Auf die VERTEILUNGkommt es anVon Dr. Franz Trieb

Das 50-Megawatt-Kraftwerk Andasol 1 bei Guadix, Südspanien, im Bauzustand 2007. Als große Tanks erkennbar:

Sieben-Stunden-Speicher für den Nachtbetrieb. Das Kraftwerk soll zum Herbst 2008 am Netz sein.

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Internationale Energieverbünde: Nachhaltige Energieversorgung als Teil der Außenpolitik

Schon heute zeigt sich, dass im Energiebereich

ein Paradigmenwechsel notwendig wird, um

zunehmende Energiekosten, Umweltschäden,

Konflikte und Verteilungskämpfe zu vermeiden:

weg von den klassischen, unter der Erde gespei-

cherten Energieformen Öl, Gas, Kohle und Uran,

hin zu den frei fließenden erneuerbaren Energie-

strömen Wasserkraft, Biomasse, Windenergie,

Geothermie, Gezeiten- und Wellenenergie sowie

Sonnenenergie. Im Rahmen mehrerer Studien im

Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt,

Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) hat die

Abteilung Systemanalyse und Technikbewertung

des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik

in Stuttgart eine Bestandsaufnahme der Verfüg-

barkeit erneuerbarer Energiequellen für die Strom-

erzeugung im Großraum Europa-Mittlerer Osten-

Nordafrika erstellt.

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Betrachtet man die Prognosen fürEuropas Energiebedarf bis zur Mittedes 21. Jahrhunderts, kann man se-hen, dass mit einem vergleichsweisemoderaten Wachstum des Stromver-brauchs – allerdings auf hohemNiveau – zu rechnen ist. Begründetist das durch die relativ konstantenBevölkerungszahlen und das mode-rate Wirtschaftswachstum. Im Südendes Mittelmeerraums, im MittlerenOsten und in Nordafrika sieht dasganz anders aus: Dort nimmt dieBevölkerung zu, die Wirtschaftskraftwächst und der Energiebedarf steigt.Es wächst praktisch ein zweites Euro-pa heran, eine Tatsache, die durch-aus wünschenswert ist, aber eineHerausforderung für eine nachhalti-ge Versorgung der GesamtregionEuropa-Mittlerer Osten-Nordafrikadarstellt, kurz EUMENA genannt fürEurope-Middle East-North Africa.

Unterschiedliche Verfügbarkeit

Die Untersuchung zeigte, dass in die-ser Region große Mengen erneuer-barer Energie zur Verfügung stehen,allerdings in ganz unterschiedlichenErscheinungsformen, Konzentratio-nen und Zusammensetzungen. Sokönnen aus Biomasse mit der heuteverfügbaren Technologie an gutenStandorten im Herzen Europas jedesJahr bis zu zwei Gigawattstunden(GWh), das sind zwei Millionen Kilo-wattstunden, Elektrizität pro Quadrat-kilometer Landfläche „geerntet“ wer-den. Ähnlich verhält es sich bei der(noch nicht ganz ausgereiften) Nut-zung geothermischer Energie aussehr tiefen Schichten (Hot Dry RockVerfahren). Bei Wasserkraft undWindkraft steigt der Ertrag auf 50bis 70 GWh pro Quadratkilometerund Jahr (GWh/km2/a) an, zumindestan den guten Wasserkraftstandortenin Skandinavien und in den Alpen,ebenso wie bei der Windkraft an derAtlantik- und Nordseeküste, Offshore,

und an besonders exponiertenStandorten auch im Inland. Dochwerden diese Erträge durch die direk-te Nutzung der Sonnenenergie mitPhotovoltaikanlagen und vor allemmit großen solarthermischen Dampf-kraftwerken deutlich in den Schattengestellt: Hier schlägt der Stromertragmit ca.150 bis 250 GWh/km2/a imsüdlichen Mittelmeerraum zu Buche.

Wasser und Wind imSchatten der Sonne

Vernachlässigt man alle Flächen, diesich aus den verschiedensten Gründennicht für die Aufstellung der notwen-digen Gerätschaften eignen und be-rücksichtigt man nur jene Potenziale,die durch technische Entwicklung,Serienfertigung, Massenproduktionund ausreichende Erträge in abseh-barer Zeit konkurrenzfähig werdenkönnten, dann ergeben sich für dieRegion EUMENA die folgenden Ge-samtpotenziale für die Stromerzeu-gung aus erneuerbaren Energiequel-

Maximale jährliche Stromerträge verschie-

dener Kraftwerkstypen bezogen auf die

benötigte Landfläche bei Freilandanlagen

in der Region Europa-Mittlerer Osten-

Nordafrika.

0 50 100 150 200 250 300

Jährliche Elektrizitätsausbeute in Millionen kWh pro km2

SolarthermischesKraftwerk

Photovoltaikanlage

Wasserkraftwerk

Windkraftwerk

Geothermiekraftwerk

Biomassekraftwerk

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len, angegeben jeweils in Terawatt-stunden, TWh (eine TWh entsprichteiner Milliarde Kilowattstunden):

Wasserkraft 1.350 TWh/aWindkraft 1.950 TWh/aBiomasse 1.350 TWh/aGeothermie 1.100 TWh/aSonnenenergie 630.000 TWh/a

Auch hier stellt die direkte Nutzungder Sonnenenergie die aus ihr abge-leiteten Energieformen Wind, Bio-masse und Wasserkraft sowie auchdie Geothermie weit in den Schat-ten. Das Sonnenstrompotenzial über-steigt den heutigen Weltstrombedarfvon etwa 18.000 TWh/a um Größen-ordnungen, während die anderenEnergieformen nicht ausreichen würden, um allein den Bedarf derRegion EUMENA von heute – etwa4.000 TWh/a – abzudecken.

Energie ist also ausreichend, ja sogarim Überfluss, vorhanden. Aber esstellt sich die Frage: Ist sie auch dortverfügbar, wo sie gebraucht wird undvor allem auch dann, wenn sie ge-

braucht wird? Oder brauchen wirriesige Speicherkapazitäten im Strom-netz, um die räumlich weit verteiltenund fluktuierenden erneuerbarenEnergieströme an die Spitzen-, Mittel-und Grundlast anzupassen?

Spitzenlast wird heute durch schnellregelbare Kraftwerke gedeckt. Diesewerden im Bedarfsfall zugeschaltet,um das Stromnetz zu stabilisieren.Sie laufen nur wenige hundert bistausend Stunden im Jahr und arbei-ten meistens mit Erdgas oder gespei-cherter Wasserkraft. Mittellast wirddurch Kraftwerke gedeckt, die weni-ger gut regelbar sind und mehr Zeitzum Anfahren benötigen, wie bei-spielsweise Kohlekraftwerke. Grund-last wird heute in der Regel durchBraunkohle-, Kohle- und Atomkraft-werke gedeckt, die beinahe durch-gehend bei konstanter Leistung ar-beiten.

Die Grundlast selbst wird jedoch nichtdurch große, kontinuierlich laufendeVerbraucherblöcke realisiert, sondernsie ist sozusagen der Sockel, der durch

die statistische Addition vieler räum-lich verteilter und fluktuierender Ver-braucher entsteht. Entsprechend ver-hält es sich mit den verschiedenenerneuerbaren Energiequellen, diedeshalb im Prinzip genauso gut zurDeckung der Grundlast geeignetsind; allerdings fast immer im Ver-bund, selten alleine. Dies konnte füreine ganze Reihe von Ländern miteinem einfachen Rechenmodell be-legt werden. Es bilanzierte den stünd-lichen Verlauf der Last mit dem stünd-lichen Verlauf der Stromerzeugungaus verschiedenen erneuerbaren undfossilen Energiequellen. Weiterhinkonnte gezeigt werden, dass durcheinen moderaten Umbau der Netz-struktur die Voraussetzungen fürein solches Szenario beispielsweiseauch in Deutschland geschaffen wer-den können.

Ein weiteres Ergebnis der vom DLRdurchgeführten Untersuchung war,dass eine zuverlässige Deckung derelektrischen Last mit einem ausge-wogenen Mix erneuerbarer und fos-siler Energiequellen durchaus zu be-

Jährliche direkte solare

Einstrahlung pro Quadrat-

kilometer Landfläche in

der Region Europa-Mittlerer

Osten-Nordafrika in Giga-

wattstunden (GWh/ km2/a).

Quelle: www.dlr.de/tt/med-csp

<600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850- - - - - - - - - - - - - - - -

749 899 1049 1199 1349 1499 1649 1799 1949 2099 2249 2399 2549 2699 2849 3000

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werkstelligen ist. Bei diesem Konzeptübernehmen die Erneuerbaren weit-gehend die Grundlast, während fos-sile Energieträger, bei gleichzeitigstark reduziertem Verbrauch, einenwichtigen Teil der Regelleistung zumAusgleich von Angebot und Last lie-fern.

Ein Teil der Regelleistung wird jedochauch und zunehmend durch gut spei-cherbare erneuerbare Quellen wieGeothermie, Wasserkraft, Biomasseund solarthermische Kraftwerke über-nommen. Auf dieser Basis wurde einSzenario des Kraftwerksparks fürjedes einzelne der untersuchten 50Länder in der Region EUMENA biszum Jahr 2050 erstellt. Die erneuer-baren Energiequellen kommen imWesentlichen dort zum Einsatz, wosie am ergiebigsten und am bestenverfügbar sind, und werden von dortüber das Stromnetz an die einzelnenVerbraucher verteilt. ZusätzlicheStromspeicher werden nicht benötigt.

Strom aus dem Süden

Dabei muss berücksichtigt werden,dass der Ertrag eines großen Wind-parks nicht in das lokale Netz einge-speist werden kann, sondern übereine Hochspannungsleitung in dienächste Großstadt geschafft werdenmuss, eben dorthin, wo der entspre-chende Bedarf auftritt. Dies ist imGrunde nichts Neues und wird bisherauch bei anderen Kraftwerkstypenwie Kohle- und Atomkraftwerken sogehandhabt. Will man Wasserkraftaus Norwegen, Windstrom aus derNordsee oder Solarstrom aus der Sa-hara auch in Deutschland nutzen,dann werden die Entfernungen aller-dings sehr groß, und das konventio-nelle Wechselstromnetz würde großeÜbertragungsverluste verursachen.

Deshalb werden zunehmend „Strom-autobahnen“ auf der Basis der Hoch-spannungs-Gleichstromübertragungs-technik (HGÜ) entstehen, um Strommit nur wenigen Prozenten Verlust

von den ergiebigsten Quellen zu denentfernten Verbrauchszentren zubringen. In China wurde dieses Jahrmit dem Bau einer solchen HGÜ-Lei-tung von 2.070 Kilometern Länge miteiner Leistung von 6.400 Megawattbegonnen, die ein großes Wasser-kraftwerk mit Shanghai verbindet.Dort wird der Strom ins konventionel-le Wechselstromnetz eingespeist undüber dieses an die Verbraucher ver-teilt. So könnte auch Solarstrom ausAlgerien oder Marokko mit nur zehnProzent Verlust im Ruhrgebiet ankom-men. Damit würde für Europa eineMöglichkeit erschlossen, die unge-heuren Energieressourcen des süd-lichen Mittelmeerraums auch andern-orts zu nutzen.

Das oben beschriebene Szenario siehteinen Anteil von Solarimporten vonetwa 15 Prozent der StromversorgungEuropas bis zum Jahr 2050 vor (100GW, 700 TWh/a). Dieser Strom wirdzum größten Teil nicht aus den hier-zulande wohlbekannten Photovol-taikzellen kommen, sondern aus gutregelbaren solarthermischen Dampf-

Installierte elektrische

Leistung verschiede-

ner Kraftwerkstypen

bis 2050 in der Region

EU-MENA. Die Grafik

zeigt ebenso die ku-

mulierte Spitzenlast

aller Länder und die

kumulierte gesicherte

elektrische Leistung

aller Kraftwerkstypen

im Vergleich.

Quelle: Trieb und

Müller-Steinhagen

2007 2000 2010 2020 2030 3040 2050

Jahr

2400

2000

1600

1200

800

400

0

Photovoltaik

Wind

Geothermie

Wasserkraft

Biomasse

Wellen/Gez.

Solarth. Kraftw.

Öl und Gas

Kohle

Nuklear

Gesicherte Leistung

Spitzenlast

Inst

allie

rte

Leis

tun

g(G

W)

kraftwerken, die Dampf aus konzen-trierenden Sonnenkollektoren (anstel-le von fossil oder atomar beheiztenDampferzeugern) für den Betrieb der Turbinen verwenden und mit Hilfe großer Hochtemperatur-Wär-mespeicher auch nachts Strom pro-duzieren können.

Solarthermische Dampfkraftwerkesind in Kalifornien seit 1985 erfolg-reich am Netz. Insgesamt wurdendort im letzten Jahrhundert 354 MWinstalliert, die größte derzeit mitSonnenenergie betriebene Dampf-turbine hat eine Leistung von 80MW. Im Jahr 2007 ging in Nevadaein Kraftwerk dieses Typs mit 64 MWLeistung ans Netz, und viele weiteremit einer Gesamtkapazität von insge-samt über 7.000 MW sind weltweitim Bau und in der Planung. So ent-stehen derzeit zwei Kraftwerke mitje 50 MW Leistung in Andalusien,mit einer thermischen Speicherkapa-zität für bis zu sieben Stunden Voll-lastbetrieb bei Nacht.

Trans-Mediterrane „Stromautobahnen“

zur Verbindung von EU-MENA auf der

Basis der Hochspannungs-Gleichstrom-

übertragung als Ergänzung zum konven-

tionellen Wechselstromnetz.

Quelle: Knies, Möller, Straub 2007

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Für die Region Mittlerer Osten-Nord-afrika (MENA) ergibt sich daraus einebenso interessantes Szenario: Erstenskönnten Solarstromexporte dieabsehbaren zukünftigen Rückgängevon Öl- und Gasexporten wenigstenszum Teil kompensieren, und zweitenseröffnen solare Dampfkraftwerke dieOption der Kraft-Wärme-Kopplungzur Kälteerzeugung und Meerwas-serentsalzung, beides Produkte, dieneben Strom eine zunehmendeBedeutung in der Region gewinnen.Eine nachhaltige Quelle für Energieund Wasser könnte auch eine Schlüs-selrolle bei einer friedlichen Lösungder zahlreichen Konflikte der Regioneinnehmen, ist doch der Streit umEnergie und Wasser oft die Ursacheder Auseinandersetzungen.

Und auch die Umwelt würde vonsolch einem Szenario profitieren: Die Kohlendioxidemissionen würdenanstatt bis zum Jahr 2050 auf knapp4.000 Millionen Tonnen pro Jahr an-zusteigen, im Stromsektor der RegionEUMENA bis 2030 trotz des starkenWachstums des Stromverbrauchs

Die hier zusammengefassten Studien

wurden im Internet veröffentlicht

unter den Adressen:

www.dlr.de/tt/med-csp

www.dlr.de/tt/trans-csp

www.dlr.de/tt/aqua-csp

auf einem konstanten Niveau vonetwa 2.000 Millionen Tonnen proJahr gehalten und dann bis 2050auf etwa 700 Millionen Tonnen proJahr reduziert. Damit sinkt der Aus-stoß pro Einwohner auf etwa 0,6Tonnen pro Kopf und Jahr, eineZahl, die mit den allgemeinen lang-fristigen Klimaschutzzielen verein-bar wäre.

Der gesamte Flächenverbrauch deserforderlichen erneuerbaren Kraft-werkparks im Jahr 2050 entsprächeetwa einem Prozent der verfüg-baren Landfläche, das wäre etwasoviel wie der Transportsektor mitseinen Straßen und Plätzen heutein Europa einnimmt.

Autor:

Dr. Franz Trieb befasst sich im Institut

für Technische Thermodynamik des DLR

in Stuttgart mit Systemanalyse und

Technikbewertung.

Solarth. Kraftw.

Photovoltaik

Windkraft

Wasserkraft

Biomasse

Geothermie