Teil 2
Europäische Union – Die Energieversorgung im Mittelpunkt
Prof. Dr. – Ing. Marcel Oberweis
Im Teil 1 wurden die wichtigsten Kernpunkte der zukünftigen Energie- & Klimaschutzpolitik auf EU-Ebenen erläutert. Die Nutzung der erneuerbaren Energien u.a. die Windenergie, die Wasserkraft, die Solarenergie und die Biomasse stehen im Mittelpunkt des Teils 2. Mit der Aussage des US-amerikanischen Schriftstellers John Irving möchte ich diesen Teil beginnen: „Die Zukunft der Menschheit hängt nicht mehr davon ab, was sie tut, sondern mehr denn je davon, was sie unterlässt.“
Die Wasserkraft, die Windenergie, die Solarenergie die Biomasse und die Biomasse sind die erneuerbaren Energien, die in der Europäischen Union, welche einen wachsenden Anteil am Energieverbrauch sichern. Neben der Erzeugung in dezentralen Anlagen, bedarf es der Übertragungsnetze zu den Verbrauchern und zusätzlich der Energiespeicher, um die überschüssige Energie für Zeiten mit hohem Verbrauch zu lagern. Die kommenden Jahrzehnte werden durch den massiven Umbau der Energieversorgung geprägt sein, gilt es doch neue Technologien in das bisherige System einzuweben. Bedingt durch den Anteil von Informatik wird nunmehr von der intelligenten Energieversorgung gesprochen.
Es heißt nun, rechtzeitig die Weichen für die weitere wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung richtig zu stellen, damit die langfristigen Ziele im Klimaschutz konsequent erreicht werden können. Die hier dargelegten Elemente der intelligenten Energiewende stellen einen wichtigen Beitrag dar – dies angesichts der Tatsache, dass die bisherige auf fossilen und atomaren Energieträgern beruhende Energieversorgung in einem wachsenden Maß durch die erneuerbaren Energieträger abgelöst wird.
Die Nutzung der Windenergie aus dem offshore-Küstenbereich
Die verstärkte Nutzung der Windenergie im nordwestlichen offshore-Bereich und die Solarenergie in den südlichen EU-Mitgliedsländern sowie der Biomasse u.a. in den Visegrad-Staaten stellt eine wichtige Komponente des sich aufbauenden europäischen Energiebinnenmarktes dar. Um die geforderten Energieziele zu erreichen, wurde in Brüssel auf Drängen der Energieminister aus Deutschland, Frankreich und den Beneluxstaaten das Konzept der „offshore“-Windenergienutzung (Forum pentalatéral) bereits am 5. Dezember 2005 ins Leben gerufen. Mittlerweile haben sich Schweden, Großbritannien, Dänemark und Irland dem Verbund angeschlossen, mit Norwegen, der Schweiz und Österreich sind weitere wichtige Partner beigetreten, da diese über die benötigten Speicherkapazitäten verfügen. Diese „offshore“-Initiative, wohl technisches Neuland für die Unternehmen und die Energieversorgungsunternehmen, kann nun erste konkrete Erfolge vorlegen, haben doch Deutschland, Belgien, die Niederlanden und Großbritannien die ersten Windparks im Meer errichtet.
Neben der Windenergie kommt der Wasserkraft eine entscheidende Rolle zu, da sie unvergleichlich effizient ist und zuverlässig zur Verfügung steht. Ihre Nutzung wurde bis dato aufgrund der verschiedenen geografischen Voraussetzungen und den technologischen Kenntnisstand unterschiedlich durchgeführt. Das Potenzial der Wasserkraft in den westeuropäischen Industrienationen nahezu erschöpft, aber in anderen EU-Staaten bieten sich noch gute Ausbaumöglichkeiten. Mit rund 70 Prozent Anteil an den Erneuerbaren Energien ist Wasserkraft die wichtigste regenerative Energiequelle in der Europäischen Union. Laut Studien werden 19 Prozent der elektrischen Energie in der Europäischen Union aus Wasserkraft gewonnen – das technisch wirtschaftliche Potenzial von 870 TWh/a wird zu etwa 64 Prozent ausgeschöpft. Die Wasserkraft steuert 70 Prozent an erneuerbarer eklektischer Energie in der Europäischen Union bei. 1)
Die Biomasse ist ebenfalls eine erneuerbare Energiequelle, bei der es sich einerseits um Energiepflanzen und andererseits um land- und forstwirtschaftliche Rückstände und Abfallprodukte handeln kann. Sie gehört zu den am schnellsten wachsenden Energiequellen in der Europäischen Union. Die Biomasse wird bereits seit Tausenden von Jahren als Brennstoff verwendet, durch die Entwicklung von Nutzungsmöglichkeiten während den letzten Jahrzehnten wurden jedoch weitreichende Fortschritte erzielt, sodass unterschiedliche Technologien zur Verfügung stehen, um die Biomasse in thermische resp. elektrische Energie umzuwandeln: Pellets zur Beheizung von Privathaushalten und Nutzung der landwirtschaftlichen Abfallprodukte in den Biomassereaktoren. Im Jahr 2011 trug die Biomasse 67 Prozent, die Wasserkraft 16 Prozent, die Windenergie 9 Prozent und die Solarenergie sowie die Geotherme je 4 Prozent im Mix der erneuerbaren Energien bei.
Es sei vermerkt, dass das Testfeld Alpha Ventus mit 12 Windenergieanlagen in einem Abstand von 45 km nördlich von Borkum errichtet, hervorragende Werte hinsichtlich der Volllastundendauer aufweist. Waren die Betreiber von 3.900 Volllaststunden ausgegangen gegenüber den 2.000 bei „onshore-Anlagen“, so betrug dieser Wert 4.450 im Jahr 2011 und damit 14 Prozent mehr als vorausberechnet. Bedingt durch die hervorragenden Windverhältnisse wurde eine Anlagenverfügbarkeit von 97 Prozent erreicht.
Die technologische Entwicklung der offshore-Windenergieanlagen weist eine fulminante Leistungssteigerung seit den 80er Jahren auf; betrug der Jahresertrag etwa 35.000 kWh für die 30 kW-Windenergieanlage im Jahr 1980, so liefern die 5.000 kW-Windenergieanlagen heute jährlich etwa 17 Millionen kWh. Auch wenn die Erzeugung der elektrischen Energie im offshore-Bereich ein hohes technologisches Wagnis darstellt und hohe Ansprüche an die Anlagen stellt, so darf nicht übersehen werden, dass die Übertragung derselben an das Festland ein noch größeres Problem bedeutet, da die Anlagen zum Teil in Gebieten hoher Biodiversität errichtet werden.
Mit der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ mit 400 kV und mehr) wird die elektrische Energie von den offshore-Anlagen zu den Umspannwerken an den Küsten und anschließend zu den Verbrauchern resp. zu den Speicherbecken weitergeleitet. Es wurden bereits drei Unterseekabel Für die Übertragung zwischen Dänemark und Norwegen während den vergangenen Jahren verlegt. Rezent begannen die Gespräche zur Verlegung eines 600 km HGÜ-Unterseekabels mit 1400 MW Übertragungsleistung zwischen Deutschland und Norwegen. Laut den Unterlagen der Hersteller betragen die Leitungsverluste etwa drei Prozent je 1.000 km bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung.
Die Errichtung der dezentralen Anlagen zur Nutzung der fluktuierenden erneuerbaren Energien (Wind- und Solarenergie) führt im Versorgungsnetz zu einem immer größeren zeitlichen Ungleichgewicht von Erzeugung und Verbrauch. Dies bedingt den Ausgleich und die Speicherung der elektrischen Energie in Speicherkapazitäten u.a. in Norwegen, in der Schweiz und in Österreich. Die gespeicherte elektrische Energie wird, je nach Nachfrage, zu einem späteren Zeitpunkt in das Verbundnetz wieder eingespeist.
Das SEO-Pumpspeicherkraftwerk Vianden hat diese Ausgabe seit der Inbetriebnahme zur größten Zufriedenheit ausgeübt. Während den vergangenen Jahren wurde die elektrische Leistung von bisher 1.100 MW auf 1.300 MW erhöht und die 11. Pumpturbineneinheit wird im Jahr 2014 an das Hochspannungsverbundnetz angeschlossen.
Als eine weitere Speichermöglichkeit bieten sich die dezentralen Akkumulatoren an, welche über eine elektrische Leistung bis zu 100 MW verfügen. Dies sind der bewährte Bleiakkumulator und die Nickel-Cadmium-Technologie sowie die sich in der Entwicklung befindlichen Redox-Flow-Akkumulatoren. Zusätzlich wird derzeit an der Entwicklung der dezentralen Superkondensatoren geforscht sowie der Brennstoffzellen.
Die Nutzung der Solarenergie in den südlichen EU-Mitgliedsstaaten
Die Europäische Union kann ihre Energie- und Umweltstrategie nur dann umsetzen, wenn sie auf die hochleistungsfähigen und karbonfreien Technologien hinsichtlich der Erhöhung der Energieeffizienz und der Nutzung der erneuerbaren Energien setzt. Die Nutzung der Biomasse unterliegt speziellen Bedingungen, sollen doch nur die nachwachsenden Rohstoffe der 2. Generation in Energie umgewandelt werden.
Neben der Nutzung der offshore-Windenergie bietet sich in einem wachsenden Maß die Nutzung der Solarenergie in den südlichen EU-Mitgliedsländern an. Mehrere bedeutende Anlagen wurden während den vergangenen Jahren im sonnenreichen Süden Europas errichtet. Die auf die Anlagen auftreffende Strahlung wird in den Parabolrinnensolarkraftwerken optimal genutzt.
Die bevorzugten Einsatzgebiete der Solarkraftwerke befinden sich im Sonnengürtel der Erde mit einer jährlichen Ausbeute an elektrischer Energie zwischen 1.700 bis zu 3.000 kWh/m2. In den solarthermischen Kraftwerken (Parabolrinnensolar- und Solarturmkraftwerken) wird das Sonnenlicht durch Spiegelsysteme auf einen Absorber, entweder einen Brennpunkt oder eine Brennlinie, gebündelt. Es wird derjenige Anteil der Globalstrahlung genutzt, der auf direktem Weg von der Sonne auf die Erdoberfläche trifft. Das Prinzip der Solarnutzung in den Parabolrinnensolarkraftwerken ist nicht neu, wurden doch bereits in den 80er Jahre des vorigen Jahrhunderts einige Solarkraftwerke mit einer elektrischen Leistung von insgesamt mehreren MW u.a. in Cramer-Junction (Kalifornien) errichtet.
Der Parabolrinnenkollektor besteht aus parabolisch gekrümmten Spiegeln und einem mittig angeordneten Absorberrohr. Die Direktstrahlung der Sonne wird über die Spiegel auf dem Absorberrohr konzentriert, wobei der Spiegel der Sonne einachsig nachgeführt wird. Das Wärmeträgeröl im Absorberrohrsystem wird bis über 400°C erwärmt und liefert so die nötige Energie zur Stromerzeugung in der Turbine bzw. zur Wärmebereitstellung für industrielle Prozesse sowie für die Meerwasserentsalzung. Aufgrund der relativ geringen Solarenergiedichte benötigen die Parabolsolarrinnenkraftwerke jedoch große Flächen. Das Kollektorfeld des Kraftwerkes besteht aus einzelnen 20 bis 150 m langen parallel geschalteten gewölbten Parabolrinnenkollektoren. Da die Solarenergie über die Umwandlung in thermische Energie genutzt wird, können diese Parabolsolarrinnenkraftwerke auch eingesetzt werden, um die Erzeugung elektrischer Energie zeitlich vom solaren Strahlungsangebot zu entkoppeln, d.h. ihr Betrieb kann in den Nachtstunden weitergeführt werden.
Die Investitionskosten für die solarthermischen Kraftwerke sind zurzeit noch hoch, die „Brennstoffkosten“ jedoch gering, so dass sich die Betriebs- und Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer der Anlage auf 20 Prozent der jährlichen Betriebskosten belaufen. Es leuchtet demzufolge ein, dass die Wirtschaftlichkeit stark von den Kapitalkosten und der Abschreibung abhängen. Die Investitionskosten sind zusätzlich abhängig vom Standort und der Solareinstrahlung, vom ausgewählten Kraftwerkstyp und der installierten elektrischen Leistung sowie der Anbindung an das Übertragungsnetz.
Momentan werden die Stromerzeugungskosten von solarthermischen Kraftwerken mit Werten zwischen 10 bis 40 Cent/kWh, dies je nach geographischer Lage, veranschlagt. Die Weiterentwicklung der Technologien in Richtung erhöhter Nutzungsgrade lassen Gestehungskosten für die elektrische Energie von etwa 5 Cent/kWh im Jahr 2050 erwarten. Die Investitionskosten in die solarthermischen Kraftwerke scheinen im Vergleich zur installierten Leistung höher zu liegen als bei den Photovoltaikanlagen. Diese erzeugen jedoch die elektrische Energie nur bei der täglichen Solareinstrahlung während 8 bis 9 Stunden.
Das solarthermische Kraftwerk hingegen kann elektrische Energie bei voller Leistung während einer längeren Betriebszeit erzeugen, sodass die Produktion, je nach Anlagentyp, bis zu dreimal höher ausfallen kann. Die Parabolsolarrinnen- resp. Turmkraftwerke zeichnen sich darüber hinaus durch die Tatsache aus, dass sie im Verbund mit anderen erneuerbaren Energiequellen die Schwankungen der Windenergie und der Photovoltaik ausgleichen und so zur Stabilisierung der Versorgungsnetze beitragen können. An küstennahen Standorten können die Parabolsolarrinnenkraftwerke das Meerwasser zur Kühlung des Dampfkreislaufes einsetzen. Als Beispiel sei angeführt, dass ein 250 MW solarthermisches Kraftwerk eine elektrische Leistung von 200 MW anbietet und zusätzlich stündlich 4 Millionen l Trinkwasser durch die angegliederte thermische Meerwasserentsalzung gewonnen werden. Wenn kein Kühlwasser u.a. in den Wüstengebieten, vorhanden ist, dann greift man auf den Trockenkühlturm zurück, wohlwissend, dass der Nutzungsgrad insgesamt geringer wird. In der Nähe von Granada und Cadiz (Südspanien) wurden die Parabolrinnensolarkraftwerke Andasol und Valle während den vergangenen Jahren erfolgreich in Betrieb genommen.
Beim Solarturmkraftwerk werden die automatisch positionierenden Spiegel, die sogenannten Heliostate, derart ausgerichtet, dass sie das Sonnenlicht stets auf den zentralen Absorberbrennpunkt reflektieren. Durch die starke Konzentration der Sonneneinstrahlung entsteht eine Temperatur bis zu mehreren 1000 °C im Brennpunkt. Die technisch sinnvolle Temperatur liegt bei rund 1300 °C. Bedingt durch die hohen Temperaturen wird ein Nutzungsgrad um die 30 Prozent erreicht. Das verwendete Wärmeträgermedium ist entweder flüssiges Nitratsalz, Wasserdampf oder Heißluft.
Die Nutzung der Solarenergie aus den Wüsten in Nordafrika: eine win-win-Operation
Eine der großen Herausforderungen, denen sich die Europäische Union zurzeit, obwohl sie noch nicht alle Probleme in den eigenen Grenzen gelöst hat, stellt die Entwicklung Afrikas dar. Bei näherem Hinsehen erkennt man, dass mehr als 500 Millionen Afrikaner noch immer über keinen Zugang zu einer modernen Energieversorgung haben. Man möge sich vergegenwärtigen, dass Afrika nur zu vier Prozent zur weltweiten Energieproduktion beiträgt und nur zu drei Prozent am Welthandel beteiligt ist. Dies unterstreicht, dass hier massive Investitionen in die Energieversorgung mehr als notwendig sind, die Europäische Investitionsbank ist mittlerweile ein Vorreiter hinsichtlich dieser Transition.
Neben der Nutzung der Solarenergie in den Solarkraftwerken in den südlichen EU-Mitgliedsländern kann der Import elektrischer Energie aus den solarthermischen Kraftwerken in den Maghreb-Staaten einen erheblichen Teil des Verbrauchs in der Europäischen Union decken. „Die höhere Solareinstrahlung führt dazu, dass sich auf einer Fläche von 500 mal 500 km der Bedarf an elektrischer Energie der ganzen Welt decken lässt.“ so Dr. Gerhard Knies. Wenn in den Wüsten während wenigen Stunden die elektrische Energie aus der Solarenergie umgewandelt werden kann, welche die Menschheit in einem Jahr verbraucht, dann muss die Frage gestellt werden: „Warum sollte man diese Energie nicht „anzapfen“ und sie den Menschen zur Verfügung stellen, damit allen die gleichen Dienstleistungen angeboten werden können?“
Neben den Windenergieanlagen im Küstenbereich (Marokko und Mauretanien) mit mehreren 1.000 MW elektrische Leistung sollen Parabolsolarrinnenkraftwerke mit mehreren 10.000 MW elektrische Leistung in einem transnationalen Verbundnetz zusammengeführt werden. Der Nordafrika mit dem südlichen Europa verbindende Stromverbund trägt auch zur Verringerung der Treibhausgasemissionen bei. Denn in einem solchen Stromverbund kann die elektrische Energie an den Standorten mit optimalen Solareinstrahlungen und Windbedingungen erzeugt und die Fluktuationen der erneuerbaren Energien ausgeglichen werden. Zusätzlich sollte nicht unerwähnt bleiben, dass die Parabolrinnensolarkraftwerke durch die in gekoppelter Weise auch thermische Energie erzeugen und diese zur Entsalzung von Meereswasser dient und somit das Problem des Trinkwassermangels in den wasserarmen Gegenden lösen kann.
Schlussfolgerungen
Man kann die Europäische Union nur für die vielen Investitionen mit Blick auf die Nutzung der erneuerbaren Energien beglückwünschen. Die Weltbank ruft in ihrem jüngsten Klima-Bericht die Regierungen dazu auf, die jährlichen Subventionen für Kohle und andere fossile Brennstoffe in Höhe von 775 Mrd. Euro in die Nutzung der erneuerbaren Energien umzulenken. Die Energiewende bedeutet nicht nur den Bau von Solar- und Windenergieanlagen, Biomasseanlagen und Wasserkraftwerke, sondern auch effiziente Kraftwerke, mehr Übertragungsnetze, mehr Speicherkapazitäten, mehr Flexibilisierung bei den Erzeugungsanlagen und mehr „smart grids“ bis hin zu den Verbrauchern.
Wenn die Weltgemeinschaft den Appell der 2 Grad C Begrenzung weiterhin ignoriert, dann werden die sich stetig erhöhenden jährlichen Treibhausgasemissionen das Weltklima aus dem Ruder laufen lassen und die Folgen werden für die kommenden Generationen verheerend sein. Die Frage ist deshalb erlaubt: „Wer gibt uns die Freiheit, unseren Kindern und Kindeskindern einen Trümmerhaufen zu hinterlassen, nachdem wir geerbten aus zwei Weltkriegen mit viel Erfolg beseitigt haben?“
In Bezug auf die luxemburgische Energie- & Umweltpolitik sei vermerkt, dass sich durch die unterschiedlichen Instrumente u.a. Wohnungspakt und Klimapakt, sanfte Mobilität und hohe Subventionen in die Energieeffizienz und Nutzung der erneuerbaren Energien, die ersten Zeichen einer positiven Wende abzeichnen. Es leuchtet jedoch ein, dass die Energiewende nur einen Teil der gewaltigen Kraftanstrengung aller EU-Mitbürger/Innen darstellt, es muss nunmehr auch zur Wärme- und Mobilitätswende kommen, ansonsten bleiben die angepeilten Klimaziele nur Makulatur.
Mit der angefachten Diskussion über die europäischen Energie- und Klimaziele bietet sich die faszinierende Chance, unsere aktive Teilnahme im weltweiten Klimaschutz zu festigen. Die Europäische Union hat viele nachhaltig wirkende, erfolgreiche und innovative Betriebe sowie motivierte Bürger/Innen. Es genügt indes noch nicht – weitere mutige Schritte hin zur Verringerung des ökologischen Fußabdruckes müssen folgen.
„Die Welt gehört denen, die mutig genug sind, sie zu verändern, nach dem sie eine Vision entwickelt und die nötige Strategie entworfen haben.“ – eine Kernaussage, der nichts beizufügen bleibt.
Quellennachweis:
1) http://www.aquila-capital.de/unternehmen/presse/presse-artikel/nutzung-der-wasserkraft-in-europa