bieten den unmittelbaren Weg zur Pufferung von Energie in der vom Verbraucher benötigten Form. Elektrische Speicher haben verglichen mit gasförmigen Speichermedien, wie Biogas oder Wasserstoff, den Vorteil, das sie Wirkungsgradverluste vermeiden. Und sie ersparen außerdem einen ansonsten für die Umsetzung der Speichermedien nötigen Aufwand.
Bezüglich der verteilten, also dezentralen Energiespeicherung in elektrischer Form diskutiert man in Deutschland bereits die Nutzung der Lithium-Ionen-Batterien von Elektrofahrzeugen. Angesichts der zu erwartenden eher bescheidenen Zuwachsraten für Elektrofahrzeuge ist dieser Beitrag aber wohl als bescheiden zu werten. Nachteilig ist weiterhin die hohe Beanspruchung der teuren Batterien durch die täglichen Ladungswechsel, welche den Fahrzeugbesitzern letztlich zur Last fällt.
Besser geeignet für das hier vorgestellte Konzept sind robuste Akkumulatoren mit möglichst hoher Energiedichte, welche in den Wohneinheiten stationär untergebracht werden. Geeignete Aufstellplätze wären der Dachboden, Keller oder die Garage.
Vorbereitung auf die energetische Insellösung
Eine wohnungszugehörige Stromspeicherung ermöglicht energetische Insellösungen, die weitgehend autark sind. Die Wohnungen sollten zwar den direkten Zugang zum öffentlichen Netz haben, der jedoch nur in Extremfällen vorübergehend in Anspruch genommen werden soll.
Bevor das System eingerichtet wird, sollten bestehende Möglichkeiten zur Energieeinsparung im häuslichen Umfeld genutzt werden, da sich diese Maßnahme unmittelbar auf den Kapazitätsbedarf des vorgesehenen Stromspeichers auswirkt. Dies erfordert die Neuausstattung oder Umrüstung der hauseigenen Elektrotechnik mit modernen energiesparenden Leuchtmitteln und Haushaltsgeräten. Gemäß eigenen Untersuchungen sind hier Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent möglich.
Der Bewohner der Wohneinheit sollte zudem den bewussten Umgang mit der vorhandenen Elektroenergie einüben. Daraus resultieren Verhaltensänderungen: Der zum Energiemanager gewordene Wohnungsnutzer wird dann stärker auf den bedarfsgerechten Umgang mit Elektroenergie achten und auch den Betrieb energieintensiver Geräte auf die tariflich begünstigten Nachtstunden verlegen.
Die wohnungszugehörige Speicherung ist nun in zwei Varianten denkbar:
Variante I
Wie Grafik 1 verdeutlicht, enthalten die jeweiligen Wohneinheiten als zentrales Element eine lokale Batterie hinreichender Speicherkapazität. Die Batterie wird bei Überangebot an Netzstrom – also vorwiegend in den Nachtstunden – aufgeladen (1). In Zeiten der täglichen Spitzenlast am Vormittag sowie in den frühen Abendstunden wird die in der Batterie akkumulierte Energie vorzugsweise zur Deckung des hausinternen Bedarfs entnommen (2). Ist die Batterieladung auf den Schwellwert der Reserveladung abgesunken, so wird auf externen Energiebezug aus dem öffentlichen Netz zu den üblichen Konditionen umgeschaltet (3). Zum Abbau des nächtlichen Stromüberschusses werden während dieser Zeit außerdem die häuslichen Großverbraucher, wie Waschmaschinen, Geschirrspüler betrieben (4) sowie die Batterien des E-Mobils aufgeladen (5).
Die hauseigenen Stromspeicher leisten Beiträge zur Etablierung eines virtuellen Gesamtspeichers im Stromversorgungssystem, dessen Gesamtkapazität sich mit der Anzahl der vorschlagsgemäß ausgerüsteten Wohneinheiten erhöht. Auf diese Weise wird ein Potenzial an Regelleistung geschaffen, das je nach Anzahl der beteiligten Haushalte und Gewerbe mehrere Gigawatt betragen kann. Dementsprechend verringert sich der Bedarf an Spitzenleistung, so dass der Bau teurer flexibler Großkraftwerke reduziert werden kann.
Dieser Vorteil könnte direkt für das wohnortbezogene Speichersystem genutzt werden: Die erzielten Einsparungen bei der erforderlichen Spitzenleistung könnten zur Kostenbeteiligung der Energiewirtschaft am Erwerb der hauseigenen Batterien genutzt werden. Damit würde das hier unterbreitete Modell an Attraktivität gewinnen.
Die wohnungsinternen Stromspeicher vergrößern auch den Grad an Energieautarkie und Versorgungssicherheit. Bei Störungen und Ausfällen im öffentlichen Netz ermöglicht die Batterie den Betrieb einer Notstromversorgung. Ein entsprechendes Back-Up-System sorgt dann dafür, dass das Inselnetz in solchen Fällen vom öffentlichen Netz abgekoppelt und stattdessen auf Eigenversorgung umgeschaltet wird.
Variante II
Eine Variante wäre, auch noch eine eigene regenerative Stromquelle in das Energieversorgungssystem einzubeziehen – vorzugsweise in Form einer wohnungseigenen Solaranlage. Da Solarstrom jedoch nur während der Tageszeiten und dann auch noch in wechselnden Quantitäten erzeugt wird, müssen Ausgleichsmaßnahmen vorgesehen werden, wofür die vorgesehene hauseigene Batterie wiederum vorteilhaft eingesetzt werden kann.
Die Integration einer Photovoltaikanlage in das wohnungseigene Energiesystem macht den selbst erzeugten Strom auf verschiedene Arten nutzbar. An vorderer Stelle steht die Ladung der hauseigenen Batterie zwecks Bereitstellung eines möglichst ergiebigen Energiepuffers (1). Damit soll gewährleistet werden, dass vor allem in den Spitzenzeiten genügend Speicherstrom zur Verfügung steht. Die regenerative Energie sollte weiterhin unmittelbar zur Deckung des hauseigenen Verbrauchs eingesetzt werden (2). Besteht nach Vollladung der Batterie und Abdeckung des Eigenverbrauchs noch ein Stromüberschuss, kann dieser in das öffentliche Netz eingespeist werden (3). Bei unzureichender Erzeugung von Solarstrom wird die Batterie zum Ausgleich der Fluktuationen herangezogen, indem der Eigenverbrauch aus dem Speicher bedient wird (4). In Extremfällen, etwa bei Erschöpfung der Batterie oder sehr hohem Eigenbedarf, muss auch das öffentliche Netz in Anspruch genommen werden (5), wofür dann der Normaltarif gültig ist (gestrichelte Wirkungslinien). Gegebenenfalls muss auch die Nachladung der Batterie über das öffentliche Netz erfolgen (6).
Die Erzeugung eigenen Solarstroms ist auch für die Wohnungsinhaber attraktiv. Dies gilt besonders bei der Einspeisung größerer Mengen von Solarstrom in das öffentliche Netz, da dies durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ja noch staatlich subventioniert wird. Bis zu einer Eigenerzeugung mit maximal 10 Kilowattstunden wird die Solarstromeinspeisung bisher mit 19,5 Cent pro Kilowattstunden vergütet. Das EEG sieht allerdings vor, dass dieser Satz in den Folgejahren schrittweise bis auf 16,5 Cent abgeschmolzen wird. Dennoch: Bei größeren Solaranlagen kann selbst bei der vorgesehenen Reduzierung der Förderung immer noch eine ansprechende Rendite erwirtschaftet werden.
Der Mischbetrieb von selbst erzeugtem und teilweise in das Netz eingespeistem Solarstrom wie auch in Sonderfällen von dort bezogenem Strom bedarf einer Vereinbarung mit dem jeweiligen Netzbetreiber. Das Prinzip der Eigenerzeugung und Speicherung regenerativer Energien ließe sich noch durch Einbeziehung einer Kleinwindkraftanlage ausbauen. Hierbei könnte es sich beispielsweise um eine auf dem Hausdach installierte Kleinanlage handeln, wie sie etwa für Yachten im Angebot sind. Architekten haben aber auch bereits Lösungen für in Hochhäuser integrierte größere Windkraftanlagen vorgestellt, deren Stromertrag dann mehreren Bewohnern zur Verfügung stehen würde. Derartige Hybridsysteme ermöglichten dann einen Energiemix aus verschiedenen regenerativen Quellen, der die Energieautarkie weiter steigern und den Speicherbedarf zusätzlich senken würde.
Technische Realisierbarkeit
Die Umsetzung erscheint vergleichsweise einfach, da die meisten der dafür benötigten Komponenten bereits im Angebot sind. Zentrale Komponente ist der Akkumulator. Hier gibt es zwar durchaus auf dem Markt befindliche so genannte Solarakkumulatoren. Technologisch handelt es sich hier um Blei-Säure-Batterien, die es auch in Gel-Ausführung gibt. Diese genügen jedoch wegen der vergleichsweise geringen Energiedichte und ihres hohen Gewichts nur unzureichend. Eine Alternative wären die vorzugsweise in den E-Mobilen eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien, die über eine vier- bis siebenfach höhere Energiedichte verfügen. Sie scheiden aber allein aus Kostengründen aus. Zumindest übergangsweise sind Nickel-Cadmium-Batterien zu empfehlen. Diese besitzen eine höhere Energiedichte, ermöglichen eine hohe Anzahl von Ladungswechseln, sind für Temperaturen bis minus 40 Grad Celsius einsetzbar und können auch für hohe Batteriekapazitäten konfiguriert werden. Die wohnungseigenen Batterien könnten dann auf dem Hausboden, im Keller, der Garage oder sonstigen geeigneten Plätzen unauffällig installiert werden.
Ein wesentlicher Teil der weiterhin benötigten Komponenten wurde bereits für den Inselbetrieb in Yachten und Caravans entwickelt und ist somit entsprechend dem Angebot der Ausrüster kommerziell verfügbar. Dazu zählen Laderegler, welche der Batterie vorgeschaltet sind und diese sowohl bei Speisung aus dem Netz wie auch vom Solarpanel vor Überladung wie auch Tiefentladung schützen. Man kann auch auf Wechselrichter zurückgreifen, welche die von den regenerativen Quellen oder alternativ die von der Batterie abgegebene Gleichspannung in die standardmäßig verwendete Wechselspannung von 230 Volt umsetzen. Verfügbar sind auch die Stromzähler, die mehrfach für Abrechnungszwecke erforderlich sind. Diese werden voraussichtlich durch die bereits von Netzbetreibern angebotenen Smart Meter abgelöst. Diese Geräte sind mittels Computerverbindung über das Telefonnetz mit dem jeweiligen Netzbetreiber verbunden. So können diese Smart Meter nicht nur Auskunft über die Kosten des Strombezugs geben, sondern auch über den jeweils günstigsten Stromtarif informieren. Fündig wird man auch bei den Ladezustandsanzeigen, welche über den jeweils aktuellen Ladezustand der Batterie informieren.
Umsetzung
So würden die Wohnungseigentümer verpflichtet, eigenverantwortlich für die Errichtung der geforderten Speicherlösung in ihrer Immobilie zu sorgen und müssten auch deren Kosten tragen. Elektrospeicher würden dann genauso selbstverständlich zur Grundausrüstung von Eigenheimen, Wohnungen in Mehrfamilienhäusern, Hotels und öffentlichen Gebäuden gehören wie bisher die Ausrüstungen für Heizung, Warmwasserbereitstellung, Satellitenempfang und Internetanschluss.
Zugegeben: Damit würden sich einerseits die Eigenleistungen für die Wohnungseigentümer erhöhen, was zunächst als eine nicht erwartete zusätzliche Belastung erscheinen mag. Die aufzuwendenden finanziellen Leistungen werden aber wesentlich von der bei Einführung des Vorschlags verfügbaren Speichertechnologie abhängen und sind somit derzeit nur schwer kalkulierbar. Kostensenkungen könnten darüber hinaus von der Entwicklung typisierter Systemlösungen erwartet werden, die in Großserienfertigung hergestellt werden. Der vom Wohnungseigentümer zu tragende Anteil der Finanzlast ließe sich einerseits durch eine Kostenbeteiligung der Energieanbieter reduzieren – als Ausgleich für dessen eingesparte Investitionen für Spitzenlastkraftwerke und den Netzausbau. Zusätzlich könnte auch eine staatliche Förderung ähnlich der Bezuschussung bei Dämmmaßnahmen gewährt werden. Schließlich aber amortisieren sich die aufgewendeten Installationskosten für die Wohnungseigentümer längerfristig über die erzielten Einsparungen beim Energieverbrauch.
Dass solche in Eigenregie geschaffene Speicherlösungen prinzipiell machbar sind, zeigt ein Blick auf eine vergleichbare Situation auf Zypern. Dort ist Wasser ein kostbares Gut, sehr unregelmäßig und manchmal gar selten verfügbar. Hier begegnet man Zeiten des Wassermangels mittels größerer Wassertanks auf den Hausdächern (Bild 3). Hierzu wird in Zypern jeder Wohnungsinhaber per gesetzlicher Verfügung verpflichtet, was offenbar von den Betroffenen akzeptiert wird.
Die Umsetzung des unterbreiteten Vorschlags einer wohnungsbezogenen Energiespeicherung erfordert indes Maßnahmen, die auf unterschiedlichen Gebieten liegen. Hierbei kommt der Politik eine Schlüsselrolle zu, indem sie sich zu einem solchen Verfahren bekennen müsste und letztlich dafür eine gesetzliche Grundlage zu schaffen hätte. Für die Nachrüstung bestehender Wohnungen müssten hingegen Übergangsfristen eingeräumt werden.
Des Weiteren müssten noch einige Detailfragen auf Expertenebene geklärt werden. Diese betreffen die Größe der geforderten Speicherkapazität, die Festlegung vereinheitlichter Schnittstellen sowie die Modalitäten der Abrechnung.
Auch auf dem Gebiet der Technik sind noch Arbeiten zu leisten. An oberster Stelle stehen hier Forschungs- und Entwicklungsleistungen zur Optimierung einer Batterietechnologie. Zudem sind typisierte und vor allem kostengünstige wohnungsintegrierbare Systemlösungen zu entwickeln. Weitgehend offen ist noch die Entwicklung von Steuersoftware für ein optimiertes Energiemanagement.
Anspruch
Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Teillösungen erhöht sich im Gesamtverbund mit der Anzahl der daran teilnehmenden Wohneinheiten, sodass eine quasi automatische Anpassung an die jeweilige Bevölkerungsanzahl erfolgt.
Der dargebotene Lösungsvorschlag will einen Beitrag zur beschleunigten Umsetzung der anstehenden Energiewende leisten. Damit soll dieser als eine flankierende Maßnahme verstanden werden, deren Umsetzung von mancherlei Hürden großer Projekte befreit wäre und nur einen vergleichsweise geringen Aufwand erfordern würde.
Wolfgang Weller
Der Autor ist emeritierter Professor für Technische Kybernetik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Wolfgang Weller wirkte nach Tätigkeiten in der Industrie als Dozent am Higher Institute for Electronics (Ägypten), als Honorarlehrkraft an der Universität Rostock sowie langjährig als Professor für Technische Kybernetik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Zu den Arbeitsschwerpunkten der letzen Jahre zählte neben der Erarbeitung intelligenter Verkehrslösungen vor allem die Entwicklung von Konzepten auf dem Gebiet der Erneuerbaren Energien.
Literatur:
Kasper, T.; O. Lell; F. Rogalla; S.Hyewon: Energie 2050 – sicher, sauber, bezahlbar. verbraucherzentral. Bundesverband. Jan. 2012
Weller, W.: Create the Future – Gesamtheitliches Konzept zur dezentralen Energieversorgung auf der Basis regenerativer Quellen. Teil I u. II. IKZ-ENERGY 2/2011, S. 60-63 u. 3/2011, S. 78-81.
N. N.: Das Gebäude als Kraftwerk im Smart Grid. IKZ-ENERGY 3/2012, S, 16-17
