Effizient Strom produzieren

In allen ernstzunehmenden Plänen für eine Energiewende ist von Energieeffizienz die Rede. Was verbirgt sich hinter diesem Wort?

Der für die Energiewende so grundlegende Begriff Effizienz heißt auf Deutsch „bewirken“ (von lateinisch efficere) und bezeichnet das Verhältnis vom Ziel und dem Aufwand, der zum Erreichen dieses Ziels nötig ist. Auch effektives Verhalten erreicht eine zielgerichtete Wirkung, aber beim effizienten Verhalten ist im Gegensatz dazu der Aufwand möglichst gering. Und hier lässt sich der Bogen zur Energieeffizienz schlagen: Daran mangelt es unserem System der Energieversorgung, denn wir verschwenden an allen Ecken und Enden wertvolle Energie. 

Bestes Beispiel ist der Standby-Verbrauch z.B. von TV-Geräten. Während ältere Geräte 10 Watt und mehr Daueranschlussleistung aus dem Netz beziehen, schaffen neue Geräte im Schnitt schon nur noch 1 Watt. Hochgerechnet auf ein Jahr Betriebszeit ergibt sich eine signifikante Einsparung:

10 W x 8760 Stunden/Jahr = 87,6 kWh/Jahr –> 1 Watt x 8760 Stunden/Jahr = 8,7 kWh/Jahr

Die Ersparnis innerhalb eines Jahres von nur einem Gerät beträgt also 78,9 Kilowattstunden pro Jahr. Bei einem Strompreis von rund 27,2 Cent pro Kilowattstunde ergibt sich eine Einsparung von 21,46 Euro pro Jahr – und das durch nur ein energieeffizientes Elektrogerät! Würden alle 40 Millionen Haushalte in Deutschland im Schnitt 9 Watt Standby-Leistung einsparen, könnte man ein mittelgroßes Kohlekraftwerk abschalten. Und das Einsparpotential in Deutschland ist noch viel höher, denn auch in Büros und in Gewerbebetrieben gibt es viele Standby-Stromfresser. Am Lebensstandard würden diese Sparmaßnahmen gar nichts ändern – nur an der Stromrechnung.

Energieeffizienz hat oft mehrere positive Aspekte. Zum Beispiel benötigt eine effiziente Waschmaschine oder Geschirrspülmaschine weniger Strom und weniger Wasser, und Wäsche und Töpfe werden mit diesen effizienten Geräten genauso sauber gespült. Ein effizienter Kühlschrank macht weniger Lärm, bildet innen kein Eis und außen kein Kondenswasser und hält oft auch länger. Eine effiziente Beleuchtung bietet mehr Licht dort, wo es benötigt wird. Effizienz bedeutet also: größere Wirkung mit weniger Energieeinsatz.

Alte Energie: Schluss mit Strom aus Kohle und Atom

Der deutsche Strommarkt war in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts vergleichsweise einfach aufgebaut: Wenige, große Atom- und Kohlekraftwerke produzierten rund um die Uhr Strom. Wir hatten (und haben größtenteils immer noch) ein zentrales System der Stromversorgung, das an wenigen großen Kraftwerksstandorten Strom produziert/e und ihn über Überlandleitungen zum Verbraucher in die Wohnung brachte bzw. bringt. Strom ist in diesem System eigentlich immer wie selbstverständlich vorhanden, und kaum einer macht sich Gedanken darüber, wie und wo er produziert wird. 

Um so eine kontinuierliche Stromversorgung, wie wir sie gewohnt sind, aufrechtzuerhalten, müssen die Stromversorger sogenanntes Lastmanagement betreiben. Weil man Strom nicht gut speichern kann, muss die Erzeugung ständig dem schwankenden Verbrauch angepasst werden. Deutschland ist 2023 aus der Atomenergie ausgestiegen, der Kohleausstieg soll spätestens 2038 vollzogen sein. Unser künftiges Energiesystem muss flexibler sein - im Zusammenspiel von erneuerbaren Energien mit Speicherlösungen und Effizienzmaßnahmen gelingt das auch.

Was heißt Grundlast, Mittellast und Spitzenlast?

Man unterscheidet im Stromsektor verschiedene Verbrauchsmuster: An Werktagen ist der Stromverbrauch höher als am Wochenende, im Winter höher als im Sommer. Morgens, mittags und abends erreicht der Stromverbrauch Spitzenwerte, im Jargon der Strombranche ist das die Spitzenlast.

Die Strommenge, die immer, das heißt 24 Stunden am Tag an 365 Tagen im Jahr, gebraucht wird, bezeichnet man als Grundlast. Grundlast-Kraftwerke (früher Atom, leider immer noch Kohle) sind schlecht regelbar und am wirtschaftlichsten, wenn sie über Monate konstant durchlaufen. Wenn mehr Strom erzeugt wird, als man im Moment benötigt, kann die Überschussenergie z.B. dazu verwendet werden, Wasser in höher gelegene Speicherseen zu pumpen. So kann es im Bedarfsfall später zur Stromerzeugung genutzt werden. Nachteil der Stromproduktion rund um die Uhr: Es wird Strom erzeugt, der gar nicht gebraucht wird. Um den nachts erzeugten Strom trotzdem verkaufen zu können, erfand man in den 1950er Jahren die Nachtspeicherheizungen, die wegen der doppelten Energieumwandlung eine besonders schlechte Energieausbeute aufweisen.

Die nächste Ebene des Strombedarfs ist die Mittellast. Dabei handelt es sich um die regelmäßige Ausbuchtung der Lastkurve oberhalb der Grundlast, etwa zum Zeitpunkt des vermehrten Stromverbrauchs mittags und abends. Diese stundenweise Belastung des Stromnetzes ist vorhersehbar und wird noch von Steinkohlekraftwerken abgedeckt. Für die Stromversorgung in Spitzenlastzeiträumen werden Pumpspeicherkraftwerke und flexibel regelbare Gasturbinenkraftwerke eingesetzt. Innerhalb von wenigen Minuten erbringen ihre Generatoren die volle Leistung.

Neue Energie: Viele intelligent gesteuerte Kraftwerke

Es liegt auf der Hand, dass das Zusammenspiel der verschiedenen Krafwerkstypen ganz anders organisiert werden muss, wenn nicht nur der Verbrauch schwankt, sondern, wie z.B. bei der Stromerzeugung mit Sonne und Wind, auch das Angebot. Die Energiewende erfordert im Stromsektor einen starken Umbau des bestehenden Stromerzeugungssystems. Das Konzept der Grundlast wird es im neuen System, das auf erneuerbaren Energien fußt, in der Form nicht mehr geben. Für die Übergangszeit zu einer Komplettversorgung auf der Basis von Sonne, Wind, Wasser, Biomasse und Erdwärme brauchen wir zur Ergänzung der erneuerbaren Energien vorübergehend flexibel regelbare Kraftwerke (noch mit klimaschädlichem Gas, perspektivisch mit grünem Wasserstoff betrieben), die die Stromlücke zwischen Verbrauch und regenerativ erzeugtem Strom auffüllen.

Virtuelle Kraftwerke

Unser Energieversorgungssystem wird sich grundlegend ändern müssen, wenn es zunehmend stärker und gegen Ende des 21. Jahrhunderts komplett auf erneuerbaren Energien beruhen soll. Interessanteste Herausforderung des neuen Systems wird die Abstimmung von Stromangebot und Nachfrage sein. Das Management dieser Herausforderung wird oft mit dem Schlagwort virtuelles Kraftwerk beschrieben. Im Grunde handelt es sich dabei nur um ein komplexeres Lastmanagement. Innovative Regelungstechnik und intelligente Steuerung - das sind die Anforderungen an die Stromwirtschaft der Zukunft.

Aber der Umbau der Stromwirtschaft ist ein Prozess, der gegen den Widerstand der großen, etablierten Energieversorger zu kämpfen hat (denn die verdienen zurzeit noch gut an der konventionellen Stromerzeugung und sehen keinen Anlass, etwas zu ändern) und der Zeit braucht. Um bis zur kompletten Umstellung nicht unser Klima zu ruinieren, müssen wir aber heute entschlossen damit anfangen.

Erneuerbare Energien - der Mix macht's

Das Lastmanagement mit erneuerbaren Energien ist machbar und nicht so schwierig, wie von den Stromversorgern oft behauptet wird. Denn:

• Nicht alle erneuerbaren Energien bieten ein schwankendes Angebot. Laufwasserkraftwerke sind Grundlastkraftwerke, Stauseen können völlig flexibel in der Grund-, Mittel- oder Spitzenlast eingesetzt werden. Auch Biomassekraftwerke sind steuerbar, geothermische und solarthermische Kraftwerke sind ebenfalls grundlastfähig.
• Windprognosen oder Sonnenprognosen machen das Wind- oder Sonnenstromangebot für Stunden oder Tage im Voraus zuverlässig berechenbar.
• Wenn das Windstromangebot im Verhältnis zur Nachfrage zu groß ist, kann Windstrom genau wie heute überschüssiger Atomstrom mit Hilfe von Pumpspeicherkraftwerken gespeichert werden. Hier konkurrieren Wind- und Atomstrom um die knappe Speicherkapazität.
• Schnelle Ausgleichskraftwerke: Schnell regelbare wasserstofffähige Gaskraftwerke (in Zukunft mit grünem Wasserstoff) ergänzen als zuschaltbare Reserve die fluktuierenden erneuerbaren Energien.
• Virtuelle Kraftwerke: Ein Softwarepaket von Prognose-, Leit- und Automatisierungssystemen verbindet z.B. fünf Blockheizkraftwerke, zwei Windparks, eine Photovoltaikanlage und ein Wasserkraftwerk zu einem System, das die Energieerzeugung abhängig von den verteilten technischen Möglichkeiten, dem prognostizierten Bedarf der Verbraucher und den Einkaufskonditionen des Stromversorgers optimiert. Auch die Einbindung der Verbraucher ist Ziel bei der Entwicklung virtueller Kraftwerke. Denn man kann die Nachfrage steuern. Bestimmte Geräte (z.B. Kühlschränke) eignen sich zum Stromspeichern. Sie müssen mehrmals am Tag anspringen, um zu kühlen - aber wann, ist ihnen ziemlich egal. Wenn alle norddeutschen Kühlschränke immer dann anspringen würden, wenn eine Sturmböe die Stromproduktion aus Windkraft hoch treibt, würde das diese Erzeugungsspitze schnell abbauen. Ein norwegischer Stromanbieter nutzt diese Idee schon, indem er privaten Haushalten auf freiwilliger Basis in Spitzenzeiten ein Signal zum Stromabschalten sendet.

In Deutschland machen die Ökostromanbieter, die mit einem professionellen Lastmanagement ihre Kunden mit Strom aus Erneuerbaren Energien versorgen, seit Jahren erfolgreich vor, dass die Energiewende möglich ist: Ihre Kunden sitzen nicht im Dunkeln. Das können diejenigen, die den Stromwechsel schon gewagt haben, aus eigener Erfahrung bestätigen. Mehr noch: Die Kunden wissen, dass sie durch die Wahl eines sauberen Stromanbieters aktiv Klimaschutz betreiben und Teil der Energiewende sind.

Schlummernde Effizienzpotenziale

Im Stromsektor gibt es riesige Einsparmöglichkeiten. Durch das bloße Ausschalten des Stand-By-Modus bei Elektrogeräten (Fernseher, Computer und Co) können Verbraucher in jedem Haushalt Strom und Geld einsparen. Wenn die Mehrheit aller Haushalte dies täte, dann könnten mehrere große Kraftwerke praktisch sofort abgeschaltet werden.

Zukunftsfähig: Dezentrale Energieversorgung

Unter dezentraler Energieversorgung versteht man Energieerzeugung am Verbrauchsort oder in der direkten Umgebung. Strom und Wärme werden idealerweise über ein lokales Verteilungsnetz an Privathaushalte, Bürogebäude und Gewerbeeinrichtungen verteilt. Die räumliche Nähe der Strom erzeugenden Anlage zu den Verbrauchern ermöglicht den Transport von Abwärme zu nahegelegenen Gebäuden. Anlagen, die nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplungs-Technik (KWK) funktionieren, produzieren gleichzeitig Strom und Wärme. Das bedeutet, dass nahezu die gesamte Eingangsenergie verwendet wird und nicht nur ein Bruchteil, wie bei den herkömmlichen zentralen Kraftwerken, die mit fossilen oder nuklearen Brennstoffen betrieben werden. Während diese Kraftwerke einen Wirkungsgrad von 35–45 Prozent haben, liegt der Wirkungsgrad von KWK-Anlagen bei über 80 Prozent.

Der verstärkte Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung erhöht die Effizienz der Energieumformung im Versorgungsnetz unabhängig davon, ob Steinkohle, Erdgas oder Biomasse verwendet wird. Langfristig werden jedoch die sinkende Nachfrage nach Wärme und das große Potenzial der direkten Wärmegewinnung aus erneuerbaren Energiequellen die weitere Entwicklung der Kraft-Wärme-Kopplung begrenzen.

Unter dezentraler Energie versteht man auch Insel-Anlagen, eigenständige Systeme, die nicht an öffentliche Netzwerke angeschlossen sind.