Wärmeversorgung in Dänemark - Hintergrund 2019
- Peter Ritter, Ramboll Beratung Energiesysteme

Die Energieversorgung der privaten Nutzer und der Wirtschaft erfordert einen erheblichen Einsatz von Rohstoffen. Für die Gewinnung von Energie werden bisher in Deutschland zu einem wesentlichen Teil fossile Energiequellen (Kohle, Erdgas, Erdöl) eingesetzt. Diese werden in Strom oder Wärme umgewandelt oder als Kraftstoff im Verkehr genutzt.
Die Unterbrechung der Lieferketten aufgrund der Corona-Pandemie, die Sanktionen aufgrund des Ukrainekriegs und die Energiewende beschleunigen den Weg zu den Erneuerbare Energien (Windkraft, Photovoltaik, Wasserstoff, Biogas), die jetzt kurzfristig zum wichtigsten Energieträger werden sollen. Außerdem wird ein erhebliches Umdenken nicht nur in der Politk, sondern vor allen Dingen auch in der Bevölkerung und Industrie notwendig sein, um das Erreichen der Klimaziele zu erreichen.

Dringend ist ein Ende der Regulierungswut sowie ein Aussetzen zeitraubender Genehmigungsverfahren notwendig.

Um die Energiewende zu schaffen, muss neben der Regulierungswut und den zeitraubenden Genehmigungsverfahren das Energiesystem neu gedacht werden. Dabei spielen in der Zukunft die digitalen Daten im Energiesystem eine entscheidene Rolle. Da das zur Zeit vorhandene Energiesystem keine elektrische Energie im Netz speichert, müssen das Angebot und die Nachfrage von Energie immer wieder aus- bzw. angeglichen werden. Die Kraftwerke müssen möglichst sofort mehr Leistung zur Verfügung stellen. Diese Bereitstellung von Leistungsreserven ist jahrzehntelang erprobt und funktioniert sehr gut, wenn diese vornehmlich aus Kernkraftwerken, Braunkohle- und Steinkohlekraftwerken, Gaskraftwerken oder Pumpspeicherkraftwerken stammen.
Da das aber bei den regenerativen Energien nicht mehr ohne weiteres möglich ist, weil die Sonne und der Wind nicht genauso funktioniert. Die vielen kleinen Solaranlagen auf Gebäuden, die Solarparks, die Windkraftanlagen auf dem Land und im Meer mit den Haushalten und der Industrie zusammengebracht werden. Das kann nur mit neuen Speicherkonzepten und intelligenten Stromnetzen erreicht werden. Dies ist nur durch die Digitalisierung der Netze und der Verbraucheranlagen erreichbar.

Nur mit neuen Technologien und innovativen Ideen kann der Ausbau der Erneuerbaren Energien in der Stromversorgung beschleunigt werden und die Dekarbonisierung in anderen Sektoren gelingen. Neue Schlüsseltechnologien werden die Energiewende in den nächsten Jahren nachhaltig prägen.

Schlüsseltechnologien sind beispielsweise:

Weiterentwicklungen der Solar Photovoltaik
Hier sind die Entwickler insbesondere in der Implementierung von bifazialen Modulen, die auf der Vorder- und Rückseite Solarzellen haben sowie neuen Zelltechnologien, die eine höhere Leistung und Zuverlässigkeit mit sich bringen, und der Erschließung neuer Bereiche zur Installation von Solarmodulen, z. B. in der Landwirtschaft. All diese Ansätze ermöglichen eine besonders effiziente Nutzung von Flächen.

Schwimmende Windkraftanlagen (Floating-Wind Technologie) in Offshore-Windparks
Schwimmende Windräder sind eine der spannendsten Innovationen der Windbranche und eröffnen der Windkraft auf See ganz neue Möglichkeiten. Denn Turbinen mit festen Fundamenten können im Meer nur in Tiefen bis zu 60 Metern betrieben werden. Das grenzt die geeigneten Standorte ein, weil in vielen Küstengebieten die Wassertiefe rapide zunimmt und schnell einige hundert Meter Tiefe erreicht.
Mit der sogenannten Floating Technologie können Windturbinen auf schwimmenden Fundamenten installiert und damit auch in tieferen Wasserregionen betrieben werden. Die Türme und Rotoren, die häufig hunderte von Tonnen schwer sind, werden dabei mit Schwimmkörpern aus Stahl und Beton über Wasser gehalten. Diese können bis zu 80 Meter in die Tiefe ragen und sind mit Seilen am Meeresboden befestigt.

Hochspannungs-Gleichstrom-Netze von Offshore-Windparks
Nachhaltiger Strom wird häufig in eher abgelegenen Regionen produziert (z. B. in Offshore-Windparks) viele Kilometer vor der Küste. Um die Energie in die Stromnetze integrieren zu können, ist ein eng vernetztes Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Netz notwendig. Denn die Übertragung großer Mengen Energie über weite Entfernungen erfordert hohe elektrische Spannungen. Dafür wird Hochspannung zur Übertragung durch Leistungstransformatoren erzeugt und über Kabel übertragen. An der Endstelle (z. B. an der Küste) wird die Energie in Umspannwerken wieder in niedrigere Spannungen zurücktransformiert und kann dann in das Stromnetz eingespeist werden.

Grüner Wasserstoff
Grüner Wasserstoff ist einer der größten Hoffnungsträger der Energiewende. Gerade im Industriesektor soll er fossile Brennstoffe ersetzen und damit erheblich zur Emissionsreduzierung in Bereichen beitragen, in denen eine direkte Dekarbonisierung schwierig ist. Eine nachhaltige Wasserstoffproduktion ist durch Elektrolyseprozesse möglich. Bei diesem Verfahren wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgesplittet. Stammt der Strom aus Erneuerbaren Energien, ist die Produktion emissionsfrei und der Brennstoff gilt als „grün“.
Zusätzlich ermöglicht die Erzeugung von Wasserstoff, Erneuerbare Energien über lange Zeit in großen Mengen zu speichern und über weite Strecken zu transportieren. Besonders effizient ist die Wasserstoffproduktion also direkt dort, wo Erneuerbare produziert werden (beispielsweise am RWE Kraftwerkstandort in Eemshaven). Dort liefert ein direkt angrenzender Onshore-Windpark den nachhaltigen Strom für die Elektrolyse. Aber auch an vielen anderen Standorten weltweit sollen in Zukunft Wasserstoffzentren entstehen.

Pipelines für kohlenstoffarme Gase
Transportleitungen spielen auch in der Energiewende eine zentrale Rolle. Denn grüner Wasserstoff muss nach der Produktion an die Endverbraucher weiterverteilt werden. Ebenso muss Kohlenstoff, der in Industrieprozessen eingefangen wurde und gespeichert oder weiterverwendet werden soll, zum Speicher- oder Nutzungsort transportiert werden. Um diese Gase sicher zu transportieren, braucht es ein gut ausgebautes Pipeline-Netzwerk. Eine Infrastruktur, die nicht komplett neu geschaffen werden muss, weil auch existierende Pipelines sollen dafür umfunktioniert werden.
Doch die Gase bringen neue Herausforderungen für den Transport mit sich. Wasserstoffatome sind zum Beispiel sehr klein und können schnell aus Leitungen austreten. Eine mögliche Lösung ist, Wasserstoffleitungen durch Schweißnähte zu verbinden und abzudichten. Mit solchen Anpassungen ließe sich bestehende Infrastruktur nutzen, anstatt ein komplett neues Netz zu bauen.

Neue Batterie-Technologien
Lithium-Ionen-Batterien sind ein Grundpfeiler der heutigen elektronischen Gesellschaft und werden wohl auch in Zukunft als Batteriespeichermethode dominieren. Die Technologie ist gerade für den Bau von Elektroautos zentral. Wissenschaftler forschen aber auch an alternativen Speichermethoden. Ein besonders vielversprechender Ansatz sind sogenannte Flow-Batterien, auch Flussbatterien genannt, bei denen elektrische Energie in chemischen Verbindungen gespeichert wird. In zwei miteinander verbundenen Behältern befinden sich unterschiedliche Elektrolyte. Durch den Austausch von Ionen zwischen beiden Behältern wandelt sich elektrische Energie in chemische Energie um und die Batterie lädt sich auf. Entlädt sich die Batterie kehrt sich der Prozess um und erzeugt wieder elektrischen Strom.

Neue Schifffahrts-Innovationen
Innovationen wie der Einsatz von Brennstoffzellen könnten die hohen Emissionen in der Schifffahrt reduzieren. Sie werden mit alternativen Brennstoffen wie Wasserstoff angetrieben. Durch die chemische Reaktion von Sauerstoff mit einem kontinuierlich zugeführten Brennstoff entsteht in den Brennstoffzellen elektrische Energie. Wird Wasserstoff als Brennstoff genommen, entstehen durch die Reaktion mit Sauerstoff keine zusätzlichen CO2-Emissionen. Bei grünem Wasserstoff ist der Antrieb sogar komplett emissionsfrei. Aufgrund ihrer noch hohen Kosten und wegen Nachteilen in Bezug auf die Haltbarkeit ist diese Technologie momentan besonders für Kurzstreckenschiffe wie Fähren oder Kurzstreckentransporter geeignet. Wie sie auch auf längeren Fahrten eingesetzt werden kann, wird aber parallel erforscht.

Kohlenstoffabscheidung und -speicherung
Das Einfangen von Kohlenstoffdioxid – entweder direkt bei der Abgabe in Industrieanlagen oder die Entnahme aus der Atmosphäre – wird von Experten als zentral für das Erreichen der Klimaziele bis 2050 angesehen. Gerade in Industriesektoren, in denen es für die nahe Zukunft noch keine emissionsreduzierten Alternativen geben wird, sollen entsprechende Technologien zum Einsatz kommen.
Kohlenstoff kann am besten durch chemische oder physikalische Lösungsmittel in einem Adsorptions-Desorptions-Kreislauf eingefangen und gefiltert werden. Dabei werden die Moleküle des Gases an einer festen Oberfläche angelagert. Daraufhin müssen sie entweder weiterverwendet werden, zum Beispiel für synthetische Kraftstoffe oder chemische Produkte, oder permanent gespeichert werden. Hierfür sind nicht nur große Speicherkapazitäten notwendig, sondern es muss auch eine weitreichende Infrastruktur für den Transport zu den Speicheranlagen geschaffen werden – entweder durch Pipelines oder Schifftransport.

Energie und Rohstoffe aus Abfall (Waste to fuel)
Selbst in unserem häuslichen Müll steckt noch eine Menge Energiepotential: Aus kommunalen Abfällen lassen sich sowohl Strom und Wärme als auch Brennstoffe, wie Methan oder Biodiesel gewinnen. Die Verfahren bezeichnet man als waste-to-energy (Energie aus Abfall) oder waste-to-fuel (Kraftstoff aus Abfall).
Ein Großteil des weltweiten Siedlungsabfalls lagert auf Deponien. Dort zersetzt er sich langsam. Ein Prozess, bei dem Deponiegase entstehen, die sich hauptsächlich aus Methan und Kohlenstoffdioxid zusammensetzen. Fängt man diese Gase ein und befreit sie vom CO2, können sie als Komponenten für die Produktion von Biogasen wie Biomethan genutzt werden. Biomethan kann dann wiederum für die Produktion von Wärme in Heizkraftwerken oder als Treibstoff für Fahrzeuge eingesetzt werden.
Eine andere Art der Entsorgung ist die Müllverbrennung. Auch dabei entsteht Energie, und zwar in Form von Wärme. Diese kann für die Fernwärmeversorgung oder Stromproduktion genutzt werden und gilt, je nach Zusammensetzung des Abfalls, als emissionsarm oder sogar emissionsfrei. Das liegt daran, dass die biogenen Bestandteile des Abfalls bereits CO2 aufgenommen haben und bei der Verbrennung nur dieselbe Menge wieder ausgestoßen wird.
Quelle: RWE AG

Diese Technologien werden die Energiewende begleiten - RWE Aktiengesellschaft

Energieerzeugung - Statistisches Bundesamt (Destatis)
Wie sieht die Energieversorgung der Zukunft aus?
- Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V.
Energiewende - Bundesministerium für Bildung und Forschung
Digitalisierung - BDEW / Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.
Deutschlands Energieversorger werden digital - PricewaterhouseCoopers GmbH
Klimaanpassungsgesetz

Kraftwerke

Nur ca. 40 % der eingesetzten Energie kommt beim Verbraucher an

Ein Kraftwerk (Stromerzeugungsanlage) ist eine Anlage, die nur Strom erzeugt. Solche Anlagen werden auch als Wärme- oder Kondensations-Kraftwerke bezeichnet, da die Stromproduktion über den Umweg Wärmeerzeugung realisiert wird. Die anfallende Abwärme muss, wenn sie nicht anderweitig genutzt werden kann, durch Kühlanlagen (z. B. Kühlturm) mittels Kondensation gekühlt werden, also vernichtet werden muss.
Das Prinzip der Stromgewinnung ist bei allen Kraftwerktypen ähnlich. Aber es gibt erhebliche Unterschiede zwischen einem Kohle-, Gas-, Öl-, Solar-, Wasser-, oder Kernkraftwerk. Dazu gehören nicht nur die Kosten, sondern auch die mit der Stromgewinnung verbundenen Belastungen für die Umwelt, der Gesundheit und des soziales Zusammenlebens.

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Kraft-Wärme-Kopplung / Wärme-Kraft-Kopplung / Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bzw. Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) ist die gleichzeitige Umwandlung von Primärenergie in mechanische oder elektrische Energie und Nutzwärme. Sie ist das effizienteste Prinzip zur energetischen Nutzung von fossilen oder erneuerbaren Brennstoffen. Denn im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken, welche die bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen unweigerlich entstehende Wärme über Kühltürme oder durch die Einleitung in Gewässer ungenutzt entsorgen, wird bei Einsatz von KWK die entstehende Wärme sinnvoll genutzt.
Viele große Kraftwerke erzeugen Strom, bei denen von der eingesetzten Primärenergie im Schnitt nur 38 % in Strom umwandelt werden. 62 % der Ursprungsenergie fallen als Wärme an, die oftmals nicht genutzt wird und z. B. über Kühltürme abgeführt wird. Um neben dem Strom auch die Wärme nutzen zu können, braucht man kleinere Kraftwerkseinheiten, die dezentral in der Nähe der Wärmeabnehmer arbeiten.
Typische Einsatzgebiete von KWK-Anlagen sind:

• Mehrfamilienhäuser
• Wohnsiedlungen
• Bürogebäude
• Krankenhäuser
• Industrie- und Gewerbebetriebe

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Windkraftanlagen

Die Windkraft bzw. Windenergie ist eine der Säulen der Energiewende. Diese erneuerbare bzw. regenerative Energie leistet in Deutschland den größten Beitrag zur Stromerzeugung. Die deutsche Windindustrie gehört zu den Technologie- und Weltmarktführern. Das Potenzial der Windenergie ist noch nicht ausgeschöpft. Vor allem der Austausch älterer Onshore-Anlagen durch moderne, leistungsfähigere Anlagen ("Repowering") und die Windenergienutzung auf dem Meer ("Offshore") bieten Perspektiven für den weiteren Ausbau.
Eine Umfrage der FA Wind (Oktober 2018) zeigt, dass die Akzeptanz der vorhandenen Windenergieanlagen im direkten Wohnumfeld mit 78 % "eher" oder "voll und ganz" einverstanden sind. 13 % sind mit den Anlagen in ihrem direkten Wohnumfeld "eher nicht", 7 % "überhaupt nicht" einverstanden. 69 % ohne Windenergieanlangen im Wohnumfeld hätten "weniger große" (41 %) oder "gar keine" Bedenken (28 %), falls dort Windenergieanlagen gemäß der aktuellen Genehmigungspraxis gebaut werden sollten. Die Einsprüche gegen den Bau von Windenergieanlagen kommen von der Minderheit, haben aber einen großen Einfluss auf die Genehmigung bzw. den Bau dieser Anlagen. Es gibt aber auch regionale Umfragen, die nicht so positiv aussehen.

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Photovoltaikanlagen

Photovoltaik-Freiflächenanlage an der Bahnstrecke - Garding - St.Peter-Ording

Die Stromerzeugung durch die Sonne unterscheidet zwischen der direkten (Photovoltaik-Technologie) und der indirekten (thermische bzw. solarthermisches Kraftwerk) Nutzung der Sonnenenergie. Bei der Photovoltaik-Technologie wird das Sonnenlicht direkt in den Solarzellen in Strom umgesetzt. In den solarthermischen Kraftwerken wird die Wärme der Sonne über Absorber als primäre Energiequelle verwendet..

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Wasserstoffnutzung

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Kraftwerke: konventionelle und erneuerbare Energieträger - Umweltbundesamt
Öffentliche Nettostromerzeugung in Deutschland in 2022
- energy-charts.info - Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Strom- und Wärmeversorgung in Zahlen - Umweltbundesamt

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