Dezentrale Stromerzeugung

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Dezentrale Stromerzeugung nahe einer Wohnsiedlung
Dezentrale Energiequellen Windenergie, Photovoltaik und Biomasse im ländlichen Raum

Bei einer dezentralen Stromerzeugung wird elektrische Energie verbrauchernah erzeugt, z. B. innerhalb oder in der Nähe von Wohngebieten und Industrieanlagen mittels Kleinkraftwerken. Die Leistungsfähigkeit der Stromerzeugungsanlagen ist in der Regel nur auf die Deckung des Energiebedarfs der unmittelbar oder in der näheren Umgebung angeschlossenen Stromverbraucher ausgelegt. Auch Inselnetze, d. h. die Zusammenschaltung kleiner, weniger Stromerzeuger und -verbraucher an abgelegenen Orten, die nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, zählt man zur dezentralen Stromerzeugung. Ebenso werden Windparks und Solarparks gemeinhin zur dezentralen Stromversorgung hinzugezählt, allerdings ist hier der Übergang zur zentralen Stromerzeugung, gerade bei größeren Anlagen, fließend.

Allgemeines[Bearbeiten]

Im Gegensatz zur zentralen Stromerzeugung wird die elektrische Energie bei der dezentralen Stromversorgung nicht ins Hochspannungsnetz eingespeist, sondern ins Mittel- und Niederspannungsnetz. Ein wichtiger Vorteil der dezentralen Stromerzeugung ist daher die weitestgehende Vermeidung der Verluste bei Transformation auf andere Spannungsebenen und Übertragungsverluste durch Hochspannungsleitungen. Zwischen 2000 und 2012 gingen die Übertragungsverluste in Deutschland von 34,1 auf 24,6 TWh zurück, ein Rückgang um ca. 28 %.[1] Dieser Rückgang wird maßgeblich der in diesem Zeitraum stark ausgeweiteten dezentralen Energieerzeugung zugeschrieben.[2] Weiter lässt sich z.B. durch die Kombination von Windkraft- und Photovoltaikanlagen mit regelbaren Biomassekraftwerken die variable Stromeinspeisung der beiden erstgenannten Erzeugungsarten verstetigen.

Häufig wird die dezentrale Stromerzeugung als Teilaspekt der Energiewende aufgefasst und mit der Umstellung von fossil-nuklearen Energieerzeugung auf Erneuerbare Energien in Verbindung gebracht. Beides ist jedoch nicht zwingend miteinander verknüpft. So können z.B. Blockheizkraftwerke sowohl mit erneuerbarem Biogas als auch mit fossilem Erdgas betrieben werden, zugleich gibt es auch zentrale Ansätze bei der Energiegewinnung aus Alternativen Quellen. Als Beispiele hierfür lassen sich Offshore-Windparks sowie das Desertec-Konzept anführen, bei welchem die Errichtung großer Solarkraftwerke mit Leistungen von einigen Gigawatt in Nordafrika geplant ist.

Seit Anfang 2010 treffen sich Oberbürgermeister von über 20 deutschen Städten zu einem Dialog über strategische Fragen der „Nachhaltigen Stadt“. Die Oberbürgermeister setzen sich auf besondere Art und Weise für eine nachhaltige Entwicklung in ihren Städten ein. Dabei entstanden ist u.a. das Papier "Mit starken Kommunen die Energiewende zur Erfolgsstory machen" zur kommunalen Energiepolitik, um die Energieversorgung zu dezentralisieren.[3]

Gemäß dem Institut für Ökologische Wirtschaftsforschung kamen zwei Drittel der Wertschöpfung durch erneuerbare Energien (2012: 25 Mrd. Euro) Städten und Gemeinden zugute und leiste einen Beitrag zur Entwicklung strukturschwacher Räume. Zudem verteilen sich die Arbeitsplätze erneuerbarer Energien breit über das gesamte Bundesgebiet.[4]

Technologien[Bearbeiten]

Blockheizkraftwerke[Bearbeiten]

Hauptartikel: Blockheizkraftwerk
Das Biomasseheizkraftwerk Baden erzeugt den Strombedarf und Wärmebedarf von 10.000 Haushalten und kann damit die Haushalte von Baden autark versorgen[5]

Dem Vorteil der sehr geringen Transportverluste steht der Nachteil des tendenziell kleineren Stromerzeugungs-Wirkungsgrades bei Kleinkraftwerken in Relation zu Großkraftwerken gegenüber. Dies trifft jedoch nicht bei der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme im Blockheizkraftwerk zu, wo der Gesamtwirkungsgrad bei Ausnutzung beider Energieformen wesentlich höher ist. Biomassekraftwerke und Biogasanlagen werden z. B. am Ort des Primärenergieträgers Biomasse gebaut und vermeiden hohe Transportkosten durch Begrenzung des Einzugsradius. Bei Blockheizkraftwerken kann die Abwärme in Form von Fernwärme genutzt werden.

Kleine Anlagen, wie sie in dezentralen Anordnungen zum Einsatz kommen, führen in der Regel zu höheren spezifischen Investitionssummen. So erreicht die dezentrale Wertschöpfung durch erneuerbare Energien in den deutschen Städten und Gemeinden jährlich annähernd 6,8 Milliarden Euro.[6]

Auch haben diese Anlagen beispielsweise bei einer Kraft-Wärme-Kopplung geringere elektrische Wirkungsgrade, was jedoch durch die Abwärmenutzung in der Regel mehr als ausgeglichen wird. Der Wirkungsgrad bezeichnet den frei verfügbaren Anteil elektrischer Energie und der gegebenenfalls frei verfügbaren Wärmeenergie im Verhältnis zur eingesetzten Primärenergie. Wird die Anlage ohne Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) betrieben, geht der andere Teil der eingesetzten Primärenergie wegen der erzeugten Entropie unwiederbringlich verloren. Mit KWK liegt der Gesamtwirkungsgrad der Anlage in der Regel oberhalb des Wirkungsgrades von zentralen Großkraftwerken, bei denen die entstehende Abwärme oft gar nicht genutzt wird. Bei Blockheizkraftwerken ist damit aufgrund des hohen Nutzungsgrades, bei dem die Primärenergie sowohl in elektrische Energie als auch in Nutzwärme umgewandelt wird, die Effizienz üblicherweise deutlich größer als bei Großanlagen, die keine Kraft-Wärmekopplung haben. So ging z.B. der VDE bereits 2007 davon aus, dass sich durch den Ausbau der dezentralen Energieversorgung die Effizienz von Kraftwerken um 10 % steigern lässt, womit Primärenergie eingespart wird, sich die Abhängigkeit von Energierohstoffimporten verringert und die CO2-Emissionen gesenkt werden können.[7]

Mit dem Wandel des Energieversorgungssystems infolge der Energiewende kommt dezentralen Blockheizkraftwerken auch die Funktion der Bereitstellung von Regelenergie zu, um Strom insbesondere dann zur Verfügung zu stellen, wenn nur wenig Wind- und/oder Solarstrom zur Verfügung steht. Um die Wärmeversorgung trotzdem jederzeit zu gewährleisten, sind die Anlagen mit Wärmepufferspeichern sowie Heizstäben ausgerüstet, sodass auch zur Zeiten, wenn die Einspeisung der volatilen Energiequellen hoch ist und das Blockheizkraftwerk nicht für die Stromerzeugung benötigt wird, Wärme elektrisch erzeugt werden kann.[8] Derart ausgerüstete Blockheizkraftwerke wären in der Lage, je nach Bedarf elektrische Energie zu erzeugen bzw. zu verbrauchen, womit sie eine wichtige Rolle bei der Sicherstellung der Netzstabilität spielen können.

Photovoltaik[Bearbeiten]

Hauptartikel: Photovoltaik
In die Hausfassade integrierte Solarmodule

Durch Photovoltaik wird auf direktem Weg aus elektromagnetischer Strahlung (hier: Sonnenlicht) elektrische Energie erzeugt. Obwohl sie seit 1958 zur Energieversorgung von Raumflugkörpern eingesetzt wird, hat sie bei Stromerzeugung in Deutschland erst durch die Senkung der Anlagenkosten, ausgelöst durch das Energieeinspeisegesetz (EEG), Bedeutung erlangt. Auch wenn es durchaus größere Photovoltaik-Freiflächenanlagen mit einer Peakleistung im hohen zweistelligen MW-Bereich gibt, wird ein großer Teil der Photovoltaikanlagen dezentral errichtet. Klassische Beispiele sind Aufdachanlagen, die auf die Bedachung von Wohn-, Gewerbe- und Industriegebäuden montiert werden und deren Strom zu einem relativ großen Anteil selbst verbraucht wird. Daher ist bei Photovoltaikanlagen eine dezentrale Einspeisung Standard. Während typische Aufdachanlagen von Wohnhäusern in der Regel nur wenige kW-Peak leisten, reicht die Peak-Leistung von Solaranlagen auf Industrie- und Gewerbegebäuden bis in den MW-Bereich.[9] Auch kleinere Freiflächensolarparks erzeugen dezentral elektrische Energie. Lediglich größere Photovoltaik-Freiflächenanlagen markieren den Übergang zu zentraler Stromversorgung.

Bei Photovoltaikanlagen kann zwar die Stromerzeugung allgemein sicher prognostiziert werden, sie sind allerdings derzeit (2012) nur selten mit Speichermöglichkeiten gekoppelt und nicht regelbar. Sie eignen sich daher nicht als alleinige Stromerzeuger, sondern arbeiten im Verbund mit anderen Stromerzeugern. Durch Photovoltaik wird allerdings auch ausschließlich tagsüber, zur Hauptbedarfszeit, Strom erzeugt. Daher ist der Nahverbrauch des erzeugten Stromes gesichert. Selbst in den Wintermonaten, bei deutlich geringeren erzeugten Strommengen, entlastet die Photovoltaik tagsüber die anderen Erzeuger sowie die Übertragungsnetze und dämpft die Preise für Spitzenlaststrom.

Der Chef des Tennet-Übertragungsnetzes Martin Fuchs äußerte sich dazu im Februar 2012: "Mittags speisen die Anlagen in unserem Netzgebiet zurzeit mit einer Leistung von etwa 5000 Megawatt ein. Das dämpft den zuletzt starken Anstieg des Strompreises an der Börse. Während der Spitzenlast in den frühen Abendstunden fällt die Fotovoltaik jedoch naturgemäß aus. Immerhin kann die Leistung mancher Speicherkraftwerke am Mittag zugunsten der frühen Abendstunden gedrosselt werden."[10] Ähnlich äußerten sich auch andere Netzbetreiber zu den Einflüssen der dezentralen Stromerzeugung durch Photovoltaik[11].

Um die starken regionalen Schwankungen bei der PV-Stromerzeugung zu verringern und den Anteil des direkten Selbstverbrauches (s.a. Eigenverbrauch) zu erhöhen, wurden Solarwechselrichter mit integrierten Speicherakkumulatoren entwickelt (s.a. Solarbatterie). Durch diese Hybridwechselrichter ergibt sich außerdem die Möglichkeit der unterbrechungsfreien Stromversorgung und damit eine Erhöhung der Versorgungssicherheit der Stromkunden. Die Netzeinspeisung durch dezentrale PV-Stromerzeugung wird geglättet und der dezentrale Selbstverbrauch optimiert[12][13]. Diesen dezentralen Kleinspeichern für elektrische Energie wird zusammen mit anderen Speichertechnologien sowie dem Ausbau der regenerativen Stromerzeuger und der Stromnetze eine zentrale Rolle bei der Energiewende zugewiesen (s.a. Energiespeicher).

Windenergie[Bearbeiten]

Hauptartikel: Windenergie

Windenergie wird mittels Windkraftanlagen erzeugt. Dies geschieht meist dezentral. Ein Offshore-Windpark müsste man eher als zentrale Stromerzeugung betrachten. Während onshore Windparks meist kleiner sind und deshalb eher dezentral Strom erzeugen.

Wasserkraft[Bearbeiten]

Hauptartikel: Wasserkraft

Wasserkraft wird in Wasserkraftwerken produziert. Wasserkraftwerke können als Kleinwasserkraftwerke dezentral produzieren, an großen Flüssen befindliche Wasserkraftwerk sind eher der zentralen Stromerzeugung zuzuordnen. Die größten Wasserkraftwerke der Erde sind zugleich die größten Kraftwerke überhaupt. Das geplante Grand Inga, dann das größte Wasserkraftwerk der Erde, verfügt z.B. über eine Leistung von 40 GW, was in etwa dem Strombedarf von Deutschland an schwachen Tagen entspricht.

Stromtransport[Bearbeiten]

Durch eine dezentrale Stromerzeugung und den Verbrauch vor Ort, muss der Strom weniger weit transportiert werden. In Deutschland machen die Transportkosten von Strom mehr als 20 Prozent des gesamten Strompreises aus. Durch eine dezentrale Stromerzeugung können somit Transportkosten gespart werden, zugleich steigen die Kosten für die Stromspeicherung jedoch an.

Stromspeicher[Bearbeiten]

Hauptartikel: Energiespeicher

Mit Hilfe von Stromspeichern kann dezentral produzierter Strom dezentral gespeichert werden und nach Bedarf dann auch dezentral verbraucht werden. Energiespeicher stehen in vielen Größen bereit, wie etwa Pumpspeicherkraftwerke (s.a.Speicherkraftwerk), die Strom in großen Mengen speichern können , aber auch als Akkusysteme z. B. Solarbatterien, die die Speichermenge bis hin zum Hausverbrauch regeln können.

Organisationsstruktur[Bearbeiten]

Eine dezentrale Stromerzeugung weist viele Organisationsstrukturen auf. Da gibt es z. B. den einzelnen Hausbesitzer, der durch Eigenverbrauch u.a. eine gewisse Energieautarkie anstrebt. Es gibt ganze Dörfer, die sich z. B. in Bioenergiedörfern zusammenschließen. Auch gibt es eine Vielzahl von Bürgerenergiegenossenschaften, die eine unabhängige Energieversorgung anstreben.

Literatur[Bearbeiten]

  • Jürgen Karl, Dezentrale Energiesysteme. Neue Technologien im liberalisierten Energiemarkt, Oldenbourg, München 2012, ISBN 978-3-486-70885-1.
  •  Siegfried Heier: Windkraftanlagen, Systemauslegung, Netzintegration und Regelung. 4. Auflage. B.G. Teubner, Stuttgart 2005, ISBN 3-519-36171-X.
  •  Erich Hau: Windkraftanlagen. Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. 3. Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3540428275.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2012, S. 30. Internetseite der AG Energiebilanzen. Abgerufen am 7. November 2013.
  2. Infographics by Thomas Gerke. In: Renewables International, 7. November 2013. Abgerufen am 7. November 2013.
  3. Papier "Mit starken Kommunen die Energiewende zur Erfolgsstory machen" (PDF; 3,3 MB)
  4. Institut für Ökologische Wirtschaftsforschung: Wertschöpfungs- und Beschäftigungseffekte durch den Ausbau Erneuerbarer Energien. 2013 (PDF; 864 kB)
  5. Andreas Oberhammer, Systemoptimierung eines Biomasse-Heizkraftwerkes auf den regionalen Energiebedarf einer Kommune – Praxisbeispiel, 2006
  6. Institut für ökologische Wirtschaftsforschung, 22. September 2010: Kommunale Wertschöpfung durch Erneuerbare Energien, Dezentraler Ausbau Erneuerbarer Energien bringt Wertschöpfung in Milliardenhöhe für Städte und Gemeinden, abgerufen: 14. März 2011
  7. Pressemitteilung des VDE: VDE-Studie: Dezentrale Energieversorgung 2020, abgerufen am 27. Januar 2012.
  8. Strukturwandel im Strom- und Wärmemarkt. In: VDI nachrichten, 9. März 2012. Abgerufen am 9. März 2012.
  9. 5 MW-Kraftwerk bereits das zweite Conergy-Großprojekt fürs italienische Messezentrum. Internetseite von Conergy. Abgerufen am 25. Februar 2012.
  10. Manager Magazin, 7. Februar 2012: Tennet-Chef zur Blackout-Gefahr, eingefügt 25. Februar 2012
  11. taz, 3. Februar 2012: Energiewende im Praxistest – Atomkraft an die Wand geblasen, eingefügt 25. Februar 2012
  12. Satcon Technology Corporation: PowerGate 100-kW-Solar-PV-Hybridwechselrichter, aufgerufen 25. Februar 2012
  13. Voltwerk electronics GmbH: Voltwerk VS 5 Hybrid, vollintegriertes Energiemanagementsystem, aufgerufen am 23. Januar 2012