Liberalisierung der Strommärkte

Mit der Liberalisierung der Strommärkte und der Trennung der Energievermarktung von der Betreibung der Stromnetze sollte der elektrische Strom für die Endkunden günstiger werden. Hierdurch kam viel Bewegung in den Stromsektor, mit neuen und wechselnden Marktteilnehmern. Oft werden erneuerbare Energien als einer der bedeutendsten Störfaktoren dargestellt, doch es zeigt sich, dass vor allem die Anfangszeit nach der Liberalisierung von enormen Preisdifferenzen geprägt war. Dies führte dazu, dass stundenweise der Strompreis an der Börse das 10-fache üblicher Stundenpreise betrug. Der Mittelwert von 2002 bis 2018 liegt bei rund 39 € pro Megawattstunde, doch 2003 erreichte der Strompreis für eine Stunde den Wert von 1719 €/MWh und 2006 sogar 2436 €/MWh.

Strombörse_2002-2018 + Extremwerte_1

Bis 2008 kamen noch Preisspitzen von über 200 €/MWh vor. Erstaunlicherweise seit 2009 nicht mehr. Aber vor 2009 gab es nicht nennenswert viel Einspeisung von erneuerbaren Energien, also kann dies hierfür auch nicht als Ursache für die Preisspitzen herangezogen werden.

Aber seit 2008 kommt es zu einem anderen Phänomen. Es kommt zu negativen Strompreisen an der Börse für die Stundenwerte des jeweils folgenden Tages. Das bedeutet, dass die Stromproduzenten teilweise dafür Geld bezahlen müssen, dass ein anderer elektrischen Strom verbraucht.

2009 gab es gar einen Niedrigpreisrekord bei dem Stundenstrompreis für den folgenden Tag von -500 €/MWh. Dies hat zwei Ursachen. Einerseits den Merit-Order-Effekt, der durch die Einspeisung von erneuerbaren Energien eine neue Variable erhält und fossile Energie verdrängen kann. Anderseits ist aber auch das schlechte Regelverhalten von vielen traditionellen Kraftwerken und hier insbesondere Braunkohlekraftwerken dafür verantwortlich, da sie auch dann Strom produzieren, wenn ausreichend erneuerbare Energien anfallen und eigentlich kein Bedarf mehr besteht – deshalb auch der negative Preis.

Strombörse_2002-2018 + Tendenz_1

Nichtsdestotrotz kommt es auch in den letzten Jahren zu Preisdifferenzen und diese werden wohl auch in Zukunft bestehen bleiben. Auch weil alte sogenannte Grundlastkraftwerke aus dem Markt gedrängt werden, weil sie nicht länger wirtschaftlich betrieben werden können. Wie sich der Strompreis entwickeln wird, ist schwer zu sagen, da es viele Einflüsse gibt. Neben den schwindenden alten Kraftwerken, werden mehr und mehr erneuerbare Energien mit einem volatilen Einspeiseverhalten hinzukommen.

Aber auch verbrauchsseitig ist viel Bewegung zu erwarten. So werden mit dem Ziel der Dekarbonisierung Europas Wärmepumpen und Elektromobilität einen Aufschwung erzielen, wobei Wärmepumpen hauptsächlich im Winter mehr elektrischen Strom beanspruchen und so eine neue saisonale Prägung hervorrufen. Beide letztgenannten Technologien aber auch andere werden dem hier gezeigten Preisanreiz in einem Smart Grid folgen und dafür sorgen, dass der Strom dann genutzt wird, wenn er produziert wird.

Das heißt, je mehr Strom aus erneuerbaren Energien im Netz ist, umso größer werden die Preisdifferenzen und je höher die Preisdifferenzen sind, je schneller wird sich ein Smart Grid durchsetzen und die Preisdifferenzen reduzieren.

Aus diesem Grund analysiere ich im folgenden Video, wie sich die EEX-Börsenpreise für die Stunden des jeweils folgenden Tages entwickelt haben und welcher Anreiz sich hieraus für ein Smart Grid ergeben kann. Anreize der Netzbetreiber und Hebeleffekte von Steuern werde ich dabei aber außer acht lassen.

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Strompreis und Merit-Order-Effekt

Wenn wir elektrische Energie produzieren wollen, dann müssen wir Geld investieren. Einerseits als Investition in Anlagen, andererseits in Wartung und Instandsetzungen. Aber zum Teil auch in die Energie, die wir für die Umwandlung verwenden. Wenn wir die marginale Energieeinheit betrachten, sind die Investition und die Wartung als Fixkosten zu betrachten und eigentlich nur die Energiekosten definieren den Mindestpreis, der gezahlt werden müsste, um kostendeckend eine weitere Energieeinheit zu produzieren.

Daraus ergeben sich schließlich unterschiedliche Mindestpreise pro MWh, je nachdem, welche Energiequelle und welche Technologie mit welchem Wirkungsgrad verwendet wird.

Dies stellt natürlich eine vereinfachte Entscheidungsgrundlage dar. In einem dynamischen Prozess kommen auch andere Faktoren, wie etwa die Betriebsweise der Anlagen zum Tragen, sodass es auch zu Situationen kommt, wo unter diesem Preis dennoch produziert wird.

Addiert man die jeweiligen Leistungen aller Anlagen, die bis zu einem gewissen Preis produzieren wollen, erhält man die Angebotskurve für die Strombörse. In ähnlicher Weise entsteht auch die Nachfragekurve, wobei hier vor allem die Energieversorger den Bedarf ihrer Kunden einkaufen, und verpflichtet sind, deren Bedarf zu decken. Darüber hinaus sind aber auch Speicherkraftwerke als Käufer tätig, die versuchen günstig Strom einzukaufen, und die umso mehr elektrische Energie kaufen, umso günstiger der Preis ist.

Werden die Angebotskurve und die Nachfragekurve übereinandergelegt, so ergibt sich aus dem Schnittpunkt der aktuelle Strompreis. Solche Strompreise werden Beispielsweise für Stundenwerte, Viertelstundenwerte und für unterschiedliche Arten an Regelenergie immer wieder neu ermittelt.

Welchen Einfluss haben erneuerbare Energien?

Bis vor einigen Jahren war dies ein einigermaßen eingespieltes und vorhersehbares Preissystem. In der Nacht war die Stromnachfrage geringer und der Preis dementsprechend niedriger und am Tag war es umgekehrt, mit Preisspitzen am Morgen, am Mittag und am Abend. Dies Angebotsseite hat sich eigentlich kaum geändert. Nachts liefen die Grundlastkraftwerke, tagsüber zusätzlich die Mittellastkraftwerke und während den Bedarfsspitzen haben Speicher- und Spitzenlastkraftwerke den nötigen und teuren Spitzenlaststrom bereitgestellt. In den letzten Jahren haben die erneuerbaren Energien den Strommarkt aber durch den sogenannten Merit-Order-Effekt aufgewühlt.

Erneuerbare Energien, wie Wind- und Solarenergie haben nämlich keine Energiekosten, die beglichen werden müssen, ihre Grenzkosten sind demnach Null. Deshalb verdrängen sie die Produzenten mit fossiler Energie in der Angebotskurve nach hinten. Gleiches gilt auch für subventionierte BHKW und Biogasanlagen, die fix vergütet werden. Diese drängen auf den Strommarkt als hätten sie keine Grenzkosten, obwohl sie Energiekosten, und wenn nur in Form von Opportunitätskosten aufweisen.

Diese Verschiebung der Angebotskurve führt bei unveränderter Nachfragekurve zu einem niedrigeren Strompreis. Die Verschiebung des Schnittpunktes der beiden Kurven, durch Anlagen mit niedrigen Grenzkosten, wird als Merit-Order-Effekt bezeichnet.

Merit-Order-Effekt_1

 

Allerdings ist die Produktion von elektrischer Energie aus Wind- und Solarenergie nicht konstant und deshalb ist der Strompreis stärkeren Schwankungen ausgesetzt, je nachdem ob erneuerbare Energie elektrischen Strom liefert oder nicht.

Insbesondere Solarenergie, die hauptsächlich in den Mittagsstunden Energie liefert, hat dafür gesorgt, dass hier die Preisspitzen wesentlich seltener entstehen, oft genug ist der Strompreis hier sogar niedriger. Dies ist auch eine Auswirkung, die den traditionellen Stromproduzenten zu schaffen macht, weil sie bisher in diesen Stunden einen Großteil ihres Gewinnes einfahren konnten.

Strombedarf_1

Nun kommt es zunehmend zu der Kuriosität, dass der Börsenpreis negativ ist, dass also die Stromproduzenten Geld bezahlen müssen, damit sie elektrischen Strom produzieren dürfen. Das liegt einerseits daran, dass es den Produzenten von erneuerbarer Energie aufgrund der garantierten Einspeisevergütung gleichgültig ist und andererseits insbesondere Kohlekraftwerke nicht schnell genug ihre Leistung drosseln können und unnötigerweise produzieren müssen.

Viele Verfechter der Früher-war-alles-besser-Mentalität sehen das Problem in der Produktion von erneuerbarer Energie, doch die Wahrheit ist, dass die veralteten und unflexiblen Kraftwerke nicht für eine dynamische, saubere und zukunftsorientierte Stromproduktion geeignet sind. Deshalb werden sie auch mittelfristig durch den Merit-Order-Effekt aus dem Strommarkt verdrängt werden.

Börsenpreis_1.JPG

Nichtsdestotrotz wird sich auch unsere Stromnachfrage ändern müssen, damit wir vermehrt erneuerbare Energie dann verwenden, wenn sie produziert wird. Wir können diese Aufgabe nicht allein den Speicherkraftwerken überlassen. Nicht nur weil es zu viele Speicherkraftwerke beanspruchen würde und teuer wäre, sondern auch weil es ineffizient ist.

Die Aufgabe der Anpassung der Nachfragekurve, in Bezug auf das Angebot an erneuerbare Energie, wird das sogenannte Smart Grid übernehmen müssen.

Hier noch ein Blog mit Infos zur EEX-Strombörse und weitere Strombörse bezogene Texte der Energieblogger.

Bürogebäude im Smart Grid

Eine Aufgabe, die Gebäude in einem Smart Grid übernehmen müssen, ist es, eine Verbindung zwischen dem Sektor für elektrische Energie und dem Wärmesektor zu schaffen, so wie es heute schon fast vollständig für den Kältesektor der Fall ist.

Ein Grund hierfür einfach. Ein Smart Grid hat als Aufgabe, zu helfen, möglichst viel erneuerbare Energie zu integrieren. Dabei ist es so, dass die Mehrzahl der erneuerbaren Energie als elektrische Energie gewonnen wird. Thermische Energie wird nur begrenzt als Abwärme bei Biogas- oder bei Solarthermieanlagen gewonnen. Energie aus Holz wiederum kann nur einen Bruchteil der Nutzwärme bereitstellen. Für Luxemburg zum Beispiel, mit einem Waldanteil von 33 %, kann nur rund 5 % des aktuellen Gas- und Heizölbedarfes durch Holz „nachhaltig“ subsituiert werden. Obendrein stellt diese Energiequelle ein wichtiges Potenzial für ein Smart Grid dar und sollte nicht stupide verbrannt werden, und auch nicht als Substitut, sondern als Ergänzung verstanden werden.

Moderne Gebäude, wie etwa Bürokomplexe brauchen keine hohen Vorlauftemperaturen, und eignen sich bestens für Wärmepumpen, da oft genug Wärme- und Kältebedarf gleichzeitig vorliegt, etwa für IT oder aber auch für innenliegende Besprechungsräume. In diesem Fall fossile Energien oder gar Holz zu verbrennen, wäre nicht mit dem Gedanken von Smart Grid zu vereinen. Doch leider ist es noch in vielen Köpfen, dass es besser ist „kostenlos“ free Chilling zu nutzen und die Überschusswärme in die Umwelt abzugeben, und gleichzeitig speicherbare Energiequellen zu verfeuern, um Wärme zu gewinnen. Was hier noch fehlt, ist das Verständnis von Opportunitätskosten, den Kosten für entgangenen Nutzen.

Smart Grid wird häufig mit Batterien in Verbindung gebracht, aber diese sind die letzte Alternative, die dann genutzt werden muss, wenn das „Smart“ am Smart Grid an seine Grenzen stößt. Je smarter das Netz und all das, was daran angeschlossen ist, umso weniger Batterien werden benötigt.

Ohnehin werden Batterien nicht dafür sorgen können, dass die Versorgungssicherheit im Winter gewährleistet wird, da Batterien zwar den Tagesbedarf glätten können, aber nicht überschüssige Energie aus dem Sommer in den Winter hinein speichern können. Hier brauch es Alternativen, etwa Gas- oder Holzheizungen in großen Gebäuden, die dann die Wärmepumpen ersetzen, wenn der elektrische Strom teuer ist, was ein Indiz dafür ist, dass Stromknappheit herrscht und wenig erneuerbare Energien im Stromnetz sind.

Aber diese Vorstellung von sich ergänzenden Technologien, welches an sich das Prinzip des Smart Grid ist, ist nicht vereinbar mit den Bewertungsmethoden unserer Zeit. Wir wollen die Aussage, welche Technologie und Energiequelle die Beste ist. Oft genug hört man hier Holzhackschnitzelkessel, weil sie CO2-neutral sind. Das ist der falsche Ansatz, denn ein ganzjährig betriebener Holzkessel liefert keinen Mehrwert für ein Smart Grid. Wir müssen deshalb zu einer Bewertung von Funktionsweisen von Technologien kommen. Ähnliches gilt nämlich auch für eine Wärmepumpe, die immer dann Wärme produziert, wenn Wärme benötigt wird, denn sie verlagert das Problem des Wunsches an erneuerbaren Energien aus dem Wärmesektor 1:1 in den Stromsektor ohne einen „smarten“ Mehrwert zu liefern.

Interessant im Sinne eines Smart Grids wird es erst dann, wenn sich der Wärmesektor sich an den Stromsektor anschließt, aber nicht von diesem vollständig abhängig ist. Eine begrenzte Abhängigkeit kann bereits durch eine zeitliche Entkopplung von Wärme- und Strombedarf geschehen. Aber dazu ist es notwendig, große thermische Massen zu haben, die aktiviert werden können. Und welche thermische Speichermasse würde sich einfacher nutzen lassen als Wasser? Keine ist kostengünstiger und kein Speicher ist ökologischer. Wenn man bedenkt, dass viele Bürogebäude zwangsläufig Sprinklertanks von 80 bis 100 m3 Wasserinhalt haben müssen, dann ergeben sich hier auf der Kälteseite bereits 80 m3 * 1,16 kWh/m3/K * 5 K = 464 kWh Speichervolumen für Nutzkälte, bei einer Temperaturdifferenz von nur 5 Kelvin. Das entspricht 464 kWh/6 = 77 kWh an Stromspeicher die weniger gebraucht werden, das entspricht je nach Ladedichte einer Batterie zwischen 170 kg und 500 kg.

Smart Grid Technologievergleich

Wer bei Smart Grid direkt an Batterien denkt, sattelt das Pferd von hinten. Batterien sind nicht der Anfang von Smart Grid, sondern da, wo das „Smart“ im Smart Grid aufhört.

anthropogene CO2-Emissionen

Es gibt nur noch wenige, die den Klimawandel abstreiten, denn die Auswirkungen können nahezu überall festgestellt werden. Auch die Korrelation zwischen dem CO2-Gehalt der Atmosphäre und der Temperatur auf der Erde dürfte wohl schlüssig sein. Aber in wie weit ist der Mensch dafür verantwortlich?

Die CO2-Konzentration ist in den letzten Jahrhunderten recht konstant geblieben. Das bedeutet nicht, dass es hier keine CO2-Emissionen gegeben hat, doch waren es natürliche CO2-Emissionen, die sich in einem geschlossenen Kreislauf befunden haben. Erst seit Beginn der Industrialisierung steigt die Konzentration stetig an.

Betrachten wir die Monatswerte, so lässt sich ein klarer Zyklus von saisonal steigenden und sinkenden CO2-Konzentrationen erkennen. Der Grund ist einfach: Im Frühling und Sommer wird Kohlenstoff in den Blättern der Bäume und in Jahrespflanzen gebunden. Im Herbst und im Winter wiederum verwest ein Teil davon, und es wird weit weniger CO2 gebunden. Zwar ist in der südlichen Hemisphäre dann Sommer, wenn im nördlichen Teil Winter ist, allerdings ist die Landmasse in der südlichen Hemisphäre deutlich kleiner. Rund 2/3 der Landmasse sind in der nördlichen Hälfte. Folglich sind auch hier mehr Pflanzen, die sich dem saisonalen Zyklus unterwerfen. Hinzu kommt, dass sich ein Großteil der Pflanzen der südlichen Hemisphäre in tropischen oder subtropischen Gebieten befinden, und somit nicht den saisonalen Zyklen unterworfen sind. Hieraus erkennt man auch, wie enorm die natürlichen CO2-Emissionen sein müssen, weil sich diese saisonalen CO2-Zyklen nur aus der Differenz zwischen der saisonal beeinflussten Pflanzen der Nordhalbkugel abzüglich der saisonal beeinflussten Pflanzen der Südhalbkugel ergeben. Schätzungen zufolge beläuft sich der in der Biosphäre umgesetzte Kohlenstoff auf 60 Milliarden Tonnen jährlich.

Leugner des menschgemachten Klimawandels argumentieren gerne damit, dass der Mensch nur rund 3% der jährlichen CO2-Emissionen ausmacht. Aber es sind eben jene drei Prozent, die den Anstieg verursachen, die übrigen 97 % befinden sich in einem zwar schwankenden, aber eingeschwungenen Kreislauf.

Wieviel CO2 ist eigentlich in der Atmosphäre?

Den Wert der im Zusammenhang mit dem CO2-Problem immer wieder genannt wird ist der Wert von 280 – 400 ppm. Wobei die 280 ppm den natürlich eingeschwungen Jahresmittelwert von vor 1860 wiedergibt und 400 ppm die CO2-Konzentration von heute. Aber ppm bedeutet nur Parts Per Million also ein Teil von einer Million. Damit ergibt sich nur ein relativer Wert, nämlich der der Konzentration. Aber wieviel CO2 ist absolut in der Atmosphäre?

Zum Glück ist die Masse der Atmosphäre bekannt, sie beträgt ca. 5,13 x 1018 kg, also 5.130.000.000.000.000 Tonnen. Mit den Molekülmassen und den Stoffkonzentrationen der Atmosphäre (N2 ;O2; Ar, CO2, Ne, …) kann die aktuelle Menge an CO2 auf rund 3 120 Milliarden Tonnen geschätzt werden.

Eine CO2-Quelle, die unbestreitbar menschgemacht ist, liegt in der Verbrennung von fossilen Energien wie Kohle, Erdöl und Erdgas, wobei Kohlenstoff mit zwei Sauerstoffatomen zu CO2 verbrennt. Mit den Primärenergieverbrauch von z.B. 2016 und mit dem Energiegehalt kann die Masse der jeweiligen Energieträger abgeschätzt werden. Der massenspezifische Kohlenstoffanteil dieser Energieträger ist in etwa wie folgt: Kohle ca. 70 %, Erdöl ca. 85 %, Erdgas ca. 75 %. Summiert man diese Mengen ergibt sich eine verbrannte Kohlenstoffmenge von 9 961 Millionen Tonnen. Die Atommasse von Kohlenstoff liegt bei 12 g/mol, die von Sauerstoff bei 16 g/mol und folglich die von CO2 bei 44 g/mol. Daraus folgt, dass durch das Verbrennen dieser drei Energieträger rund 36,5 Milliarden Tonnen CO2 in die Atmosphäre gelangen, umgerechnet sind das 4,7 ppm, die im Jahr 2016 hinzugekommen sind.

Natürlich bleibt nicht die gesamte Menge in der Atmosphäre, denn rund ein Drittel der zusätzlichen CO2-Emissionen werden von den Weltmeeren aufgenommen, was hier zu einer Übersäuerung führt und andere Probleme hervorruft. Problematisch wird aber auch hier, dass mit der Klimaerwärmung auch die Wassertemperaturen steigen werden. Anfangs wird dies die CO2-Aufnahmefähigkeit der Meere reduzieren, da die Löslichkeit für CO2 abnimmt und bei weiterschreitender Erwärmung wird bereits gelöstes CO2 den Meeren entweichen und zu einem zusätzlichen Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre führen.

Mit den jährlichen Zuwächsen an CO2 und der Gegenüberstellung der Emissionen aus dem Energiesektor fällt schnell die Bedeutung unseres Handelns auf. Allerdings ist der Energiesektor nicht der einzige Hebel, mit dem der Mensch den CO2-Haushalt beeinflusst.

Trocken gelegene Moore stoßen CO2 und Methan aus, die Massentierhaltung ist methanlastig, welches ebenfalls klimawirksam ist und schließlich zu CO2 verfällt (CH4 + 2 O2 –> CO2 + 2 H2O). Aber vor allem in einer Sache greift der Mensch deutlich sichtbar in den Kohlenstoffkreislauf der Erde ein. Durch das massive Abholzen und Roden der Wälder zur Gewinnung von landwirtschaftlichen Flächen und Bauland, hat der Mensch riesige Kohlenstoffsenken zerstört und zudem auch das Potenzial verringert, CO2 zu binden.

Die Grafik zeigt die Entwicklung der relativen Waldflächen der einzelnen Länder von 1990 bis 2015. Es gibt einige Ländern, vorrangig in Europa, die ihre Waldfläche wieder vergrößern konnten, allerdings zeigt die globale Tendenz klar hin zu schwindenden Waldflächen. So verschwanden in 25 Jahren rund 3 % der Waldfläche nämlich insgesamt 1,3 Millionen km2. Wird diese Fläche mit nur 190 Tonnen je Hektar an verlorener Kohlenstoffsenke multipliziert, so ist das Waldschwinden während dieser Periode für rund 3,6 Milliarden Tonnen CO2-Emissionen verantwortlich, das entspricht zusätzlichen 0,5 ppm an Emissionen in der Atmosphäre. Allein mit diesen zwei Quellen übersteigt die CO2-Belastung der Atmosphäre bereits den Anstieg der CO2-Konzentrationen. Ein Glück, dass die Erde Puffer hat, die sich füllen können. Aber zu glauben, dass der Mensch durch sein Handeln keinen Einfluss auf das Geschehen hat, ist mit naiv wohlwollend umschrieben.

Weitere Artikel zum Thema CO2-Emissionen gibt es auf Energieblogger.net.

Erneuerbare Energie in Europa

Ein Teilziel der Beschlüsse rund um die sogenannten 20-20-20 Ziele der europäischen Kommission ist es, bis 2020 im Durchschnitt 20 % an erneuerbaren Energien aufweisen zu können. Deshalb wurden für jedes Land, entsprechend der Voraussetzungen, Ziele gesetzt, die zwischen 10 % für Malta und 49 % für Schweden liegen. Von 2004 konnte der europäische Durchschnitt von 8,5 % auf immerhin 17 % in 2016 gesteigert werden. Bei gleichbleibender Entwicklung wie in 2016 wird das Ziel mit 18,2 % verfehlt werden.

Allerdings ist die Umsetzung in den einzelnen Ländern sehr unterschiedlich. Neben Kroatien, das keine Steigerung erzielen musste, konnten die ersten Länder bereits 2011 ihre Ziele erreichen, aber die Mehrzahl der Länder, darunter Spanien, Malta und Österreich werden ihre Ziel 2020 oder kurz davor erreichen können. Acht Länder sind bisher bei der Umsetzung ihrer Ziele deutlich im Hintertreffen, besonders die Niederlande und Luxemburg. Dabei ist es erstaunlich, dass eines der reichsten Länder, nämlich Luxemburg, bis 2016 noch nicht einmal in der Lage war 50 % seiner Zielsetzung zu erreichen.

Photovoltaik auf Bürogebäuden

Wenn wir unser Energiesystem auf erneuerbare Energien umstellen möchten, dann müssen wir uns vielen Herausforderungen stellen. Eine wird zwangsläufig sein, die dazu notwendigen Kapazitäten zu schaffen. Dabei werden die Nutzung von Solar- und Windenergie eine Vorreiterrolle übernehmen, da sie nicht nur die größten Potenziale aufweisen, sondern zudem nahezu überall verfügbar sind – wenn auch in unterschiedlichen Mengen.

Von vielen wird der Eingriff in die freie Marktwirtschaft durch Subventionen kritisiert, also warum nicht den Kapitalismus als Triebkraft verwenden, indem in das Baurecht eingegriffen wird. Dabei kann eine größere Bauhöhe erlaubt werden, in Abhängigkeit dessen wieviel Sonnenenergie nutzbar gemacht wird. Und sei es nur dadurch, dass höhere Raumhöhen gestattet werden, und das ohnehin erschlossene Volumen für die benötigte Technik überdeckt werden kann, denn oft genug wird Photovoltaik nicht realisiert, weil andere Technik ihr die Dachfläche streitig macht.

Gleichzeitig zeigt sich das Problem, dass sich einige Energiesektoren noch der Nutzung von erneuerbaren Potenzialen zum Teil verschließen, wie etwa der Wärme- und Transportsektor. Auch hier bieten die Gebäude die passende Schnittstelle um mittels Wärmepumpe die Bindung zum Wärmesektor zu schaffen – den die flächendeckenden Potenziale liegen in der Stromgewinnung aus erneuerbaren Energien.

Herausforderungen und Chancen eines Smart Grids

Dem Smart Grid wird eine bedeutende Rolle in unserem zukünftigen Energiesystem mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energie zugesprochen. Neben den Fragen der Art der Kommunikation und der Steuerung in einem Smart Grid muss sich auch die Frage gestellt werden, welche Verbraucher und Puffer in dem Gesamtsystem genutzt werden können. Ebenso wichtig ist es auch, zu verstehen, wie sich ein Energiesystem mit viel erneuerbaren Energien wandelt, welche Herausforderungen sich damit ergeben und welche Aufgaben alternative Energieproduzenten übernehmen müssen.

Welche Rolle können Haushaltsgeräte übernehmen?

Mit rund 240.000 Haushalten mit durchschnittlich 2,4 Personen[1] und einem der Nutzungshäufigkeit angemessenen Gleichzeitigkeitsfaktor lassen sich rund 35 MW und etwa 105 MWh pro Tag durch gezielte Betriebszeiten von Wasch- und Spülmaschinen sowie Trockner so verlagern, dass sie Energie dann benötigen, wenn am meisten Wind- und Solarenergie gewonnen wird. Das entspricht etwas mehr als 4 % der maximalen Leistung in Luxemburg.

Bei Tiefkühltruhen und Kühlschränken lassen sich maximal 17 MW steuern, moderne energieeffiziente Geräte vorausgesetzt, allerdings nur sehr kurzfristig, also nur als Primär- oder Sekundärregelenergie. Dabei gilt aber, dass je mehr Energie verschoben werden soll, umso geringer wird die regelbare Leistung.

Wie sinnvoll können E-Autos integriert werden?

Mit einem Bestand von rund 400.000 kleinen Fahrzeugen[1] in Luxemburg könnten theoretisch 1.480 MW an Regelleistung bereit gehalten werden. Dies entspricht fast dem doppelten der aktuellen Peaklast, also für viele ein Anlass, es als Lösung für die Integration von erneuerbaren Energien zu feiern. Allerdings verbrauchen diese Fahrzeuge auch jeden Tag Energie und bei einer jährlichen Fahrleistung von 12.000 km entspricht dies täglich durchschnittlich 2.600 MWh oder umgerechnet 110 MW an Dauerleistung. Das bedeutet, dass für die Produktion der Nutzenergie für E-Autos 510 MW an Anlagen für erneuerbaren Energie installiert werden müssten, soll die Energie aus eben solchen stammen. Das Problem von wind- und sonnenarmen Stunden müsste aber dann zusätzlich gelöst werden. Sollen hierfür die Batterien der E-Autos genutzt werden, wären die Grenzen des Möglichen schnell erreicht. Das bedeutet, dass E-Autos keine Lösung sein können. Sie können allenfalls, wenn es richtig angegangen wird, das Problem lösen, welches sie selbst hervorrufen.

Zusätzlich muss bedacht werden, dass E-Autos mit dem Ziel einer nachhaltigeren Mobilität eingeführt werden, wobei neben dem vielen Verkehr, den Unmengen an Parkbedarf auch der hohe Bedarf an grauer Energie ein Problem darstellt, das gelöst werden muss. Zur Zeit werden Fahrzeuge nur während 4-6 % der Zeit genutzt. Aber das kann nicht als Lösungsansatz für den Energiesektor ausgelegt werden, da es vom Prinzip her ein Fehler ist. Deshalb wird zumindest ein Großteil an Fahrzeugen durch Carsharing überflüssig werden. Das hat aber zur Folge, dass die Autos wesentlich mehr an täglicher Fahrleistung aufweisen und folglich immer dann laden müssen, wenn sie stehen. In diesem Fall ist die Möglichkeit regulierend in das Stromnetz einzugreifen nahezu nicht mehr gegeben.

Welche Potenziale ergeben sich durch die Gebäudetechnik?

Eines der wichtigsten Potenziale, um den Anteil an erneuerbaren Energien zu erhöhen, liegt bei den Funktionalgebäuden wohl in der Energieeinsparung, sei es durch bedarfsgeführte Lüftungsanlagen, die zu hohe Betriebszeiten der Ventilatoren vermeiden, und in Folge auch einen nicht beachtlichen Teil der Befeuchtung überflüssig werden lassen. Ebenso dient das Nutzen einer Tageslicht abhängigen Beleuchtung dazu, die Verbrauchsspitzen in den Mittagsstunden zu senken. Zwar ist das dann wenn am meisten PV-Strom zur Verfügung steht, aber genau jene Bedarfsabsenkung wird benötigt um Elektrofahrzeuge zu laden, wodurch dann auch gleich klar ist, dass E-Auto tagsüber, also bei den Funktionalgebäuden aufladen können müssen, weil dann die Arbeiter und demnach die Fahrzeuge dort sind. Nachts, wenn die Autos zu Hause stehen, hat nämlich noch selten die Sonne geschienen.

Ein weiteres Potenzial liegt in der Speicherung von Nutzenergie, sowie der alternativen Energieproduktion. Immer wieder wird in Verbindung mit erneuerbaren Energien und Smart Grid über Batterien gesprochen und hier auf schier unglaubliche Entwicklungspotenziale verwiesen. Allerdings stellt der Wärme- und Kältebedarf trotz Energieeinsparungen noch immer einen großen Anteil am Energiebedarf dar. Gleichgültig welche Speichertechnologie sich durchsetzen wird, ökologischer als Wasser wird keine sein. Dabei können 10 m3 bei einer Temperaturspreizung von 5 Kelvin 58 kWh an Nutzenergie bzw. indirekt 12 kWh an elektrischer Regelenergie und im Bedarfsfall in Ausnahmesituationen problemlos doppelt oder dreimal soviel Energie puffern. Ist zusätzlich eine Betonkernaktivierung vorhanden sind Energieverlagerungen von 12 Stunden kein Problem. Diese Puffermöglichkeiten, die in Ausnahmefällen durch eine geringere Effizienz von Wärmepumpen oder Kältemaschinen erkauft werden, sind deshalb für ein Smart Grid so überaus bedeutend, da sie Speichersysteme ersetzen, die nur wenige Male im Jahr gebraucht würden, und so sehr hohe spezifische Investitionskosten je gespeicherter kWh aufweisen würden.

Ein Kaltwasserspeicher ist auch deshalb interessant, weil er nicht nur als indirekter Stromspeicher genutzt werden kann, sondern zu jeder Zeit, in der er nicht als „Stromspeicher“ genutzt werden braucht, dazu dienen kann, kühle Nachtstunden für die Kälteproduktion zu nutzen oder den effizienten Teillastbereich auszuschöpfen. Gleichzeitig kann durch die verringerten Start- und Stoppvorgänge die Lebensdauer der Kältemaschinen gesteigert werden. Wird zusätzlich bedacht, dass etliche Gebäude über Sprinklertanks mit über 100 m3 Kaltwasser verfügen, wird deutlich welches Potenzial in unseren Gebäuden schlummert. Smart Grid bedeutet letztlich Synergien zu nutzen und diese finden sich nicht, wenn blind nach Batterien geschrien wird und hier auf einen Mangel hingewiesen wird. Synergien lassen sich in der Gebäudetechnik und dem Verständnis von Energiebedarf und Komfortansprüchen finden.

Was ist die tragende Rolle der alternative Energieproduktion?

Die alternative Energieproduktion in Funktionalgebäuden ist deshalb wichtig für ein Smart Grid, da diese eine Schnittstelle zwischen dem Strom-, Wärme- und Gasmarkt darstellen und mitunter bedeutende Leistungsanforderungen aufweisen. Auch wenn sich viele Diskussionen in Bezug auf Smart Grids auf Bedarfsglättung und Stromspeicher zur Nutzung von Peaks an Solar- und Windenergie konzentrieren, so wird beides nicht die Herausforderung sein, die sich in Hinblick auf ein erneuerbares Energiesystem stellen wird. Bei Smart Grid geht es nämlich nebst der Nutzung von erneuerbaren Energien vor allem auch um Versorgungssicherheit. Werden die Produktionsprofile in einem Stromnetz mit erneuerbaren Energien betrachtet[2], so ist festzustellen, dass dort kein Platz mehr für Grundlastkraftwerke, wie Kohle- oder Kernkraftwerke vorhanden ist. Andere Technologien wie dezentrale BHKW, Gaskraftwerke und ähnliches müssen dann aber in Perioden mit sehr geringen Wind- und Solarausbeuten die benötigte Leistung bereitstellen können und demnach zu allen anderen Zeiten kein Strom produzieren. Je höher der Strombedarf in den ungünstigen Perioden ist, umso mehr muss solche Leistung vorgehalten werden, wenngleich der Strombedarf in Zeiten von großen Wind- oder Solarangeboten möglichst hoch sein soll und den Wärmebedarf soweit wie möglich befriedigen soll. Denn der Umweg über elektrischem Strom, ist die einzige Möglichkeit um unseren Wärmebedarf im großen Stil mit erneuerbaren Energien zu versorgen. In diesem Kontext wird auch gerne von Power-to-gas oder Power-to-heat gesprochen.

Fakt ist, dass bei modernen Funktionalgebäuden Wärmepumpen die Wärme- sowie die Kälteversorgung übernehmen können. Insbesondere bei Luftwärmepumpen verschärft aber das Effizienzproblem im Winter das Versorgungsproblem.

Deshalb sollte hier die Verbindung zwischen Gas-, Strom- und Wärmesektor durch alternative Energiequellen geschaffen werden. Neben Wärmepumpen sollte dann im Bedarfsfall, also stromgeführt, ein BHKW, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle die Wärmeversorgung alternativ zur Wärmepumpe übernehmen und nicht nur den Strombedarf durch die Abschaltung der Wärmepumpe senken, sondern gleichzeitig einen Teil der benötigten Versorgungssicherheit durch eigene Stromproduktion übernehmen.

Was hier aber noch im Verständnis und in den Regulierungen fehlt, ist die ökologische Notwendigkeit für all jene Technologien, die die Integration von erneuerbaren Energien fördern. Noch sind alle Bewertungsmethoden rein eindimensional und kennen nur schwarz und weiß bei Technologien oder Energiearten. Ein Denken in Richtung Smart Grid fehlt hier noch gänzlich. Wenn wir nicht lernen Gebäude als Teil des Systems zu betrachten, brauchen wir uns nicht zu wundern, dass sich Gebäude nicht so wandeln, wie es für das System von Nutzen wäre.

[1] Luxemburg in Zahlen, Statec, 2016