Forschungscluster – Nachhaltige Energieversorgung

Thematisches Ziel des interdisziplinären Forschungsclusters „Nachhaltige Energieversorgung“ ist die wissenschaftliche Begleitung des Transformationsprozesses von dem jetzt noch zentral aufgebauten deutschen Energieversorgungssystem hin zu einem regenerativen Zeitalter mit überwiegend dezentraler Energieversorgung. Innerhalb der nächsten Jahre sind neue technische Lösungen zu erarbeiten, die eine sichere Energieversorgung gewährleisten, volkswirtschaftlich sinnvoll sind und auch für kommende Generationen das Gebot der Nachhaltigkeit erfüllen.

Von einer nachhaltigen Energieversorgung wird erwartet, dass auch nachfolgende Generationen über Rohstoffe verfügen können. Ressourcen mit begrenzten Reichweiten wie Kohle oder Erdgas müssen geschont werden. Zugleich sollte der Zugang zu den verwendeten Energieträgern nicht durch politische Abhängigkeiten blockierbar sein. Ein weiterer Aspekt der Nachhaltigkeit ist der Klimaschutz. Auch andere Umweltverschmutzungen sind zu vermeiden. Dabei stellt die Effizienz des Energiesystems eine Schlüsselrolle dar.

In Deutschland fordert deshalb das Erneuerbare-Energien-Gesetz bei der Stromerzeugung eine Steigerung des Anteils von regenerativen Energien von heute 17 % auf 35 % bis 2020 sowie eine kontinuierliche Steigerung dieses Anteils danach. Mit der 2011 beschlossenen Energiewende wird sogar eine überwiegend regenerative Stromerzeugung. angestrebt. Eine dermaßen komplexe Entwicklung kann nicht einfach dadurch vollzogen werden, dass konventionelle Kraftwerke durch Stromerzeuger ersetzt werden, die mit erneuerbaren Energien arbeiten. Eine Reihe von Problemen, die dabei auftreten, müssen gelöst werden. Erschwerend kommt hinzu, dass mit der Energiewende gerade die besonders großen Kraftwerke abgeschaltet werden, die wesentlich zur Netzstabilität beitragen.

Zur Klärung solcher offenen Fragen haben die drei Fakultäten für Elektrotechnik, Maschinenbau sowie Wirtschafts- und Sozialwissenschaften an der Helmut-Schmidt-Universität ein gemeinsames Forschungscluster „Nachhaltige Energieversorgung” eingerichtet, um eine möglichst breite Fachkompetenz für die Bearbeitung dieses Themenkomplexes zu bündeln. Mit einer Reihe von koordinierten Einzelprojekten wird untersucht, wie bei dem technischen Übergangsprozess von der jetzt noch zentralen Struktur der Energieversorgung hin zu einer dezentralen und überwiegend regenerativen Energieversorgung eine optimierte Netzintegration der erneuerbaren Energien erzielt werden kann. Erforderliche Anpassungen und Innovationen wie z.B. Konzepte für den Einsatz von Energiespeichern und Smartgrids werden entwickelt, Lösungen für auftretende Probleme werden interdisziplinär erarbeitet.

Mit dem Stromeinspeisungsgesetz (StrEG) bildete sich 1990 in Deutschland die gesetzliche Grundlage für die Stromeinspeisung mit erneuerbaren Energien. Die Nutzung erneuerbarer Energien hat seitdem jährlich um mehr als 30 % zugenommen. Im Jahr 2000 wurde das Stromeinspeisegesetz durch das weiterentwickelte Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) abgelöst, das in den Jahren 2004, 2008, 2011 und 2012 novelliert wurde.

Zweck dieses Gesetzes ist es, insbesondere im Interesse des Klima- und Umweltschutzes eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen, die volkswirtschaftlichen Kosten der Energieversorgung auch durch die Einbeziehung langfristiger externer Effekte zu verringern, fossile Energieressourcen zu schonen und die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien zu fördern. In dem Gesetz wird der vorrangige Anschluss von Anlagen zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien sowie die vorrangige Abnahme, Übertragung, Verteilung und Vergütung dieses Stroms durch die Netzbetreiber geregelt.

Darüber hinaus wurde 2011 von der Bundesregierung eine Energiewende beschlossen. Mit dieser Maßnahme sollen bis zum Jahr 2022 alle Kernkraftwerke abgeschaltet werden. Für diese in der Regel besonders großen Kraftwerke müssen geeignete Alternativen gefunden werden, die überwiegend auf erneuerbaren Energien basieren sollen. Dafür sind auch die Netze auszubauen und an die veränderten Verhältnisse anzupassen. Um den erforderlichen Netzausbau zeitnah sicherstellen zu können, wurde 2011 das Energieleitungsausbaugesetz geändert, um die Zeit von der Planung bis zur Fertigstellung der Leitung von heute zehn Jahren auf vier Jahre zu verkürzen.

Mit der Energiewende wird von der Bundesregierung der Einstieg in das regenerative Zeitalter beabsichtigt. Mit dem neuen EEG von 2012 soll der Mindestanteil an regenerativer Stromerzeugung 35 % bis 2020, 50 % bis 2030, 65 % bis 2040 und 80 % bis 2050 betragen. Zugleich soll der Bruttoendenergieverbrauch in Deutschland bis 2020 zu mindestens 18 % aus erneuerbaren Energien gedeckt werden. Gefordert wird, diesen Ausbau der erneuerbaren Energien konsequent, ambitioniert, nachhaltig und effizient zu gestalten. Eine solche Umstellung auf eine überwiegend regenerative Stromerzeugung wird sich wegen der teilweise hohen Volatilität von erneuerbaren Energien nicht ohne Speichermöglichkeiten realisieren lassen, die ausreichend große Energiemengen über Zeiträume bis zu 1-2 Wochen speichern können.

Beim Einsatz regenerativer Energien stellt der Klimaschutz  nicht den primären Nutzen dar, denn der Ausstoß von Treibhausgasen lässt sich mit anderen Mitteln deutlich kostengünstiger reduzieren. Erneuerbare Energien leisten jedoch auch einen Beitrag zur Verminderung anderer Schadstoffemissionen wie SO₂ oder NO_x. Insbesondere kann mit diesen Energieträgern Vorsorge für zukünftige Zeiten getroffen werden, in denen die globale Konkurrenz um die endlichen Vorräte fossiler Energien größer wird, internationale Konflikte den Zugang zu deren Quellen erschweren oder gar verhindern oder allein die Befürchtung einer Verknappung die Preise in die Höhe treibt. Nicht zuletzt geht es um Industriepolitik. Diejenigen Unternehmen und Staaten, die jetzt Produkte entwickeln und Strukturen aufbauen, werden die Marktführer von morgen sein.

Das Thema „Erneuerbare Energien“ sollte nicht isoliert diskutiert, sondern immer im Zusammenhang mit einer effizienteren Nutzung von Energie gesehen werden. In wissenschaftlichen Studien und in der Praxis ist immer wieder aufgezeigt worden, dass der wirtschaftlichere Umgang mit Energie oft kostengünstiger ist als deren kommerzielle Bereitstellung. Auch wenn diesbezüglich in der Vergangenheit schon viel getan worden ist, insbesondere in der Industrie, gibt es weiterhin erhebliche Verbesserungspotentiale. Auch der Einsatz erneuerbarer Energien sollte stets mit einer energetischen Optimierung verbunden werden.

Mit dem geplanten Ausbau an regenerativen Primärenergieträgern soll die elektrische Energieversorgung Deutschlands aus dezentral verteilten Kraftwerken bei minimalen Kosten realisiert werden. Innerhalb eines Übergangszeitraumes müssen die regenerativen Stromerzeuger jedoch noch durch fossil gefeuerte Technologie unterstützt werden.

In der Vergangenheit ist es gelungen, innerhalb kurzer Zeiträume sich ergänzende Arten von regenerativen Stromerzeugern  in großen Leistungsbereichen zu kombinieren. In Ergänzung hierzu wurden die fossilen Technologien so weiterentwickelt, dass deren spezifische Leistungsreduzierung je Einheit tendenziell zu besseren Wirkungsgraden führen kann.

Für die Versorgung mit elektrischer Energie existieren derzeit zwei Technologien, die sich je nach den lokalen Gegebenheiten mehr oder weniger stark ergänzen. In bestimmten Gebieten, in denen die Erzeugung und der Verbrauch von elektrischer Energie und an Wärme in etwa übereinstimmen, bildet sich eine zunehmend autarke Struktur heraus. In den anderen Gebieten ist eine netzgebundene Versorgung unabkömmlich, die über einen intelligent gesteuerten Leistungsfluss zur verlustoptimalen Netzauslastung geregelt werden muss. Beide Technologien müssen vernetzt eine bedarfsgerechte Bereitstellung der Energie gewährleisten, was insbesondere beim ersten Ansatz Methoden und Strategien zur Zwischenspeicherung und zur Lastkontrolle erforderlich macht.

MIt dem Forschungscluster „Nachhaltige Energieversorgung“ werden in einem ganzheitlichen Ansatz die spezifischen wissenschaftlichen Defizite bezüglich einer flexiblen, nachhaltigen Energieversorgung analysiert, Lösungsansätze mit derzeit realisierter Technologie sowie mit zukünftigen Energietechniken aufgezeigt, wesentliche Schlüsseltechnologien detaillierter  evaluiert sowie die Grundlagen bereitgestellt, um ein tieferes Verständnis der effizienten Energiebereitstellung und des effizienten Energieverbrauches in der Öffentlichkeit zu bewirken. Unter Berücksichtigung der Chancen und Grenzen der einzelnen Technologien gilt es, eine optimale Gesamtstrategie zu erarbeiten. Wesentliche Gesichtspunkte sind hierbei die Versorgungssicherheit, der effiziente Ressourceneinsatz, die Reduzierung der CO₂-Emissionen, Nachhaltigkeit sowie eine breitere Akzeptanz bei den Verbrauchern. Darüber hinaus ist die Wirtschaftlichkeit zu berücksichtigen.

Ergänzend zu den technischen Betrachtungen evaluiert der verfolgte Ansatz die energietechnischen Lösungen der historischen Erfahrungen. Damit werden die eingesetzten Technologien der Energiespeicherung, der Energiewandlung und der Energienutzung von der Historie über die Gegenwart in die Zukunft gewertet, um hieraus Schlüsse für die spezifische Anwendung einer international vernetzten Gesellschaft zu ziehen und gesellschaftspolitische Aspekte darzulegen. Ebenso gilt es, auch sozialwissenschaftliche Aspekte insbesondere unter Berücksichtigung der internationalen Vernetzung zu beleuchten.

Als Ergebnis werden die technologischen und gesellschaftpolitischen Eckpfeiler zur Gewährleistung einer hohen Versorgungssicherheit bei gleichzeitiger Erreichung hochgesteckter ökologischer Ziele unter Einhaltung ökonomischer Randbedingungen erarbeitet. Deren erfolgreiche Umsetzung und ein öffentliches Verständnis der Energietechnologie leistet einen Beitrag, um den Einstieg in das regenerative Zeitalter zeitnah zu realisieren, und verschafft der Volkswirtschaft einen erheblichen Vorteil.

Der Übergang von der bisher zentral orientierten Stromversorgung mit fossil befeuerten Großkraftwerken sowie Kernkraftwerken hin zu einer dezentralen und nachhaltigen Energieversorgung wird durch steigende Brennstoffkosten, abnehmende Ressourcen sowie politische Anforderungen zur Energiewende sowie der Minimierung der Emission von Treibhausgasen erzwungen. Die sich hieraus ergebenden technischen und gesellschaftlichen Anforderungen sollen in einem vorgegebenen Zeitraum umgesetzt werden, der zunächst bis ca. 2020 reicht. Es gibt jedoch noch kaum schlüssige Konzepte für eine bedarfsgerechte Energieversorgung mit vorwiegend dezentraler, regenerativer Stromerzeugung.

Erschwerend kommt hinzu, dass der Energiemix der deutschen Stromerzeugung bis 2022 ohne Kernenergie auskommen muss und 2020 bereits ein Anteil von 35 % an der Stromerzeugung sowie 18 % am Bruttoendenergieverbrauch aus regenerativen Primärenergieen gedeckt werden soll. Bis 2050 soll die deutsche Stromerzeugung per Gesetz sogar schon zu 80 % regenerativ sein. Somit ergibt sich wegen der Volatilität von regenerativen Energien wie z.B. Wind zunehmend Bedarf an einer kurz-, mittel- und langfristigen Speicherung sowie an Strategien für eine intelligente Nutzung der elektrischen Energie. Derzeit noch nicht ausreichend geklärt ist sowohl die Speichertechnologie selbst als auch die benötigten Speichermengen und Haltezeiten. Eng damit verknüpft sind die zu entwickelnden Strategien zum Speichermanagement.

Als primäres Defizit ergibt sich daher, dass sowohl für die Übergangsphase zu einer überwiegend regenerativen Stromerzeugung, als auch für die Phase der näherungsweisen Vollversorgung mit erneuerbaren Energien kaum ganzheitliche Konzepte zur umweltschonenden Energiewandlung, zur Auswahl der in Frage kommenden Technologien, sowie zur intelligenten Verteilung und Regelung der Nutzenergie existieren.

Die Technikentwicklung und insbesondere der Übergang der Nutzung fossiler Primärenergie sowie der Kernenergie zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft ist a priori ein Prozess der sozialen Konstruktion durch soziale Akteure. Diese Konstruktion ist in gesellschaftliche Strukturen eingebettet. Dies zeigt die Notwendigkeit auf, bereits in der Technikentwicklung angelegte Folgen frühzeitig zu erkennen. Die Technikentwicklung läuft in unterschiedlich strukturierten Teilbereichen der Gesellschaft, getrieben durch unterschiedliche Akteure mit verschiedenen Interessen und Machtpotentialen ab. In jedem Teilbereich der Gesellschaft wird Technik mit einer anderen Orientierung entwickelt. Ohne Betrachtung des Prozesses der Technikgenese ist die konsequente Umstrukturierung einer bewährten aber auslaufenden Technologie nicht konsequent zu betreiben. Durch das immer höhere Tempo technischer Innovationen, durch die Vielfalt der Technisierungsprozesse, die eine Unübersichtlichkeit über die komplexen Wirkungen innerhalb eines technischen Systems und zwischen gekoppelten Systemen verursachen, sowie durch die Gestaltung der Technik von organisierten Interessen und kulturellen Visionen wird das notwendige Verständnis der laufenden Prozesse erschwert.

Zusätzlich zu berücksichtigen ist, dass das theoretische Einsparpotenzial von Effizienzsteigerungen in der Regel nur teilweise oder gar nicht zu realisieren ist. Dieses Problem ist als Rebound-Effekt bekannt. Unter Umständen kann eine Effizienzsteigerung sogar zu einem erhöhten Verbrauch führen. Weil Reboundeffekte vielfältig und sehr indirekt wirken können, ist es schwer möglich, sie zu bestimmen.

Eine technikpolitische und ökologische Kompetenzentwicklung ist auf die Förderung von Reflexionen über Alternativen bei der Konstruktion, Implementierung und Anwendung von Technik gerichtet. Sie kann nur erfolgreich umgesetzt werden, wenn auch Prozesse der Bewusstseinsbildung für ressourcenschonende Technikgestaltung und in diesem Zusammenhang für eine schnellstmögliche Substitution von fossilen Energieträgern sowie Kernbrennstoffen durch Reduktion des Energieverbrauchs und konsequente Nutzung regenerativer Energien breite Akzeptanz finden.

Die Untersuchung der Energiewandlung, -nutzung und -speicherung erfolgte in der Vergangenheit immer unter jeweils spezifischen Aspekten der betrachteten Anwendung bzw. des Anwenders. Ganzheitliche Lösungen standen selbst aus technologischer Sicht eher im Hintergrund; historische Betrachtungen, gesellschaftspolitische Aspekte und juristische Analysen wurden nur soweit zwingend erforderlich eingebracht. Der vorgestellte Ansatz des Forschungsclusters „Nachhaltige Energieversorgung“ soll alle Aspekte, die als einzelne Bausteine vorhanden sind oder noch entwickelt werden, zusammenfügen und aus einer gesamtheitlichen Analyse heraus optimierte Lösungsansätze effizienter Energiewandlung, -speicherung und -nutzung für den Eintritt in ein regeneratives Zeitalter erarbeiten.

Die Vision des Forschungsclusters „Nachhaltige Energieversorgung“ soll in mehreren Schritten erreicht werden, die zu einem Teil parallel bearbeitet werden und zu einem anderen Teil aufeinander aufbauen. Eine grundlagenorientierte, gesamtheitliche Situationsanalyse, die in einer geschlossenen Simulation einer dezentral aufgebauten Energieversorgung zusammengefasst wird, bildet die Ausgangssituation.

Hierzu soll ein dynamisches Netzmodell mit vollständiger Einspeisung aus regenerativen Quellen erstellt werden. Außerdem ist die Netzstützung und eine intelligente Regelung mithilfe von Speichern wie auch durch gezieltes Lastmanagement von Großverbrauchern von ausschlaggebender Bedeutung.

Mit einbezogen wird die Betrachtung herkömmlicher und möglicher zukünftiger Speichertechnologien. Hierzu ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit primär der Ingenieurswissenschaften als auch unter gewissen Aspekten der Gesellschafts- und Betriebswissenschaften erforderlich, um zu gewährleisten, dass die Modellbildung auch die gesellschaftspolitischen Randbedingungen berücksichtigt. So sollen neben dem Regelungskonzept einerseits grundlegend die Möglichkeiten einer Netzstützung von Seiten der intelligent geregelten Großverbraucher wie z.B. Schmelzöfen oder Kühlhäuser evaluiert werden. Andererseits sind  Speicherfähigkeit und die Energieeffizienz der regenerativen Energieträger grundlegend wissenschaftlich zu untersuchen, um Möglichkeiten der effizienten Energieversorgung mittels regenerativer Primärenergieträger aufzuzeigen. Als Beispiele sind künstliche Stauseen oder der Wirkungsgrad der energiewandelnden Anlagenteile von Windrädern zu nennen. Parallel hierzu werden aktuelle Energiewandlungstechniken wie Strömungsmaschinen und Brennstoffzellen analysiert und optimiert.

In einer nachhaltigen Energieversorgung muss die effiziente Entfernung hoch toxischer Substanzen wie Dioxine und Furane im Abgas, wie sie auch bei der Verbrennung regenerativer Ausgangsstoffe entstehen, gewährleistet sein. Auch der Betrieb hocheffizienter Energiewandler wie beispielsweise Brennstoffzellen erfordert die Zuführung von Gasen definierter Zusammensetzung. Dies gilt insbesondere bei der Nutzung regenerativer Brennstoffe, bei denen u.a. schwefelhaltige Gaskomponenten effektiv entfernt werden müssen.

Die Erfahrung zeigt, dass die Energieeffizienz in der Vergangenheit oft nicht zu einer Einsparung des Ressourcenverbrauchs, sondern viel mehr zu einer Erhöhung geführt haben. Dieser als Rebound bekannte Effekt ist bei der grundlegenden Evaluation der effizienten Energieversorgung von ausschlaggebender Bedeutung und darf nicht aus dem Blickwinkel verloren werden. Am Beispiel des Stirlingmotors lässt sich die Entwicklung einer als umweltfreundlich apostrophierten Technologie exemplarisch untersuchen, wobei relevante Einblicke in einen Technikgeneseprozess unter dem Einfluss konkreter technischer und wirtschaftlicher Schwierigkeiten, des gesamtwirtschaftlichen Wandels, sich verschärfender ökologischer Probleme, gesellschaftlicher Debatten sowie politischer bzw. legislativer Rahmenbedingungen gewonnen werden können.

Eine breite Akzeptanz der nachhaltigen Energieversorgung ist nur durch entsprechende Öffentlichkeitsarbeit zu erzielen. Bei genauer Betrachtung etwa von klassisch-berufsbildungstheoretischen Konzepten und Programmatiken zur beruflichen Aus- und Weiterbildung (Eckert 2003) zeigt sich jedoch auch, dass es bereits seit der Industrialisierung im Kontext von Kulturkritik und betrieblicher Sozialpolitik vereinzelt Überlegungen zur humanen, ökologieorientierten und sanften Technologie gegeben hat. Diese historischen Erfahrungen zugrundelegend, ist in einem zweiten Schritt zu klären, auf welche Weise die für die Zukunft notwendige Bewusstseinsänderung über die Notwendigkeit des Einsatzes alternativer Energieversorgung vor dem Hintergrund der transformativen Lerntheorie (Ed. O’Sullivan et al. 2002, 2004) und der Aneignung technologischer Kompetenz (Negt 1998) und Urteilsfähigkeit vermittelt werden kann, um in diesem Bereich die bekannte Diskrepanz zwischen Umweltbewusstsein und Umweltverhalten zu mindern.

Ein auf den gewonnenen Erkentnissen aufbauender Schritt könnte der Modellvalidierung unter Laborbedingungen dienen. Hierbei werden unterschiedliche Energiewandler, Energiespeicher und verschiedene Konzepte der elektrischen Energieübertragung berücksichtigt. Zur Gewährleistung der Stabilität, der Versorgungssicherheit, sowie der Akzeptanz in der Bevölkerung wird die Modelvalidierung durch sozialwissenschaftliche Analysen und Prognosen begleitet.

Erneuerbare Energien erfordern zur effektiven Nutzung neue Techniken und Konzepte. Während bisher wenige große Kraftwerke Strom erzeugten, wird es zukünftig vermehrt auch kleinere Energieerzeuger geben, die verteilt über das Netz ihren Strom einspeisen. Eine solche dezentrale Stromerzeugung stellt neue Anforderungen sowohl an das Energiemanagement als auch an die regenerativen Stromerzeuger selbst. Für die Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien gelten dann ab einer bestimmten Größe annähernd die gleichen Anforderungen wie für konventionelle Kraftwerke.

Besondere Anforderungen werden an folgende Eigenschaften einer an das Stromnetz angeschlossenen Erzeugungseinheit gestellt:

• Wirkleistungsabgabe
• Frequenzhaltung
• Blindleistungsbereitstellung
• Spannungshaltung
• Verhalten bei Spannungseinbrüchen nach Kurzschlüssen
• Spannungsqualität

Darüberhinaus sind Fragen des Energietransports zu klären, für den die Netze ausgelegt werden müssen. Probleme enstehen dadurch, dass wesentliche regenerativen Energiemengen an der See eingespeist werden, während die Lastzentren im Süden und im Westen Deutschlands liegen. Es ist zu untersuchen, an welchen Stellen welche Netzausbaumaßnahmen sinnvoll sind und an welchen Orten welche Energiespeicher benötigt werden.

Für ein effizientes Energiemanagement werden dann eine Fülle aktueller Daten benötigt, die in geeigneter Form erfasst, komprimiert, übertragen und ausgewertet werden müssen. Für dieses Monitoring sind entsprechende Sensoren, zuverlässige und leistungsfähige Kommunikationsnetze sowie einheitliche Kommunikationsschnittstellen erforderlich. Im Falle einer Kommunikationsstörung muss das System trotzdem sicher arbeiten. Lösungsansätze bieten sich hier über verteilte Intelligenz.

Solche Smart-Grids sind eine Voraussetzung für eine intelligente Netzsteuerung, die eine Erzeugungs- und eine Verbrauchersteuerung mit einschließt. Es ist zu prüfen, wie die bestehenden Netzstrukturen kostengünstig und effizient auf dieses Technologieniveau gebracht werden können.