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11 | 2015

Special Die

Special Die Energieversorgung Deutschlands Bild 3 Anteil des Stromverbrauchs der Nachtspeicherheizungen und Wärmepumpen am Stromverbrauch der privaten Haushalte in den dena-Netzregionen (Quelle: FfE). brauch und Erzeugung von Energie lokal auszubalancieren – eine Art Energiewende „von unten“. Dadurch soll der Austausch mit benachbarten Zellen und Regionen möglichst gering gehalten werden – bei entsprechend niedrigem Bedarf an Leitungskapazitäten. Verbunden mit dieser Idee ist der weitgehende Gebrauch von neuen Technologien zur Erzeugung, Wandlung und Speicherung von Energie in der jeweils günstigsten Form, soweit diese Technologien heute bereits einsetzbar beziehungsweise ihre Anwendung absehbar sind. Die so genannten Energiezellen bilden Einheiten, bei denen der Energiehaushalt sowie der Energieaustausch untereinander plan- und steuerbar sind (Bild 4). Hier wird elektrische Energie erzeugt und weitestgehend direkt verbraucht oder gespeichert, ohne überhaupt in das Gesamtnetz eingespeist zu werden. Denn die effizienteste Lösung besteht darin, den Strom dort zu verbrauchen, wo er generiert wird: Bild 3 auf der lokalen Versorgungsebene. Die lokalen Zellen sind durch Energie- und Kommunikationsnetze miteinander verbunden und können so übergeordnete größere Energiezellen aufbauen (Bild 5). Diese größeren Gebilde besitzen die in der Studie beschriebenen Schnittstellen und Eigenschaften. Das Zusammenfassen von Energiezellen erfolgt dabei über mehrere Ebenen. Der zellulare Ansatz ist sowohl auf kleine als auch auf größere Einheiten und Systeme anwendbar. Eine vollständige Energiezelle besteht aus den Komponenten Erzeuger, Wandler, Speicher, Netzanschluss, Last sowie schutz- und leittechnische Einrichtungen. Energieübertragung zwischen den Zellen bleibt erforderlich Aus energetischer Sicht gibt es unterund überbilanzierte Energiezellen sowie als Idealfall ausbilanzierte Energiezellen, wobei dies nicht für alle Zellen aufgrund unzureichender lokaler Erzeugung möglich ist. Diese unterbilanzierten Zellen benötigen den Ausgleich von überbilanzierten Zellen. Damit wird klar, warum auch im zellularen Ansatz eine Energieübertragung zwischen mehreren Zellen notwendig bleibt. Zellulare Ansätze werden heute zum Beispiel in der Kommunikationstechnik erfolgreich angewendet. Entsprechend diesem Vorbild wird im Energiebereich in Zukunft das Gleichgewicht zwischen lokaler Erzeugung und Verbrauch auf den niedrigsten machbaren Ebenen angestrebt. „Diese niedrigste Ebene kann sogar ein einzelner Haushalt sein“, sagt Prof. Peter Schegner, Direktor des Instituts für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik der Technischen Universität Dresden. Hierdurch ergeben sich wesentliche Chancen, den Besonderheiten regenerativer Energiequellen gerecht zu werden und diese bestmöglich in das Energieversorgungssystem zu integrieren. Die Untersuchungen der ETG-Studie haben gezeigt, dass sich durch die lokale Bilanzierung der Erzeugung und des Verbrauchs in den einzelnen Energiezellen der Energieübertragungsbedarf erheblich reduziert. Durch den zellularen Ansatz entstehen aktive Teilsysteme, die auf die Anforderungen des übergeordneten Gesamtsystems in geeigneter Weise reagieren können. Hierdurch ergeben sich neue Optionen für den Betrieb von Energiesystemen. Diese reichen von der Bereitstellung von Systemdienstleistungen bis hin zum temporär autarken Betrieb von Teilsystemen. „Dieses Konzept erhöht inhärent die Robustheit des Systems und die Versorgungszuverlässigkeit“, so Speh. Das Konzept des zellularen Ansatzes zeichnet sich dadurch aus, dass es sowohl offen für alle Energieträger als auch für neue Technologien ist. Die technische Umsetzung ist unabhängig von genutzten Energieträgern wie zum Beispiel Gas oder Elektrizität und den angewandten Energiewandlungs- und -speichertechnologien. Jeder Energieträger hat spezifische Vor- und Nachteile, die im Rahmen des zellularen Ansatzes optimal genutzt werden sollen. Elektrische Energie hat so grundsätzlich Pluspunkte bei der einfachen Umwandlung in alle anderen Energieformen, die zudem mit guten Wirkungsgraden gelingt. Der große Nachteil besteht allerdings darin, dass elektrische 10 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 11

Die Energieversorgung Deutschlands Special Bild 4 Technologieportfolio für den Zellularen Ansatz. Energie nicht gut gespeichert werden kann und daher andere Energieformen dafür angewendet werden müssen. Ein spezielles Problem der Energiewende liegt in der geringen Akzeptanz beim Neubau zusätzlicher Stromleitungen. Gas als Energieträger ist dagegen sehr leicht zu speichern. Kurzzeitige Schwankungen der Leistung können direkt durch das inhärente Speichervermögen des Gasnetzes gepuffert werden. Langzeitspeicher für Gas sind einfach zu realisieren. Der Hauptnachteil besteht darin, dass Gas nur mit vergleichsweise schlechtem Wirkungsgrad in Elektrizität umgewandelt werden kann. Zudem muss regenerative Energie erst mit dem Umwandlungsschritt Elektrolyse in Gas umgewandelt werden – mit entsprechenden Effizienzverlusten. Thermische Energie kann einfach und kostengünstig gespeichert werden. Nachteilig ist, dass eine Umwandlung in eine andere Energieform mit nur geringem Wirkungsgrad möglich ist und außerdem eine Übertragung über mittlere bis weite Strecken nicht sinnvoll ist, weil die Verluste sehr hoch sind. Durch Nutzung geeigneter Wandlungstechnologien kann der für die jeweilige Aufgabe optimale Energieträger eingesetzt werden. Dabei können sowohl großtechnische Lösungen in übergeordneten Energiezellen als auch technische Lösungen auf lokaler Ebene angewendet werden. Der zellulare Ansatz erhöht die Akzeptanz für die Energiewende Der zellulare Ansatz stellt durch seinen lokalen Charakter einen direkten Bezug zwischen den Anwendern und der für die Energieversorgung notwendigen Technik her. Darüber hinaus besitzen die Anwender auf dieser lokalen Ebene durch die Flexibilität des Systems ein hohes Maß an Selbstbestimmung. Sie können selbst entscheiden, welche Technologien in welchem Maße eingesetzt und in welchem Umfang systemstützende Dienstleistungen aus den Energiezellen heraus angeboten werden. Vor allem wird mit der Reduzierung der Residuallast der Energiezellen die erforderliche Energieübertragung vermindert. Der hier vorgesehene Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch ist jedoch mit Energiezellen, in denen Industrie und Gewerbe sowie dichte Wohnbebauung angesiedelt sind, in der Regel nicht möglich, der Normalfall sind hier Energieimporte. In diesem Sinne ist der Bild 5 zellulare Ansatz Grundlage für eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung. Durch technische Innovationen könnte er auch für den weiteren Aufschwung der erneuerbaren Energien sorgen. Zudem sollte dieser neue Ansatz auch die Basis für eine höhere Akzeptanz der Energiewende legen und die Konvergenz der Energieträger fördern. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass die zellulare Sichtweise das wirtschaftliches Wachstum und neue Marktmodelle beflügeln dürfte. Aus den Ergebnissen der Studie zum zellularen Ansatz lassen sich folgende Handlungsempfehlungen ableiten: Entwicklungspläne für zukünftige Energienetze in allen Ebenen müssen sämtliche Energiearten wie Strom, Gas, Wärme und so weiter übergreifend berücksichtigen. Die Entwicklung von Speichertechnologien in einem großen Energiespektrum muss weiter unterstützt werden, um die Integration erneuerbarer Energien in das Bild 4 Energiesystem voranzubringen. Auch die Entwicklung von Technologien zur effizienten Wandlung muss weiter gefördert werden, um die Vorteile verschiedener Energieformen zu nutzen. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um bei einer Umsetzung des zellularen Ansatzes inklusive der Entscheidungsfreiheiten auf Zell ebene Fragen der Verantwortung für Planung und Betrieb des Gesamtsystems zu klären. „Darüber hinaus schlagen wir Felderprobungen zur Machbarkeit des zellularen Ansatzes vor“, so Schegner. Mit den drei Studien hat die ETG neue Impulse für die Energiewende gesetzt. Damit weist die Fachgesellschaft auch der Politik einen Weg, wie die Hürden abzubauen sind, die noch immer die Energiewende behindern. In jedem Fall sind Speicher, Stromheizungen und der zellulare Ansatz wichtige Instrumente, um die Energiewende zu bewältigen. Denn viele richtungsweisende Entscheidungen müssen heute oder zumindest bald gefällt werden, wenn die Energiewende bis 2050 erfolgreich bewältigt werden soll. Gerade bei Investitionen in die Infrastruktur ist langfristiges Denken zwingend erforderlich. i Bild 5 Prinzipielle Struktur einer Energiezelle. Klaus Jopp klaus.jopp@wiwitech.de BWK Bd. 67 (2015) Nr. 11 11

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