Energiewende: So treiben wir die Transformation mit digitalen Technologien voran

Torge Petersen

Welche Aufgaben übernehmen digitale Technologien bei der Transformation unseres Energiesystems hin zu 100 Prozent erneuerbaren Energien? In dem neusten Greenbook „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“ hat RESET.org Lösungen recherchiert und Expert*innen befragt - hier sind die Erkenntnisse.

Autor Sarah-Indra Jungblut, 06.10.22

Übersetzung Christian Nathler:

Die Stellschrauben sind bekannt

„Wetterextreme schlagen in Europa mittlerweile deutlich härter zu, als die Klimaforschung es sich hätte träumen lassen“, stellt nicht nur das Wuppertal Institut fest. An kaum jemandem dürften die in ihrer Frequenz sich erhöhenden Bilder brennender Wälder, überfluteter Landschaften und von Stürmen zerlegter Häuser vorbeigegangen sein. Und in vielen Ländern des Globalen Südens fallen die Wetterextreme noch viel heftiger aus. Wir sind schon mitten im Klimawandel – und es ist höchste Zeit zu handeln. Leider hinken fast alle Länder beim Klimaschutz hinter den eigenen Zielen hinterher. Auch für Deutschland ist das schon ziemlich zeitnahe EU-Emissionsreduktionsziel, bis 2030 40 Prozent weniger CO2 in die Atmosphäre zu emittieren, mit dem aktuellen Kurs der Bundesregierung schier unerreichbar.

Die gute Nachricht: Die Ursachen des Klimawandels sind bekannt und die Wege aus der Krise auch. In der Forschung wurden über die letzten Jahrzehnte sehr konkrete Transformationspfade erarbeitet. Die Studie Klimaneutrales Deutschland 2045 zeichnet zum Beispiel ein Szenario, mit dem Klimaneutralität bereits 2045 möglich ist – mit dem heutigen Stand der Technik.

Einer der größter Hebel auf dem Weg zu Klimaneutralität in Deutschland ist es, bei der Energiewirtschaft und Industrie anzusetzen. Aktuell verursacht dieser Sektor die meisten CO2-Emissionen: Die Erzeugung von Strom und Fernwärme in öffentlichen Kraftwerken und die Herstellung von Kohle- und Mineralölprodukten ist für mehr als ein Drittel der gesamten CO2-Emissionen verantwortlich.

Mit dem RESET Greenbook „Energiewende- Die Zukunft ist vernetzt“ hat sich das Redaktionsteam von RESET.org daher auf die Suche nach Antworten auf die Frage begeben, wie die Transformation hin zu einem klimaneutralen Energiesystem vorangetrieben werden kann. Der Schwerpunkt lag dabei auf digitalen Lösungen und technische Innovationen in der Energiewirtschaft und neuen Impulsen in der Industrie. Das Greenbook ist Teil des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekts „Mission Klimaneutralität“. Im Folgenden werden die zentralen Ergebnisse zusammengefasst.

Energiewende – Wo stehen wir aktuell?

Bereits heute sind Wind, Sonne, Biomasse und Wasser wichtige Energiequellen; ihr Anteil am Stromverbrauch stieg von gerade mal 6,5 Prozent im Jahr 2000 auf 41,1 Prozent im Jahr 2021.

Der Anteil der erneuerbaren Energien im Stromsektor fiel von 45,2 Prozent (2020) auf 41,1 Prozent (2021) des Bruttostromverbrauchs. Die negative Entwicklung ist laut UBA vor allem auf ungünstige ⁠Witterung⁠ im Jahr 2021 zurückzuführen.

In einem Gutachten des Öko-Instituts gehen die Autor*innen davon aus, dass die Energiewirtschaft ihr Sektorziel der im Koalitionsvertrag vereinbarten Klimamaßnahmen für 2030 tatsächlich unterschreiten könnte (andere zentrale Sektoren wie Verkehr, Industrie und Gebäude leider nicht!). Allerdings nur dann, wenn der Kohleausstieg tatsächlich bis 2030 gelingt, erneuerbare Energien ab sofort massiv ausgebaut werden und sich die CO2-Preise des europäischen Emissionshandelssystems erhöhen.

Vergessen werden sollte jedoch nicht, dass der Stromverbrauch in den nächsten Jahren aller Voraussicht nach weiter steigt, da auch die Mobilität und andere Sektoren nach und nach auf Strom umgestellt werden sollen.

Hoffnung auf einen sich in den nächsten Jahren beschleunigenden Ausbau erneuerbarer Energien macht nicht nur, dass die Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie immer kostengünstiger wird, sondern auch, dass sich bereits bestehende Technologien stetig weiterentwickeln. Beispiele sind Entwicklungsschübe bei der Herstellung von Wasserstoff, der Energiegewinnung aus Abwärme oder der Agro-Photovoltaik.

Wasserstoff

Wasserstoff ist ein entscheidender Energieträger für ein klimaneutrales Energiesystem. Er wird in einigen Bereichen der Grundstoffproduktion, des Schwerlast- und Luftverkehrs, bei der Energiespeicherung sowie als nicht-fossiler Chemierohstoff unverzichtbar sein. Dafür muss Wasserstoff rechtzeitig und in den erforderlichen Mengen verfügbar sein.

Zudem sind in den letzten Jahren verschiedene neue Speichertechnologien hinzugekommen. Effiziente und kostengünstige Speicher sind ein wesentlicher Baustein für die Transformation unseres Energiesystems, da die Ausbeute aus Sonnen- und Windenergie schwankt. Speicher helfen den Strombedarf zu bedienen, indem sie Strom einlagern, wenn es einen Überschuss gibt, und wieder abgeben, wenn Flaute herrscht. Welche Technologien sich durchsetzen werden, wird sich noch zeigen müssen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über verschiedene Speichermöglichkeiten: Energiespeichersysteme – Der Dreh- und Angelpunkt der Energiewende.

Daneben sind wesentliche Aspekte zur fossilen Unabhängigkeit Intelligenz und Effizienz im Netz. Ein Energiesystem, das sich aus erneuerbaren Energien speist, bedeutet eine zunehmende Dezentralisierung der Energiequellen und die Beteiligung von einer steigenden Anzahl an Akteur*innen am Markt. Die dadurch steigende Komplexität des Energiesystems erfordert neue Steuerungs- und Regelungsmechanismen: Lastflüsse und Netze müssen intelligent gesteuert werden und gleichzeitig Verbräuche durch mehr Effizienz sinken. Genau hier setzen digitale Technologien an und schaffen so eine wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Energiewende.

Die Transformation gelingt nur mit intelligenten Netzen

Für das komplexer werdende Energiesystem der Zukunft, in das mehr und mehr kleine und mittlere Erneuerbare-Energien-Anlagen integriert werden, sind neue, intelligente Mess- und Kommunikationstechnologien gefragt. Das Ziel ist es, damit ein „Smart Grid“, also ein intelligentes Stromnetz, aufzubauen, innerhalb dessen nicht nur Energie, sondern auch Daten transportiert werden, die es u.a. Netzbetreiber*innen ermöglichen, zeitnah Informationen zu Stromproduktion, -transport, -speicherung und -verbrauch zu erhalten, auszuwerten und auf dieser Basis Stromflüsse zu steuern. Algorithmen und digitale Tools können dabei unterstützen.

Intelligenz im Energiesystem bedeutet daneben aber auch, den Verbrauch zu flexibilisieren. „Das ist ein relativ neuer Gedanke, also dass man sagt, dass die Verbraucher nicht mehr linear einfach weiter verbrauchen, sondern dass sie dann mehr verbrauchen, wenn mehr Strom vorhanden ist, und weniger, wenn weniger Strom erzeugt wird“, sagt Severin Beucker, Mitgründer des Borderstep Instituts für Innovation und Nachhaltigkeit. Das bedeutet zum Beispiel, ein Elektroauto dann zu betanken oder in einem Haus Warmwasser zu erzeugen, wenn die Wind- und Sonnenenergieproduktion gerade auf Hochtouren läuft oder nachts, wenn das Energieniveau insgesamt niedrig ist. „Das ist Digitalisierung, denn alles, was wir dazu brauchen, ist fein verteilte Intelligenz. Ich muss wissen, wann wo wie viel Energie gebraucht wird und wann wo viel Energie erzeugt wird. Und diesen Bedarf und die Produktion, die muss ich aufeinander abstimmen.“

Die intelligente Vernetzung ermöglicht aber auch, den Strom zwischen verschiedenen Akteuren bzw. Sektoren hin- und herzuschieben, die sogenannte „Sektorkopplung“.

Wie das intelligente, klimaneutrale Quartier der Zukunft aussehen kann, wird zum Beispiel auf dem ehemaligen Pfaff-Betriebsgelände erprobt: Gründächer mit Photovoltaik (PV) und gebäudeintegrierte Solarpaneele an Fassaden und im öffentlichen Raum sollen einen Großteil des Energiebedarfs vor Ort erzeugen. Dezentrale Lithium-Ionen-Batterien innerhalb von Gebäuden und eine zentrale Redox-Flow-Batterie sorgen dafür, dass der lokal produzierte Strom auch vor Ort genutzt werden kann. Gleichzeitig sind alle Sektoren miteinander verbunden, so dass Strom und Wärme zwischen den verschiedenen Produzenten und Konsumenten –Solaranlagen, Wärmepumpen, Stromspeichern, Elektroautos, Haushalten – fließen können. Über einen elektrischen Smart Grid sind alle Stromverbrauchszähler und sonstigen Komponenten des Stromnetzes mit einem Datennetz verbunden und Strom und Wärme werden über ein digitales Energiemanagementsystems verteilt und lokal optimiert.

Fraunhofer ISE
Die Grafik zeigt, wie im Pfaff-Quartier die einzelnen Bereiche in einem intelligent vernetzten Sytsem zusammenspielen.

Auch in kleineren und mittleren Energiegemeinschaften, seien es Mietergemeinschaften, lokale Netzwerke aus Solaranlagenbetreibenden und Verbraucher*innen oder ganze Dörfer, können digitale Technologien den Peer-to-Peer-Handel und Energy-Sharing erleichtern. Hier geht es vor allem darum, Lösungen zu finden, wie Strom zwischen den verschiedenen „Zellen“ gehandelt werden kann. Ihr digitales Abbild können diese Energiegemeinschaften zum Beispiel in Virtuellen Kraftwerken (VPP) finden. Im Wesentlichen wird dazu der zentrale Kontrollraum großer, fossiler Kraftwerke durch den Einsatz von Software nachgebildet. Zusätzlich zum Energiehandel, dem Energieausgleich und der Nachfragesteuerung – die Anpassung der erzeugten Strommenge an die Nachfrage – können über VPPs die aktuellen Verbrauchsdaten mit Wetter- und Prognoseinformationen kombiniert werden, so dass eine sehr feine Netzsteuerung- und Planung möglich ist.

Energy-Sharing

Die Beteiligung der Bürger*innen an der Energiewende kann nicht nur  den Umbau deutlich beschleunigen. Die Teilhabe der Bürger*innen erhöht auch die Akzeptanz für die Veränderungen. Aussichtsreich ist dabei das Konzept des Energy-Sharings: Bürger*innen beteiligen sich an Windkraft- oder Solaranlagen in ihrer Umgebung und erhalten den produzierten Strom selbst vergünstigt. Laut einer Analyse des IÖW könnten über 90 Prozent aller Haushalte in Deutschland mit Energy-Sharing-Strom versorgt werden.  Allerdings machen die bestehenden Strukturen die Gründung von Energiegemeinschaften schwer. Die EU hat Energy Sharing bereits 2019 in der Erneuerbare-Energien-Richtlinie verankert, der regulatorische Rahmen ist in Deutschland längst überfällig.

Auch wenn Pilotprojekte wie das Pfaff-Quartier und verschiedene Ansätze Virtueller Kraftwerke den Weg weisen, so sind in Deutschland noch nicht die wesentlichen Voraussetzungen für intelligente, dezentrale Netze und die Einbindung und Flexibilisierung aller Akteur*innen geschaffen. Sowohl bei der Digitalisierung der eigentlichen Energienetze – zum Beispiel Transformatoren und Umspannwerke – als auch auf Ebene der Haushalte bzw. Verbrauchsgemeinschaften stehen wir am Anfang: Erst jetzt werden nach und nach digitale Messeinrichtungen wie zum Beispiel Smart Meter (intelligente Zähler) eingebaut.

Effizienz: Das beste Watt ist das, das nicht erzeugt werden muss

Gleichzeitig ist die Effizienz ein wichtiger Aspekt, damit die Transformation zu 100 Prozent Erneuerbaren gelingt. „Wir denken immer, wir würden die Probleme lösen, indem wir alles erneuerbar machen. Aber wir kommen von einem viel zu hohen Energieniveau. Auch für die erneuerbaren Energien sind die Flächen und die Möglichkeiten sehr begrenzt“, so Beucker. Soll die Energiewende also schnell umgesetzt werden, geht es darum, das Energieniveau insgesamt zu senken. Nur durch die Reduktion um 50 Prozent bis 2050 ist eine vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien überhaupt realistisch (vgl. Prognos, Öko-Institut, Wuppertal-Institut 2020).

Eine wichtiger Schritt, um die Effizienz in der Energiewirtschaft zu erhöhen, ist ein Netzausbau, der sich am tatsächlichen Bedarf orientiert, also Leitungen, Transformatoren und Umspannwerke so zu bauen, dass sie ein Gebiet optimal versorgen. Unter anderem Simulationen eines Energienetzes bzw. einer Energiegemeinschaft können dabei helfen, die Infrastruktur passgenau planen zu können. Ein Bespiel dafür ist PowerTAC. Das Open-Source-Projekt nutzt maschinelles Lernen für Simulationen und Prognosen und hilft so, ein besseres Verständnis für die Gestaltung des komplexen Energiemarkts zu erhalten.

Zusätzlich ist unverzichtbar, Energiesparpotenziale zu erkennen und sämtliche Prozesse durch eine intelligente Steuerung zu optimieren. Ein erster wichtiger Schritt ist dabei die Analyse des Systems, also zu prüfen, wo wie viel Energie für was verbraucht wird. Das interdisziplinäre Team von Etalytics beispielweise hat dazu eine ausgeklügelte Software auf Basis von Künstlicher Intelligenz entwickelt. Zahlreiche Sensoren innerhalb der Energiesysteme – das kann ein Heiz-oder Kühlsystem in einem Unternehmen oder eine Produktionsstrecke in einem industriellen Betrieb sein – erheben permanent Informationen über die Produktivität und den Zustand der Anlagen. Die KI von Etalytics führt diese Daten zusammen und berechnet dann in Echtzeit, wie die Betriebsstrategie innerhalb der Systeme so optimiert werden kann, dass möglichst wenig Energie aufgewendet werden muss. Schließlich werden die optimierten Daten in einzelne umsetzbare Schritte umgewandelt. Neben der Erhöhung der Energieeffizienz kann Etalytics die Systeme auch daraufhin optimieren, die Energieflexibilität zu erhöhen.

In einem Rechenzentrum konnte Etalytics mit seiner intelligenten Software 50 Prozent der Energie zum Kühlen der Server (was den Großteil des Energiebedarfs von Rechenzentren ausmacht) einsparen. Die intelligente Software des Startups soll jedoch nicht nur in Unternehmen und Produktionsanlagen eingesetzt werden können, sondern auch in Gebäudekomplexen, bei Energieversorgern – und vielleicht auch in den „Smart Cities“ der Zukunft.

Ressourceneffizienz in der Industrie 4.0

Auf der Suche nach Lösungen für eine Dekarbonisierung der Energiewirtschaft ist die Industrie der Elefant im Raum. 26 Prozent des gesamten deutschen Endenergieverbrauchs – wobei der Primärenergieverbrauch sogar noch höher liegt – gehen auf die Industrie zurück. Vor allem die chemische Industrie, aber auch die Metall- und die Mineralölindustrie, tragen erheblich dazu bei. Das hat damit zu tun, dass hier viele energieintensive thermische Prozesse betrieben werden, d.h. große Mengen an Rohstoffen oder Zwischenerzeugnissen werden stark erhitzt oder abgekühlt.

Grischa Beier, der am Institute For Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam zu Industrie 4.0 forscht, sieht durchaus Bewegung in der Entwicklung von Verfahren, die thermische Verfahren mit den existierenden Schwachstellen – allen voran ihre schwankenden Erträge – von erneuerbaren Energien zusammenbringen. Aufwärm-Prozesse werden zum Beispiel genutzt, um Energie zu speichern. „Wenn metallische Werkstoffe erhitzt werden müssen, kann man die Schlacke stärker erhitzen als eigentlich notwendig, wenn sehr viel erneuerbarer Strom im Energiesystem ist. So kann man das Metall dann für eine bestimmte Zeitspanne abkühlen lassen, wenn Energie gerade knapp ist.“ Gleichzeitig wird daran geforscht, wie energieintensive Prozesse ressourceneffizienter werden können. Neue Verfahren in der Zementindustrie sind ein Beispiel dafür.

Digitale Technologie kommen in der Industrie vor allem dann zum Einsatz, wenn es um Ressourceneffizienz geht, also darum, wie Produkte mit so wenig wie möglich Energie und anderen Ressourcen hergestellt werden können. Dazu gibt es unterschiedliche Ansätze, zum Beispiel die verbesserte Wartbarkeit und ein verbesserter Support durch intelligente Software, wodurch letztlich Material eingespart werden soll.

Gleichzeitig gibt es auch viele Möglichkeiten, Produktionsprozesse auf die zu einem bestimmten Zeitpunkt im Netz verfügbare Energiemengen abzustimmen, das sogenannte „Demand Response Management“. „Zu den Zeitpunkten, wo durch Sonne und Wind viel erneuerbare Energie verfügbar ist, wird verstärkt produziert. Und andererseits können Produktionsprozesse zu den Zeitpunkten, wo Energie knapp ist, runtergefahren werden. So wird insgesamt – systemisch gedacht – weniger Energie verschwendet und die verfügbare Energie optimal genutzt“, sagt Grischa Beier. Wie so eine intelligente Steuerung umgesetzt werden kann, wurde bereits mit der Software von Etalytics gezeigt.

Auch wenn weniger aus Klimaschutzgründen, sondern meistens eher mit dem Gedanken der Prozessoptimierung und Gewinnmaximierung, ist die Industrie laut Grischa Beier effizienter geworden: „Die Verbräuche an Energie bleiben relativ konstant über die Jahre, obwohl der Output – also das, was produziert wird-, eigentlich zunimmt. Die Schlussfolgerung für mich daraus ist, dass die Verfahren effizienter werden.“ Welchen Anteil die Digitalisierung bzw. die Industrie 4.0 daran hat ist eine Frage, die in der Forschung noch nicht abschließend geklärt ist. Was aber klar ist: Die CO2-Emissionen der Industrie sind nach wie vor zu hoch und neben der Umstellung auf erneuerbare Energien sind weitere, massive Effizienzsteigerungen nötig. Große Chancen stecken in der Kreislaufwirtschaft.

Kreislaufwirtschaft für eine regenerative Industrie

Der Kerngedanke der Kreislaufwirtschaft, auch Circular Economy genannt, ist, Ressourcen möglichst lange in einem geschlossenen Kreislauf zu halten. Ausgediente Produkte, deren Komponenten oder die recycelten Rohstoffe werden so zum Ausgangspunkt für neue Produkte. Insbesondere in der Industrie können geschlossene Kreisläufe dafür sorgen, dass von vorneherein weniger Rohstoffe zugeführt und weniger neue Produkte produziert werden. Wie digitale Technologien darin unterstützen zeigen die Projekte EIBA und DIBIChain.

Ob ein Produkt recycelt oder wiederaufbereitet werden kann oder entsorgt werden muss, darüber entscheidet die Art und der konkrete Zustand. Dazu gilt es zu klären, woraus ein Produkt besteht und was davon noch brauchbar ist. Aktuell ist dieser Prozess kompliziert und zeitaufwändig. Das liegt vor allem daran, dass wenig Informationen zu den Produkten mitgeliefert werden als auch die Identifikation einzelner Komponenten oft schwierig ist. Im Projekt EIBA wird eine KI entwickelt, die Alt-Teile identifiziert, damit sie schneller erkannt und leichter wiederverwertet werden können. Dazu werden sensorisch erfasste Daten und weitere Informationen mithilfe künstlicher Intelligenz ausgewertet und zu einer Entscheidungsempfehlung formuliert. Aktuell wird das System auf gebrauchte Fahrzeugaltteile in der Industrie trainiert, doch in Zukunft soll es die EIBA-Technologie auch als App geben, so dass der „Alt-Teil-Detektor“ genauso von kleinen Unternehmen und Werkstätten oder Privatpersonen ohne spezielle Hardware eingesetzt werden kann.

Ausgangspunkt im Projekt EIBA sind Alt-Teile, über die keine weiteren Informationen vorliegen und die im Nachhinein aufwändig identifiziert werden müssen. Ein wesentlicher Schritt für die Kreislaufwirtschaft der Zukunft ist es, sämtliche relevante Produktdaten von Anfang an zu erfassen. Das Tracking der Materialien, deren Veredelung und Verarbeitung entlang der gesamten Lieferkette – von der Gewinnung der Rohstoffe bis zur Rückführung in die Stoffkreisläufe – erleichtert deren Kreislaufführung. Doch nicht nur das: Transparente Lieferketten können auch dabei helfen, faire Arbeitsbedingungen umzusetzen. Das Forschungsprojekt DIBIChain erprobt dazu eine Blockchain-Anwendung, in die alle Teilnehmer*innen einer Lieferkette die für das Lifecycle Assessment relevanten Daten verschlüsselt eingeben können.

Suffizienz – Genug ist genug

Eine klimaneutrale Industrie – wie im übrigen auch ein klimaneutrales Energiesystem insgesamt – ist mit einer intelligenten Steuerung und effizienten Produktionsprozessen allein jedoch kaum zu erreichen. Solange Menschen möglichst viel besitzen wollen und stetiges Wirtschaftswachstum das oberste Ziel ist, muss auch immer mehr produziert werden – und die CO2-Emissionen bleiben auf einem hohen Niveau. Gefragt ist Suffizienz und damit gemeint ist nicht weniger als ein gesellschaftlicher Wandel hin zu einem Konsumverhalten und Wirtschaftsgebaren, das auch die Begriffe „weniger“ und „ausreichend“ kennt. Suffizienzstrategien umzusetzen ist eine gesamtgesellschaftliche Verantwortung, die ein Umdenken auf kultureller, politischer und ökonomischer Ebene erfordert.

Bei der Nutzung digitaler Technologien lassen sich durchaus Suffizienzstrategien umsetzen, zum Beispiel, indem nur dort digitalisiert wird, wo Technologien wirklich eine nachhaltige Verbesserung erzielen, und nur so viele Daten wie nötig erhoben werden.

Der Ressourcen- und Energiehunger der Digitalisierung

Auch wenn eine ganze Reihe von positiven Beispielen zeigen, dass der Energieverbrauch mithilfe digitaler Technologien sinken kann, gibt es viele Fälle, in denen der Einspareffekt nicht den Energieverbrauch des Entwicklungsprozesses und der Nutzung ausgleicht, denn: Auch digitale Technologien sind energiehungrig. Jeder Prozess, der digitalisiert wird, benötigt als erstes Material – Sensoren, Prozessoren, Datenleitungen – und Energie für die Programmierung, das Training und später im Betrieb.

Forschende haben beispielweise errechnet, dass das Antrainieren einer KI ungefähr so viel CO2 erzeugt wie fünf PKW über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg, also von der Produktion über den Betrieb bis zur Entsorgung. Die Zahlen wurden in diesem Fall für eine ziemlich komplexe Spracherkennungs-KI berechnet und dürften relativ hoch angesetzt sein. Dennoch geben sie einen Eindruck davon, wie energieintensiv die Entwicklung von KI ist.

Auch die Herstellung und Entsorgung der Hardware der digitalen Infrastrukturen tragen zu dem erheblichen Fußabdruck der Digitalisierung bei. Vergleicht man beispielsweise eine moderne Messeinrichtung (IMS) (ohne Smart-Meter-Gateway) mit einem klassischen Ferraris-Zähler (aktuelles Zähler-Modell in Haushalten), verursacht die Herstellung einer IMS 91 kg CO2-Äquivalente, während ein Ferraris-Zähler bei ca. 8 kg CO2-Äquivalenten liegt. Zusätzlich steigt der Stromverbrauch im Betrieb einer IMS, sobald ein Smart-Meter-Gateway dazu kommt.

Das Bottleneck der Digitalisierung sind Rechenzentren, da sämtliche Datenflüsse letztlich hier verarbeitet werden. Alleine im Jahr 2021 verbrauchten Rechenzentren in Deutschland 17 Mrd. Kilowattstunden Strom – und die Tendenz ist steigend.

Bei der Bewertung des Impacts digitaler Technologien muss daher immer genau betrachtet werden, in welchem Verhältnis Ressourcen- und Energieaufwand in der Produktions- und Nutzungsphase zu den tatsächlichen Einsparungen in einem System stehen.

Digitalisierung als Grundvoraussetzung für eine zügige Energiewende

Digitale Technologien gelten als „Enabler“ des zügigen Ausbaus der Erneuerbaren Energien, wie auch eine Studie von Germanwatch feststellt. Dabei kommt ihnen eine Schlüsselfunktion bei Lösungen für die Herausforderungen der Dezentralisierung, Flexibilisierung und effizienten Nutzung von Energie zu, wie auch die von uns vorgestellten innovativen Forschungsprojekte und Startups illustrieren:

Digitale Technologien können Stromangebot und -nachfrage aufeinander abstimmen, indem sie Produktion und Verbrauch zeitnah erfassen. Sie schaffen die Voraussetzungen dafür, dass Energie zwischen Produzent*innen, Verbraucher*innen und Stromspeichern intelligent verteilt werden kann und so die Stromnetze stabil bleiben und möglichst wenig Energie ungenutzt verpufft. Mit ihnen ist ein Energieaustausch über Sektorgrenzen hinweg möglich und sie versetzen Verbraucher*innen in die Lage, auf variable Versorgungstarife zu reagieren.

Damit können digitale Technologien zu einem Energiesystem beitragen, dass mit Intelligenz und Flexibilität die durch erneuerbare Energien bereitgestellte Energie bestmöglich nutzt, Peaks und Flauten ausgleicht und durch Effizienz Verbräuche reduziert. Fossile Energieträger wie Kohle und Gas werden in einem solchen Energiesystem verzichtbar.

Zudem steckt in einer intelligent vernetzten Energiewelt die Chance, dass sich neue Geschäftsmodelle jenseits der Big-Player des Energiemarkts etablieren und Demokratisierungsprozesse in Gang gesetzt werden. Gute Beispiele sind der Peer-to-Peer-Handel und Energy-Sharing-Modelle; hier bilden sich neue Energie-Gemeinschaften, die sich dezentral und lokal aus Solaranlagen und Windrädern versorgen.

Allerdings ist ein intelligentes und effizientes Energiesystem noch längst nicht Realität. Im Moment sind es hauptsächlich kleine Bereiche, die digitalisiert werden, ein durchgängiger Austausch über das gesamte Energiesystem besteht nicht. Damit sind die Potenziale, mithilfe digitaler Technologien die Energiewende voranzutreiben, derzeit noch weitaus größer als die Akzeptanz und Nachfrage seitens der Bevölkerung, Unternehmen und Industrie.

Es ist davon auszugehen, dass die großen Energieunternehmen die Digitalisierung des Netzes vorantreiben, da sie selbst ein Interesse an den Daten und der intelligenten Steuerung haben. Um Datenmonopole zu vermeiden, möglichst vielen Akteur*innen die Teilhabe am Energiemarkt zu ermöglichen und einen hohen Datenschutz zu gewährleisten sollte diese Entwicklung jedoch nicht allein der Energiewirtschaft überlassen bleiben.

Dazu kommt: Digitale Technologien schaffen zwar wichtige Voraussetzung für die Energiewende. Dass sie aber tatsächlich zu mehr Effizienz beitragen und Stromverbräuche reduzieren, ist kein Selbstläufer. Auch die Produktion der Hardware, die Programmierung – und bei Anwendungen auf Basis Künstlicher Intelligenz das Training – und der Betrieb digitale Technologien benötigen erhebliche Mengen Energie und Ressourcen. Schon heute macht die Herstellung und Nutzung digitaler Geräte und Dienstleistungen 8 bis 10 Prozent der weltweiten Stromnachfrage aus – und verschiedene Szenarien rechnen mit einem weiteren nutzungsbedingten Anstieg um 50 bis 80 Prozent bis 2030.

Die Energiewende 4.0 braucht einen klaren Rahmen

Eine wichtige Voraussetzungen für eine zügige Energiewende ist es, die Produktion erneuerbarer Energien und deren dezentralen Austausch zu erleichtern. Dazu gilt es entsprechenden Rahmenbedingungen auf politischer Ebene zu schaffen, u.a. die Beseitigung der bürokratischen Hürden für die Gründung von Erneuerbare-Energie-Gemeinschaften, die Förderung regionaler Kraftwerke für erneuerbare Energien zur Unterstützung kommunaler Netze, die Flexibilisierung der Energietarife, um den Verbrauch an die Verfügbarkeit von erneuerbaren Strom zu koppeln und die Förderung von Bürgerbeteiligung und Mitgestaltung, um die Akzeptanz zu erhöhen.

Zudem muss die technische Infrastruktur geschaffen werden, damit sich ein vernetztes, intelligentes und effizientes Energiesystem entwickeln kann. Dazu gehört unter anderem eine Digitalisierung der Netze und der Einbau intelligenter Zähler (Smart Meter) insbesondere bei Großverbraucher*innen. Smart Meter können Verbrauchsdaten in regelmäßigen Abständen ermitteln, automatisch übermitteln und Zugriffsrechte verwalten. Indem sie Energieversorger, Verbrauchsgeräte und Stromnetz miteinander verbinden, bilden sie eine wichtige Schnittstelle zur Steuerung dezentraler Stromerzeuger wie Photovoltaik- oder Windenergieanlagen, aber auch zur Organisation von Energie-Gemeinschaften. Zudem können mithilfe der intelligenter Zähler flexible Stromtarife eingeführt werden, die Preisschwankungen und Stromnachfrage berücksichtigen.

Andererseits gilt es, die Digitalisierung selbst nachhaltig zu gestalten und den Klima- und Ressourcenschutz, Datenschutz und soziale Gerechtigkeit im Blick zu behalten. Dafür sind entsprechende politische Rahmenbedingungen und Leitplanken nötig:

  • Datenschutz: Ein umfassender Schutz der Daten garantiert, dass nur wirklich notwendige Daten erhoben, übermittelt und gespeichert werden.
  • Datensuffizienz: Da die Speicherung und der Transfer von Daten Energie verbrauchen, sollten Geräten wie Smart Meter und anderer Software möglichst datensparsam eingesetzt werden.
  • Nachhaltige Hard- und Software: Verschiedene Maßnahmen können Hersteller*innen verpflichten, den Energie- und Ressourcenverbrauch in der Herstellung, Programmierung und im Betrieb von Soft- und Hardware so niedrig wie möglich zu halten und faire Arbeitsbedingungen in der Lieferkette einzuhalten.
  • Recycling/ Kreislaufwirtschaft: Entsprechende Richtlinien müssen für ein End-of-life- bzw. Second-Life-Management sorgen, bei dem Produkte und Rohstoffe wiederverwendet werden.
  • Grüne Rechenzentren: Mit entsprechenden Auflagen können Rechenzentren verpflichtet werden, auf 100 Prozent grünen Strom umzusteigen.

Eine derart aktiv gestaltete Digitalisierung kann dazu beitragen, dass die Dekarbonisierung unseres Energiesystems bis 2050 gelingt. Wirksame Lieferkettengesetze und Maßnahmen wie der digitale Produktpass und der Blaue Engel für Rechenzentren und Software, wie sie in der Digitalagenda des BMU angelegt sind und sich teilweise schon in der Umsetzung befinden, sind erste wichtige Schritte auf diesem Weg – aber noch lange nicht ausreichend.

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Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

Mehr Informationen hier.

100 Prozent erneuerbare Energien gelingt nur mit Effizienz und Intelligenz. Severin Beucker (Borderstep Institut) im Interview

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