„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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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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Der Bedarf an genauen, kurzfristigen Solarenergievorhersagen war daher noch nie so groß wie heute. Eine neue Chance steckt im Nowcasting. Angetrieben von Daten und mithilfe neuer KI-Technologien ermöglicht die Gegenwartsvorhersage einer Vielzahl von Akteuren, fundiertere Entscheidungen für das gesamte Stromnetz zu treffen.
Solar-Nowcasting ist eine Methode zur Vorhersage kurzfristiger Schwankungen in der Solarenergieerzeugung. Dabei werden große Datensätze sowie statistische oder maschinelle Lernverfahren verwendet, um Informationen darüber zu erhalten, wie viel Solarenergie in unmittelbarer Zukunft - in der Regel innerhalb der nächsten Stunden - verfügbar sein wird.
Die kurzfristige Prognose kann dabei eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Integration von Sonnenenergie in das Stromnetz und für die Steuerung von Energieangebot und -nachfrage spielen. Netzbetreibern und Energieversorgern werden so dabei unterstützt, fundierte Entscheidungen darüber zu treffen, wann Reserve-Energiequellen eingesetzt, überschüssige Energie gespeichert oder Energieeinsparungen gefördert werden sollen. Damit trägt die Bereitstellung präziser Echtzeitinformationen über die Verfügbarkeit von Solarenergie dazu bei, die Stabilität und Zuverlässigkeit erneuerbarer Energiequellen wie der Solarenergie im gesamten Energienetz zu gewährleisten.
Open Climate Fix mit Sitz in London, das sich selbst als Non-Profit Product Lab bezeichnet, erforscht neue Möglichkeiten des Solar-Nowcasting. "Traditionelle Solarenergievorhersagen nutzen keine Satellitendaten und verwenden normalerweise sehr einfache statistische Modelle", erklärt Kasia Krasucka, Program & Partnerships Manager bei Open Climate Fix. "Wir verwenden riesige Datenmengen, darunter Terabytes an Satellitendaten und Echtzeit-Messwerte von Tausenden von Photovoltaikanlagen." Die Daten stammen aus einer Reihe von Quellen, darunter Wolkenbilder von Satelliten, numerische Wettervorhersagen, vertikale Wolkenprofile und geografische Daten. All diese Daten werden zur Entwicklung von Modellen des maschinellen Lernens verwendet, um die Vorhersage von Solaranlagen zu verbessern.
In den nächsten ein bis zwei Jahren will sich das Lab auf die Verfeinerung seiner Modelle und die Vorhersage der Sonneneinstrahlung für kurzfristige Intervalle konzentrieren. Ein aktueller Prototyp ist bereits im Kontrollraum des britischen Stromnetzes National Grid im Einsatz und wurde von verschiedenen Akteuren des Energiemarktes validiert. Kürzlich ausgeweitete Bemühungen zur Erstellung hyperlokaler Solarprognosen haben es sogar schon ermöglicht, die Solarenergieerzeugung in einzelnen Solarparks und -anlagen vorherzusagen.
Mit Blick auf das Jahr 2023 und darüber hinaus wird Open Climate Fix seine Prognosen in Zusammenarbeit mit National Grid kontinuierlich verbessern, wobei der Schwerpunkt auf der Messung von Kosten und den Auswirkungen von CO2-Emissionen liegt. Alle Bemühungen werden durch Beiträge aus der Open-Source-Gemeinschaft unterstützt.
Darüber hinaus setzt sich Open Climate Fix für die Einführung offener Energiedatenstandards ein. Dies ist nicht nur für die Unterstützung des Solar-Nowcasting wichtig, sondern auch für ein effizienteres und stabileres Energienetz.
Die Dekarbonisierung des Netzes ist eine gewaltige Aufgabe, und die Vielfalt und Komplexität verteilter Systeme stellt eine Herausforderung für die Kommunikation und den Datenaustausch dar. Offene Datenstandards bauen diese Barrieren ab und ermöglichen es Innovatoren, sich zu beteiligen und gemeinsam an der Transformation des Energienetzes zu arbeiten. Die Standards gewährleisten Datensicherheit, Datenschutz und rechtlichen Schutz und bieten gleichzeitig eine gemeinsame Sprache für Beschreibungen von Energieanlagen, Zugangsprotokolle und die Behandlung nichttechnischer Fragen. Durch die Vereinfachung der Umsetzung und die Konzentration auf unmittelbare Bedürfnisse haben offene Daten zudem das Potenzial, verschiedene Aspekte des Energie-Ökosystems zu verändern, vom Netzmanagement bis zur Politik und mehr.
Der Schlüssel liegt darin, die Implementierung einfach und auf den unmittelbaren Bedarf ausgerichtet zu halten, sie so benutzerfreundlich wie möglich zu gestalten und gleichzeitig das System, in dem sie funktioniert, deutlich zu verbessern. "Wir veröffentlichen unseren Code vor allem deshalb, weil uns Transparenz wichtig ist und wir die offene Zusammenarbeit auf globaler Ebene fördern wollen", sagt Krasucka dazu. In Indien zum Beispiel arbeitet Open Climate Fix derzeit mit lokalen Forschenden und Ingenieur*innen zusammen, um den Code zu verbessern und für den Einsatz vor Ort zu optimieren.
In einer Welt, in der das Angebot genau auf die Nachfrage im Energienetz abgestimmt werden muss, bringt uns der innovative Ansatz von Open Climate Fix für Solar-Nowcasting einer Zukunft näher, in der erneuerbare Energien nicht nur zuverlässig, sondern auch für Haushalte und Unternehmen leichter zugänglich sind. Das Engagement des Labs für offene Standards und die Kartierung von Solarmodulen ist dabei ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem nachhaltigen Energie-Ökosystem.
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Forschende der Helmholtz-Gemeinschaft wollen mit innovativen, druckbaren Solarpaneelen sämtliche Fassadenflächen von Gebäuden für die sogenannte “Multi-Benefit-Photovoltaik“ erschließen. „Um die Ziele der Bundesregierung für den Ausbau der Photovoltaik in den nächsten Jahren zu erreichen, werden wir in Deutschland die Installationen massiv ausbauen müssen […] Allein in Deutschland müssen wir dafür Tausende von Quadratkilometern an Flächen für die Photovoltaik erschließen. Da sind Konflikte vorprogrammiert. Daher möchten wir für die Photovoltaik Flächen nutzbar machen, welche bereits für andere Funktionen verwendet werden, und bei denen die Photovoltaik noch weitere Vorteile bringt“, berichtet Prof. Ulrich Lemmer vom Karlsruher Institut für Technologie, der am Projekt beteiligt ist.
Dafür sollen zum einen neue Technologien entwickelt oder bereits bestehende optimiert werden und zum anderen ein einfacher Zugang für die Industrie, Gesellschaft und Verbraucher*innen über die Innovationsplattform Solar TAP geschaffen werden.
Anders als bei der klassischen Silizium- und Dünnschichtphotovoltaik konzentrieren sich die Wissenschaftler*innen in diesem Projekt auf Emerging-Photovoltaik-Technologien. Die entsprechenden Systeme setzen dabei auf synthetisierte Halbleiter – zu denen organische und Perowskit-Halbleiter gehören. Diese konnten in den letzten fünf bis zehn Jahren ihre Lichtkonversionseffizienz drastisch steigern und zu Silizium aufschließen. Zum Vergleich: Unter Laborbedingungen liegt die Spitzeneffizienz von Silizium-Solarzellen bei etwa 26,7 Prozent, die von Perowskit-Systemen bei rund 25,7 Prozent und die von organischen Solarzellen bei etwa 20 Prozent.
Der große Vorteil der neuen Photovoltaik-Technologien gegenüber den bereits etablierten Systemen besteht darin, dass sie den Forschenden großen Spielraum bei der Anpassung der Solarzellen an ihre Einsatzgebiete geben. „Sie können spezifisch angepasst werden, zum Beispiel für farblich-attraktive, gebäudeintegrierte Photovoltaik oder die ideale Lichttransmission für das Wachstum von Nutzpflanzen“, erklärt Prof. Christoph Brabec vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg. Und es gibt noch weitere Vorteile: „Die modernen organischen und Perowskit-Halbleiter sind defekt-tolerant und können leicht aus der Lösung prozessiert werden. Man kann die Solarzellen daher drucken. Das erlaubt kostengünstige Herstellungsverfahren mit hohem Durchsatz, auch auf flexiblem Untergrund“, so Prof. Eva Unger vom Helmholtz-Zentrum Berlin.
Die Wissenschaftler*innen der Helmholtz-Gemeinschaft sind sich einig, dass die neuen Emerging-Photovoltaik-Technologien zwar aktuell noch Verbesserungsbedarf aufweisen, aber deren enormes Potenzial den Forschungsaufwand wert ist.
Es gibt bereits erste Firmen, die organische und Perowskit-basierte Solarzellen über die Plattform Solar TAP kommerzialisieren und entsprechende Produkte in der Praxis testen. Diese mehr als 45 Industriepartner*innen bestehen aus einer sehr heterogenen Gruppe von Unternehmen, die von kleinen Startups bis hin zu Großunternehmen reichen. Innerhalb der Innovationsplattform profitieren also beide Seiten – die Helmholtz-Gemeinschaft auf der Seite der Forschung und die Unternehmen auf der Seite der Praxisanwendung – durch einen stetigen Wissensaustausch.
So sind aus der Zusammenarbeit bereits erste Ergebnisse hervorgegangen. Ein Beispiel ist das im September 2021 in Betrieb genommene Reallabor für bauwerkintegrierte Photovoltaik am Helmholtz-Zentrum in Berlin-Adlershof. Das Gebäude wurde mit 360 Solarmodulen ausgestattet, von denen jedes Modul eine Leistung von etwa 135 Watt hat. Insgesamt beträgt die Peak-Leistung damit knapp 50 Kilowatt. Zusätzlich wurde das Gebäude mit umfangreicher Sensortechnik ausgerüstet, um die Solarzellen-Leistung unter realen Witterungsbedingungen zu messen. Schaut man sich das Praxisbeispiel für Dünnschicht-Photovoltaik an, würde man im ersten Moment nicht vermuten, dass es sich um Solarmodule handelt. Erst auf den zweiten Blick und mit entsprechender Kenntnis offenbart die modern anmutende Fassade ihre Funktion.
Neben der Integration von Solarzellen in Fassaden liegt der Fokus der Multi-Benefit-Photovoltaik auf der Agrivoltaik – der Kombination von Landwirtschaft und Photovoltaik. Und wer weiß, eventuell lassen sich diese beiden Bereiche sogar miteinander kombinieren. Vielleicht wird es in Zukunft so möglich sein, bei modernen Gebäuden gleich drei Dinge miteinander zu vereinen: Wohnen, die Gewinnung von nachhaltiger Sonnenenergie und das vertikale Anpflanzen von Obst und Gemüse hinter den semitransparenten Solarmodulen – denn wer nascht nicht gerne frische Himbeeren und Brombeeren im Sommer?
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Obwohl es zweifelslos die richtige Entscheidung ist, Solarpaneele zu installieren und mehr erneuerbare Energie zu erzeugen, bedeutet dies auch, dass Milliarden von Paneele irgendwann entsorgt und ersetzt werden müssen. Und das Problem wird zukünftig noch zunehmen. Schätzungen zufolge werden bis zum Jahr 2030 acht Millionen Tonnen Solarpaneele das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht haben. Eine Zahl, die laut Nat. Energy 2020 bis 2050 auf 80 Millionen Tonnen ansteigen wird.
Dies stellt ein enormes Umweltproblem dar. Die aus Edelmetallen, Glas und vor allem kristallinem Silizium hergestellten Solarpaneele enthalten auch giftige Materialien wie Blei, die die Umwelt verschmutzen können, wenn sie nach Ablauf ihrer Nutzungsdauer auf einer Deponie entsorgt werden. Sie enthalten aber auch wertvolle Materialien, die wiederverwendet oder recycelt werden können – doch bis jetzt bleiben diese Ressourcen überwiegend ungenutzt.
Energieexpert*innen aus verschiedenen Bereichen fordern dringend Maßnahmen von der Politik, um der drohenden Müllproblematik entgegenzuwirken. "Bis 2050 werden wir einen Müllberg haben, wenn wir nicht sofort Recycling-Ketten in Gang setzen […] Wir produzieren immer mehr Solarmodule, was großartig ist – aber wie werden wir mit dem Abfall fertig", fragt Ute Collier, stellvertretende Direktorin der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien.
Die gegenwärtigen Kapazitäten der Branche sind auf die zu erwartende Flut von Solarpaneelabfälle nur unzureichend vorbereitet. Und wie üblich ist Geld ein Hauptthema. Die Paneele enthalten zwar geringe Mengen an wertvollen Materialien wie Silber, aber weitaus mehr Glas, das einen geringen Wert hat und schwierig und teuer zu transportieren ist. Das bedeutet, dass der finanzielle Anreiz, in das Recycling von Solarmodulen zu investieren, seit jeher gering ist. Um das Ganze in die richtige Perspektive zu rücken: Verschiedenen Quellen zufolge kostet das Recycling eines Solarpaneels schätzungsweise 20 bis 30 Dollar, während die Entsorgung desselben Paneels auf einer Mülldeponie nur ein bis zwei Dollar kostet.
Ohne staatliche Unterstützung und Finanzierung könnte dieses Preisgefälle die Wettbewerbsfähigkeit der Branche stark beeinträchtigen und die Suche nach Lösungen für das Recycling von Solarmodulen wirtschaftlich unattraktiv machen. Andere Branchen der erneuerbaren Energien haben in diesem Bereich bereits Erfolge erzielt. Im Jahr 2021 rief das Unternehmen WindEurope dazu auf, bis zum Jahr 2025 europaweit keine stillgelegten Windturbinenblätter mehr zu deponieren. Und es hat geklappt – die europäische Windindustrie verpflichtet sich nun, 100 Prozent der ausgemusterten Flügel wiederzuverwenden, zu recyceln oder zu verwerten. Diese Verpflichtung kam ins Spiel, nachdem mehrere branchenführende Unternehmen auf diesem Gebiet ihre eigenen ehrgeizigen Pläne für das Recycling von Rotorblättern sowie ein Deponieverbot angekündigt hatten, das "die Entwicklung nachhaltiger Recyclingtechnologien für Verbundwerkstoffe weiter beschleunigt".
Glücklicherweise birgt ein Projekt vom französischen Startup ROSI viel Potenzial im Bereich Solarrecycling. Im Rahmen des Projekts Ramp-Photovoltaik wird ein Verfahren entwickelt, das die Rohstoffe aus Solarmodulen am Ende ihrer Nutzungsdauer recycelt. Das zweijährige Projekt, das mit 700.000 Euro von Horizon, dem EU-Förderprogramm für Forschung und Innovation, unterstützt wurde, verhalf dem Unternehmen dabei, weltweit führend in der Wiederverwendung von Silizium und Silber aus Photovoltaikabfällen zu werden und hat sogar den ersten "Industry of the Future Award" der EU dafür erhalten.
Bislang wurden innerhalb des Projekts Verfahren und Technologien zur Gewinnung hochreiner Materialien aus Photovoltaikabfällen entwickelt, um sie in Schlüsselindustrien, darunter auch in der Solarbranche, wiederzuverwenden. Die erste Recyclinganlage dieser Art soll Anfang 2024 im französischen Grenoble eröffnet werden, bevor bald darauf weitere Anlagen in Deutschland, Italien und Spanien aufgebaut werden sollen.
In diesem Jahr werden in der französischen Anlage voraussichtlich rund 3.000 Tonnen Solarpaneele recycelt, wobei 90 Tonnen Silizium, 30 Tonnen Kupfer und 2,5 Tonnen Silber rückgewonnen werden. Bis 2025 soll die Recyclingkapazität der Anlage auf 10.000 Tonnen steigen. Das zurückgewonnene Siliziums wird in neuen Solarpaneelen verbaut, wobei auch andere Verwendungsmöglichkeiten wie Halbleiter und Batterien in Betracht gezogen werden. Das zurückgewonnene Kupfer und Silber wird in einer Vielzahl anderer Industriezweige verwendet, wodurch der EU wichtige Einnahmen zufließen.
Die finanziellen Aspekte des Projekts gehen in beide Richtungen. "Ohne die Unterstützung der EU wären wir nicht so schnell so weit gekommen. Ramp-Photovoltaik hat es uns ermöglicht, Versuche mit neuen Geräten durchzuführen und unseren gesamten Geschäftsplan zu beschleunigen", sagt Yohan Parsa, Forschungsdirektor bei ROSI.
Dieses für beide Seiten vorteilhafte Projekt zeigt deutlich, wie wichtig gezielte Förderungen im Bereich Nachhaltigkeit sind. Abgesehen von den Auswirkungen auf die Umwelt trägt das im November 2020 gestartete Projekt durch die Reduzierung von Industrieabfällen gleichzeitig dazu bei, dass die europäische Wirtschaft durch die Wiederverwendung teurer Materialien zirkulärer wird.
Angesichts zunehmender politischer Spannungen erfüllt es auch eine Reihe wichtiger politischer Ziele der EU. Ramp-Photovoltaik hat das Potenzial, die strategische Autonomie Europas zu stärken, indem es die heimische Verfügbarkeit wertvoller Rohstoffe für die Solarindustrie sowie für Elektronik und Batterien ausweitet und so die Abhängigkeit von Energie aus anderen Ländern verringert.
Wie so oft, spielt die Politik eine wesentliche Rolle bei der Erreichung der globalen Klimaziele sowie bei der Entwicklung von möglichst nachhaltigen erneuerbaren Energien. Ohne sie können innovative Startups wie ROSI ihre Ideen nur schwer verwirklichen und es würde an Antrieb fehlen, die Lösungen konsequent verfolgen und umsetzen zu können. Dank der Entwicklung der effizienten Recyclingtechnologie durch das Ramp-Photovoltaik-Projekt können zukünftig voraussichtlich viele Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr eingespart werden, die uns dem Erreichen der Klimaziele ein Stück näher bringen.
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Eine der weltweit ersten kommerziellen schwimmenden Solaranlagen wurde 2008 auf dem Bewässerungsteich eines kalifornischen Weinguts installiert. Seitdem wurden größere Anlagen mit einer Kapazität von Hunderten von Megawatt auf Seen und Wasserkraftreservoirs in China errichtet, weitere sind in Südostasien und Brasilien geplant.
"Floatovoltaik ist heute eine der am schnellsten wachsenden Technologien zur Stromerzeugung und eine vielversprechende kohlenstoffarme Energiequelle", sagt Rafael Almeida, Assistenzprofessor für aquatische Ökosysteme an der University of Texas Rio Grande Valley.
Almeida erläutert, dass schwimmende Paneele idealerweise in von Menschenhand geschaffenen Gewässern wie Bewässerungskanälen und den Stauseen von Wasserkraftwerken aufgestellt werden, um kein Land zu verbrauchen, das ansonsten für Naturschutzgebiete oder die Nahrungsmittelproduktion genutzt werden könnte. Vor allem Stauseen von Wasserkraftwerken haben den Vorteil, dass sie bereits über die Infrastruktur für die Stromverteilung verfügen.
Almeida und seine Kollegen berechneten das weltweite Potenzial für die Nutzung der Floatovoltaik auf der Grundlage der Fläche der Wasserkraftreservoirs der Länder. Sie fanden heraus, dass Länder in Afrika und Nord- und Südamerika das größte Potenzial für die Energieerzeugung durch diese Technologie haben. Brasilien und Kanada zum Beispiel könnten in diesem Sektor führend werden; sie würden nur etwa 5 Prozent der Flächen ihrer Stauseen benötigen, um den gesamten Bedarf an Solarenergie bis zur Mitte des Jahrhunderts zu decken. Die Forschenden haben ihre Ergebnisse am 12. Dezember auf der Herbsttagung 2022 der AGU vorgestellt.
"Wir müssen alle Möglichkeiten zur Steigerung der kohlenstoffarmen Energieerzeugung bei gleichzeitiger Minimierung der Flächennutzungsintensität ernsthaft in Betracht ziehen", betont Almeida. "Aber wir müssen auch verstehen, wie wir unerwünschte soziale und ökologische Auswirkungen reduzieren können", fügt er hinzu und erklärt, dass wir noch wenig über die Auswirkungen der Bedeckung großer Wasserflächen mit Sonnenkollektoren wissen.
Regina Nobre, eine Süßwasserökologin an der Paul Sabatier Universität in Toulouse, Frankreich, stimmt dem zu. Nobre war nicht an den jüngsten Forschungsarbeiten beteiligt, gehört aber zu einer Gruppe, die gerade eine Pionierarbeit zur Überwachung der Umweltauswirkungen von schwimmenden Solaranlagen in alten Kiesgrubenseen in Europa begonnen hat. Diese Gruben wurden ursprünglich für den Bergbau angelegt, füllen sich aber nach der Stilllegung auf natürliche Weise mit Flusswasser und beherbergen ein vielfältiges aquatisches Leben. Nobre kann noch keine Ergebnisse vorweisen, glaubt aber, dass die Erkenntnisse aus ihrer Umweltverträglichkeitsstudie für politischen Entscheidungsträger*innen von entscheidender Bedeutung sein könnten.
"Die Technologie entwickelt sich rasant, und wir brauchen dringend mehr Daten, um die Auswirkungen zu verstehen und den Umweltbehörden und der öffentlichen Politik eine bessere Orientierung zu geben", sagte sie.
Zum einen könnten großflächige Paneele das Licht im Wasser blockieren, so Nobre, und so die Ernährungs- und Vermehrungsmuster von Algen verändern. Das wiederum könnte zu Sauerstoffmangel im See führen und kaskadenartige Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem haben, was dann natürlich anderen Wildtieren und der lokalen Fischerei schaden würde.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Paneele den Austausch von Treibhausgasen wie Methan zwischen dem Wasser und der Atmosphäre beeinträchtigen könnten, wodurch die Vorteile der Dekarbonisierung vielleicht wieder zunichte gemacht werden. Die partikelle Bedeckung der Wasseroberfläche könnte aber auch positive Effekte haben, wie zum Beispiel die Menge des Verdunstungswassers und die Wassererwärmung durch Sonneneinstrahlung reduzieren und Fischen und anderen Wassertieren Rückzugsraum und Kinderstube bieten. Die tatsächlichen Folgen sind jedoch ohne Studien nicht vorhersehbar und werden wahrscheinlich je nach Design der Paneele, Fläche und Landschaft variieren, so die beiden Forschenden.
"Wir müssen einen vorsorglichen Ansatz wählen", sagte Almeida. "Einerseits dürfen wir diesem potenziell wichtigen Sektor nicht zu viele Hindernisse in den Weg legen, aber andererseits müssen wir die Kompromisse verstehen und die bestehenden Wissenslücken durch weitere Studien schließen".
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Dass viele erneuerbare Energien Schwankungen unterliegen, ist klar und lässt sich gut anhand der Sonnenenergie nachvollziehen: Die Produktion von Solarstrom ist insbesondere in den Mittagsstunden des Sommerhalbjahres hoch, in den Abendstunden des Winterhalbjahres dagegen sehr gering - also genau dann, wenn der Strombedarf der Bevölkerung am höchsten ist. Von solchen Schwankungen sind neben der Photovoltaik auch die Solarthermie, die Wind- sowie die Wellenenergie betroffen. Die höchste Verfügbarkeit innerhalb der regenerativen Energiequellen haben dagegen Biomasse, Geothermie und Wasserkraft.
Dennoch kann mit erneuerbaren Energiequellen eine zuverlässige Stromversorgung gewährleistet werden, und zwar unter folgenden Voraussetzungen:
Tatsächlich gibt es im Bereich Energiespeicherung schon etliche Lösungen.
In Deutschland, aber auch global, sind Pumpspeicherkraftwerke als bewährte Speicher nach wie vor am weitesten verbreitet, da sie vergleichsweise kostengünstig und bislang die einzige Möglichkeit sind, Strom im großen Maßstab zu speichern. Pumpspeicher zählen neben Druckluft- und Hubspeichern zu den mechanischen Energiespeichern, die mit insgesamt 90 Prozent den größten Marktanteil unter den Energiespeichersystemen haben.
Die Funktionsweise von Pumpspeichern ist im Prinzip sehr einfach: Pumpspeicher befördern Wasser mithilfe der überschüssigen Energie aus regenerativen Quellen einen Hang hinauf in einen Stausee hinein. Bei Bedarf lässt man das Wasser durch die Schwerkraft wieder nach unten fließen, wodurch über Turbinen Energie erzeugt wird.
Bislang ging man davon aus, dass das Ausbaupotenzial der Technologie aufgrund ihrer speziellen Erfordernisse begrenzt ist. Australische Forschende sind dagegen zu einem ganz anderen Ergebnis gekommen: Mit Hilfe einer Analyse des geografischen Informationssystems (GIS) haben sie weltweit 616.000 potenziell geeignete Standorte gefunden, die zusammen etwa hundertmal mehr Energie speichern könnten, als für ein rein erneuerbares Stromsystem erforderlich wäre. Brachliegende Standorte - bestehende Stauseen, alte Bergbaustandorte - wurden dabei noch nicht miteinbezogen.
Auch wenn es demnach noch geeignete Orte für neue Pumpspeicherkraftwerke gibt, sollte der Neubau dieser Speichertechnologie aus ökologischer Perspektive gut abgewogen werden. Jede Anlage ist ein erheblicher Eingriff in die Natur und die Ökosysteme. Wasserläufe werden aufgestaut und umgeleitet und die Speicherbecken sind teilweise betoniert oder asphaltiert, um der regelmäßigen Beanspruchung und Erosion durch die wechselnden Wasserstände standhalten zu können. Brachliegende Orte umzunutzen könnte dagegen ökologisch verträglicher sein.
Hoffnung kommt auch von neuen, weniger invasiven Ansätzen: Das Fraunhofer-Institut hat vor wenigen Jahren ein Pumpspeichersystem getestet, bei dem riesige Betonkugeln am Meeresgrund zum Einsatz kommen. Das Projekt, das zunächst am Bodensee durchgeführt wurde, ist mittlerweile ausgelaufen und müsste nun unter realen Bedingungen, sprich im Ozean, erprobt werden.
Batteriespeicher wie Lithium-Ionen-Akkus, Blei-Säure-Batterien und Redox-Flow-Batterien zählen zu den elektrochemischen Speichern. Insbesondere Lithium-Ionen Batterien sind heute weit verbreitet, kaum ein Smartphone, Laptop oder E-Auto kommt ohne sie aus. Die Batteriespeicher werden aber auch zur Speicherung von Strom aus Solar- und Windanlagen eingesetzt, bisher jedoch vor allem in kleiner ausgelegten Stromsystemen wie Ein- und Zweifamilienhäusern.
Die Gesamtkosten für diese Energiespeicher sind noch relativ hoch, da mit ihnen nur eine begrenzte Zahl an Ladezyklen möglich ist. Zudem verringert sich die Speicherkapazität wegen des häufigen Be- und Entladens relativ schnell, was die Einsatzmöglichkeiten erheblich einschränkt.
Nichtsdestotrotz werden Batteriespeicher zunehmend auch in größerem Stil, wie zum Beispiel in Quartieren, erprobt. Bei einem solchen „Quartiersspeicher“ werden eine Vielzahl an dezentralen Energiequellen und Haushalten über ein Smart Grid zusammengeschlossen, die die Batterie gemeinsam als regionalen Puffer nutzen. Das Fraunhofer ISE untersucht beispielsweise die Möglichkeiten von Quartiersspeichern in verschiedenen Forschungsprojekten.
In Zukunft könnten auch die Batterien von Elektroautos als temporäre Speicher genutzt werden. Bei der sogenannten Vehicle-to-Grid-Lösung wird überschüssige Energie in den Batterien von Elektroautos gespeichert und bei Bedarf wieder eingespeist.
Eine solche Lösung verfolgt zum Beispiel das Münchner Unternehmen The Mobility House. Über bidirektionale Wallboxen können Besitzer*innen von Solaranlagen die Autobatterie als riesige Powerbank nutzen und den überschüssigen Strom vom heimischen Dach in ihr E-Auto einspeisen und bei Bedarf wieder ins Hausnetz abgeben. Damit Autobatterien jedoch als „Schwarmspeicher“ funktionieren, die Stromüberschüsse in größerem Stil aus dem Energienetz aufnehmen können, muss noch eine entsprechende Infrastruktur geschaffen werden - und natürlich die Zahl der Elektroautos deutlich ansteigen.
Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien sind aus Nachhaltigkeitsperspektive nicht unumstritten. Sowohl der Abbau der für eine Batterie nötigen Rohstoffe als auch die Entsorgung sind umweltbelastend und ethisch bedenklich.
Eine Lösung, die Ökobilanz der Batterien zu verbessern, ist ihnen ein „zweites Leben“ einzuhauchen. Akkus, die nicht mehr die für den Einsatz im Elektroauto erforderliche Leistung bringen, besitzen immer noch mehr als 70 bis 80 Prozent Energieinhalt und können in stationäre Stromspeicher umgewandelt werden. Im Amsterdamer Fußballstadion, der Johan-Cruyff-Arena, fängt ein solcher „Second-Life-Speicher“ zum Beispiel die Energielastspitzen bei Großveranstaltungen auf.
Das größte Potenzial, um die Nachhaltigkeit von Batterien zu erhöhen, liegt laut einer Studie des VDE jedoch in den Materialien. Dabei gelten Festkörperbatterien, in denen anstelle eines flüssigen Elektrolyts ein Elektrolyt aus festem Material verwendet wird, als die wahrscheinlichste Alternative zu Lithium-Metall-Batterien. Im Labormaßstab haben sich Batterien aus festen Elektrolyten schon bewährt, wie zum Beispiel die Lithium-Schwefel-Batterie. Ihre Vorteile: Der Rohstoff Schwefel ist preiswert und als industrielles Abfallprodukt in großen Mengen vorhanden. Zudem sind die Rohstoffkosten einer Metall-Schwefel-Batterie bei gleicher Kapazität geringer als bei einem vergleichbaren Lithium-Ionen-System.
Auch Lithium lässt sich ersetzen, eine Alternative sind Natrium-Ionen-Batterien. In den Ozeanen und auch in der Erdkruste ist reichlich Natrium vorhanden und das Material kann kostengünstiger und umweltfreundlicher gewonnen werden als Lithium. Zudem kommen die Batterien ohne Cobalt, Kupfer und Nickel aus und die bereits etablierten Fertigungsmethoden können genauso für die Produktion verwendet werden. Allerdings haben Natrium-Ionen-Batterien aktuell eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. Damit sind Natrium-Ionen-Batterien überall dort eine vielversprechende Alternative, wo es nicht auf das Gewicht und die Größe ankommt - also als potenzielle Kandidaten für stationäre Batterie-Speicherkraftwerke für Windenergie und Solarenergie.
Was das Speichermaterial anbelangt, kommen Forschende auch auf ungewöhnliche Ideen; Eierschalen, die normalerweise im Biomüll landen, eignen sich beispielsweise hervorragend für die Herstellung von kostengünstigen Lithium-Ionen-Kondensatoren.
Weitere Möglichkeiten, den ökologischen Fußabdruck von Batterien zu verkleinern, sind eine Produktion, die sich aus erneuerbaren Energien speist, aber auch eine Circular Economy für Batterien mit einem intensiven Recycling.
Die Umwandlung von Strom zu verschiedenen Produkten (Power-to-X) nimmt seit einigen Jahren an Fahrt auf. „Power“ steht hier für Stromüberschüsse, die in verschiedene andere Energieformen („X“) umgewandelt werden, zum Beispiel Power-to-Gas (Erzeugung von Gas aus Strom) oder Power-to-Heat (Erzeugung von Wärme aus Strom).
Unter den Power-to-Gas-Verfahren gewinnt vor allem die Herstellung von Wasserstoff enorm an Bedeutung. Wasserstoff wird mittels einer Wasserelektrolyse und unter Einsatz elektrischen Stroms hergestellt. Durch eine chemische Umwandlung kann das Gas auch noch in Chemikalien und Kraftstoffe wie Ammoniak und Methanol umgewandelt werden. Dieses Verfahren ist unter Power-to-Liquid bekannt. Egal ob als Gas oder Flüssigkeit, beides ermöglicht die Umwandlung von Strom in Produkte mit hohen Energiedichten, in denen erneuerbarer Strom auch über längere Zeitabschnitte gespeichert und über weite Strecken transportiert werden kann.
Das Ziel von Power-to-Heat ist es, Strom aus erneuerbaren Energien in den Wärmesektor zu integrieren. Dazu sollen beispielsweise großtechnische Durchlauferhitzer oder elektrische Industrieöfen und Elektrodenkessel, aber auch Stromdirekt- und Speicherheizungen sowie elektrische Wärmepumpen mit erneuerbarem Strom angetrieben werden. So würden sich nicht nur einzelne Gebäude, sondern auch ganze Stadtteile mit Wärme und Warmwasser erneuerbar versorgen lassen. Wirtschaftlich ist das bisher allerdings noch nicht realisierbar.
Auch Power-to-Gas-Verfahren sind in den meisten Fällen noch nicht wirtschaftlich genug und nur dann CO2-arm – und damit nachhaltig-, wenn zur Gewinnung Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wird (vgl. Fraunhofer ISE). Daher ist davon auszugehen, dass diese Technologien erst dann ökologisch und wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar sind, wenn der Anteil der erneuerbaren Energien am Strommix bei mindestens 60, wenn nicht sogar 80 Prozent liegt. Bis dahin ist es effektiver, mit überschüssigem erneuerbaren Strom Wärmepumpenheizungen und Elektroautos zu speisen, Smart Grids weiter auszubauen und Kurzfristspeicher wie Batterie- und Pumpspeicherkraftwerke einzusetzen. Das aktuell noch kostbare Gut Wasserstoff empfehlen Expert*innen industriellen Verfahren vorzubehalten, in denen hohe Temperaturen nötig sind, die nicht mit elektrischer Energie erreicht werden können.
Nichtsdestotrotz gibt es immer wieder auch technologische Durchbrüche, die einen wettbewerbsfähigen, erneuerbaren Wasserstoff in greifbare Nähe rücken.
Wie die bisher genannten Technologien zeigen, steht bei Energiespeichersystemen die Wirtschaftlichkeit meist im Vordergrund und aus Nachhaltigkeitsperspektive deren ökologischer und sozialer Fußabdruck. Immer neue Innovationen im Bereich Energiespeicherung zeigen, dass Bewegung in der Sache ist.
Eine Methode, um erneuerbare Energien für die spätere Nutzung parat zu haben, ist deren Speicherung in Form von Wärmeenergie. Bei den sogenannten Carnot-Batterien wird Strom in einem Hochtemperaturspeicher in Wärme umgewandelt, die dann in Flüssigsalz, Steinen oder Flüssigmetallen nahezu verlustfrei gespeichert werden kann.
Ein spannender Ansatz ist die Speicherung der Wärmeenergie in geschmolzenem Salz. Dieses Konzept existiert seit Jahrzehnten in Salzschmelzen, wurde nun aber weiterentwickelt: Mithilfe der überschüssigen Energie aus erneuerbaren Quellen wird eine Temperaturdifferenz geschaffen. Die Wärme wird dabei in geschmolzenem Salz und die Kälte in einer frostschutzähnlichen Flüssigkeit gespeichert. Bei Bedarf wird die thermische Energie in elektrische Energie zurückverwandelt.
Auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das europäische CHESTER-Konsortium haben einen Prototypen der Carnot-Batterie auf Basis von Dampfkraft-Prozessen gebaut. Mittels einer elektrischen Wärmepumpe wandelt die Batterie überschüssigen, erneuerbaren Strom in Wärme um. Diese wird in einem kostengünstigen Medium - wie Wasser oder Flüssigsalz – zwischengespeichert und bei Bedarf über eine Wärmekraftmaschine wieder in Strom umgewandelt.
"Carnot-Batterien haben das Potenzial, ein wichtiger Baustein für die Energiewende zu werden", erläutert Prof. André Thess, Direktor des Instituts für Technische Thermodynamik. "Denn solche Wärmespeicher lassen sich gezielt in die Netze und Energiesysteme von morgen einbinden, um die zeitlich und örtlich schwankende Stromgewinnung aus Sonnen- und Windenergie auszugleichen sowie Lastspitzen abzudecken." Carnot-Batterien besitzen Speicherkapazitäten von bis zu tausend Megawattstunden elektrischer Energie und könnten damit eine Stadt wie Stuttgart stabil mit Strom versorgen. Ein weiterer großer Pluspunkt: Aufgrund der verwendeten Materialien sind Carnot-Batterien umweltfreundlicher als konventionelle Batterien.
In den nächsten Jahren wollen die Wissenschaftler*innen des DLR und des CHESTER-Konsortiums das Konzept in größerem Maßstab testen.
Ein anderer Ansatz stammt von einem Forscherteam der schwedischen Technischen Hochschule Chalmers, genannt Molecular Solar Thermal Energy Storage (MOST). Hier wird ein eigens konzipiertes Molekül, bestehend aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff, zu einem energiereichen Isomer, sobald es mit Sonnenenergie bestrahlt wird. Das Isomer befindet sich also in der Solarzelle selbst und kann in einem kreisförmigen Prozess vom Dach an die Heizungsanlage des Hauses weitergegeben werden. Die Energie ist in dieser Form theoretisch bis zu 18 Jahre lang speicherbar.
Auch unter den sogenannten Schwungmassenspeichern gibt es neuartige Ansätze. Diese Systeme speichern elektrische Energie als Rotationsenergie. Das Prinzip ist einfach: Die überschüssige Energie speist einen Motor, der ein Schwungrad in Bewegung bringt oder seine Drehzahl erhöht, wobei Energie gespeichert wird. Wird dann die gespeicherte Bewegungsenergie benötigt, wandelt ein Generator sie in elektrische Energie um.
Nach diesem Prinzip hat die Firma Adaptive Balancing Power zum Beispiel das Adaptive Flywheel entwickelt. Aufgrund seiner Bauform kann es an die jeweilige Anwendung angepasst und dennoch unter Serienbedingungen gefertigt werden. Der Wirkungsgrad von Schwungradspeichern liegt bei 95 Prozent, allerdings kann diese Art von Speicher die Energie nur für ein paar Minuten speichern, da die Ruheverluste sehr hoch sind. Daher sind Schwungrad-Speicher vor allem für den Ausgleich von Netzschwankungen von Bedeutung.
Doch auch hier stehen die Entwicklungen nicht still: Wissenschaftler*innen der TU Dresden haben kürzlich einen Schwungrad-Speicher entwickelt, der enorm hohe Kapazitäten aufweist. „Ziel war es, einen langlebigen, dynamischen und hocheffizienten Energiespeicher zu entwickeln, der direkt neben einem Windrad, also dort wo der Strom erzeugt und mit geringen Verlusten übertragen wird, errichtet werden kann“, so Dr. Thomas Breitenbach von der projektleitenden Stiftungsprofessur für Baumaschinen.
Und was passiert eigentlich mit der ganzen Infrastruktur für fossile Energien, wenn diese bald nicht mehr sind? Tatsächlich gibt es bereits Ansätze, den überholten Strukturen ein neues, nachhaltigeres Leben als Speichertechnologie einzuhauchen. Auf diese Weise lassen sich Kosten und Ressourcen sparen. So beschäftigt sich ein Startup in Schottland damit, stillgelegte Bergwerke als mechanische Energiespeicher nutzbar zu machen. In den alten Minenschächten werden Gewichte mittels Energie an Seilen nach oben bewegt und im Bedarfsfall zur Energieumwandlung wieder nach unten gelassen.
In Deutschland forscht das Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) außerdem daran, in wieweit sich alte Kohlekraftwerke eignen, um erneuerbare Energien thermisch zu speichern.
Der Mythos, dass eine vollständige Stromversorgung aus erneuerbaren Energiequellen nicht möglich sei, kann mittlerweile getrost begraben werden. Es gibt bereits sowohl die entsprechenden Energiequellen, als auch eine Menge effizienter Speichertechnologien, die die Energiewende entscheidend vorantreiben könnten.
Trotz der vorhandenen Lösungen muss aber noch einiges passieren, damit die Sache richtig in Fahrt kommt. Das größte Problem sind vermutlich die fehlenden Anreize. Fossile Energien werden in Deutschland und der Welt weiterhin stark subventioniert. Jedes Jahr geben Regierungen weltweit rund eine halbe Billion US-Dollar aus – und halten so den Preis für fossile Brennstoffe künstlich niedrig. Das ist schätzungsweise mehr als dreimal so viel, wie in Subventionen in erneuerbare Energien und Speichertechnologien gesteckt wird. Außerdem erhalten diejenigen, die erneuerbare Energien ins Stromnetz einspeisen, eine bedarfsunabhängige, feste Vergütung. Damit sehen zum Beispiel Windkraftbetreibende keinen ausreichenden Nutzen darin, direkt in Speichertechnologien zu investieren.
Wie die genannten Beispiele zeigen, befinden sich viele Innovationen zudem noch in der Testphase. Mehr Unterstützung wäre nötig, um den Übergang solcher Entwicklungen in die Praxis zu beschleunigen. Da die Bereiche Energieerzeugung, Wärmeversorgung und Verkehrswesen aber zunehmend zusammenwachsen, dürfte das Thema Energiespeicherung künftig bedeutender werden denn je. Das Stichwort lautet hier „Sektorenkopplung“ und verstärkte Aufbau eines Smart Grids. Auch eine verstärkte Zusammenarbeit auf internationaler Ebene wäre im Energiesektor vonnöten.
Vor allem der Politik kommt daher eine tragende Rolle zu. Sie kann die richtigen Hebel und Gelder in Bewegung setzen, damit sinnvolle Maßnahmen und Förderungen die Energiewende voranbringen.
Autorin: Lena Strauß, RESET-Redaktion (Juni 2019). Letztes Update: Sarah-Indra Jungblut, RESET-Redaktion (Juni 2022)
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Ende des 19. Jahrhunderts wurde die Sonne dann als potenzielle Quelle der neu entdeckten Elektrizität anerkannt. In den 1870er Jahren erkannte man, dass Selen - ein Nebenprodukt des Bergbaus - photovoltaische (PV) Eigenschaften aufweist und zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Aber erst in den 1950er Jahren entstand die Solarenergie, wie wir sie heute kennen: 1953 stellten die Bell Labs die ersten PV-Paneele auf Siliziumbasis her, die mit einem Wirkungsgrad von etwa vier Prozent Strom erzeugen konnten.
Das späte 20. Jahrhundert war jedoch noch das Zeitalter der fossilen Brennstoffe, und die Solarenergie wurde nur in Situationen genutzt, in denen diese unpraktisch waren - wie im Weltraum. In den späten 50er und 60er Jahren wurden PV-Paneele zu einem vertrauten Anblick auf Satelliten und Raumfahrzeugen wie Vanguard 2, Explorer 3 und Sputnik-3.
In den 1970er und 80er Jahren folgten weitere Experimente mit Solarzellen, u. a. mit dem ersten solarbetriebenen Flugzeug, der Steigerung der Effizienz und der Installation auf dem Weißen Haus. Die Paneele wurden später von Reagan entfernt, um dann unter Obama wieder installiert zu werden.
Heute ist die Solarenergie nach der Wasserkraft und der Windenergie die drittgrößte erneuerbare Energiequelle. Insgesamt deckt sie etwa 3,1 Prozent des weltweiten Strombedarfs. Sie ist jedoch auch eine der Energiequellen mit dem weltweit stärksten Wachstum.
2010 wurden weltweit 32,2 Terawattstunden durch Solarmodule erzeugt. Allein im Jahr 2020 wuchs die Solarstromerzeugung um 156 TWh, ein rekordverdächtiger Anstieg um 23 Prozent. Dieser Boom ist vor allem dem anhaltenden Rückgang der Kosten für Solarstrom und den enormen Investitionen in China, den USA und Vietnam zu verdanken. China allein war für 75 Prozent des neuen Solarstroms in den Jahren 2019-2020 verantwortlich, ebenso wie für die starke Zunahme der Windenergie. In den USA stieg die Solarenergie im Jahr 2020 um 45 Prozent.
Um das Netto-Null-Ziel der Internationalen Energieagentur bis 2050 zu erreichen, müsste die Solarenergie bis 2030 rund 8000 TWh erzeugen. Dies würde eine jährliche Steigerung von 24 Prozent im nächsten Jahrzehnt erfordern. Doch auch wenn die jüngsten Statistiken den Eindruck erwecken, dass wir uns auf dem Weg zu diesem Ziel befinden, ist die Realität etwas komplexer.
Ähnlich wie der Aufschwung bei der Windenergie könnte auch der jüngste Boom bei der Solarenergie von kurzer Dauer sein. Die beeindruckenden Statistiken sind größtenteils darauf zurückzuführen, dass die chinesischen Einspeisetarife, mit denen Anreize für die Entwicklung erneuerbarer Energien geschaffen werden sollten, bis 2020 ausgelaufen sind und viele Projekte unter Hochdruck bis Zeitpunkt umgesetzt wurden. Auch in den USA laufen 2022 ähnliche Programme aus. Zum Teil ist das starke Wachstum aber auch auf den niedrigen Startpunkt der Solarenergie zurückzuführen. Mit zunehmender Expansion des Sektors wird es wahrscheinlich schwieriger werden, diesen Schwung beizubehalten.
Dennoch geht die IEA davon aus, dass die Solarenergie auch in Zukunft weiter expandieren und zu einer der führenden Technologien in einer Zukunft der erneuerbaren Energien werden wird, insbesondere angesichts der steigenden Kosten anderer Energiequellen: "In unserer Hauptprognose für den Zeitraum 2021 bis 2026 erwarten wir, dass der durchschnittliche jährliche Zubau an erneuerbaren Kapazitäten 305 GW erreichen wird, was 58 Prozent über dem Wert der letzten fünf Jahre liegt. Trotz der steigenden Rohstoffpreise, die sich zunehmend auf die Investitionskosten der Photovoltaik auswirken, erwarten wir ein jährliches Marktwachstum von 17 Prozent auf fast 160 GW im Jahr 2021 und einen Zubau von fast 200 GW im Jahr 2026. In der überwiegenden Mehrheit der Länder weltweit bietet die Solar-PV die niedrigsten Kosten für den Ausbau neuer Stromkapazitäten, insbesondere vor dem Hintergrund steigender Erdgaspreise."
Obwohl die Kosten für die Solartechnologie erheblich gesunken sind - um etwa 80 Prozent seit 2010-, gibt es andere, lang anhaltende Herausforderungen für den Solarsektor. Die Überwindung einiger dieser Herausforderungen wird entscheidend sein, um die Solarenergie in den nächsten Jahrzehnten voranzubringen.
Eines der wichtigsten Probleme ist der Wirkungsgrad von Solarmodulen. Obwohl sich ihr Wirkungsgrad in den letzten Jahrzehnten stark verbessert hat, ist er immer noch weit vom Optimum entfernt. Moderne Solarmodule für Endverbraucher*innen arbeiten nur mit einem Wirkungsgrad von etwa 17 bis 19 Prozent, was bedeutet, dass ein großer Teil der Sonnenenergie, die auf die Paneele einstrahlt, verloren geht. Obwohl dieser Wirkungsgrad immer noch hoch genug ist, um die Solarenergie als brauchbare Energiequelle zu nutzen, sind dem Sektor in Bezug auf Kosten, Platzbedarf und Investitionsrentabilität damit Grenzen gesetzt.
Die Solarenergie müsste ihren Wirkungsgrad mehr als verdoppeln, bevor sie mit ihren Konkurrenten, sowohl den erneuerbaren als auch den fossilen Energien, mithalten kann. Windturbinen arbeiten mit einem Wirkungsgrad von etwa 20 bis 40 Prozent, Kohlekraftwerke können sogar einen Wirkungsgrad von 59 Prozent erreichen. Die Kernenergie liegt mit rund 91 Prozent weit vorne. Vor allem für Energieunternehmen, die Gewinne erzielen wollen, sind diese Zahlen von Bedeutung.
Und dann ist da natürlich noch das Problem, das viele Formen der erneuerbaren Energien plagt: ihre unstete Natur. Wenn die Sonne nicht scheint oder Wolken den Himmel bedecken, wird die Solarenergie erheblich behindert. Das bedeutet, dass nur bestimmte Gebiete der Welt für groß angelegte Solarprojekte geeignet sind. Dies schränkt die Verbreitung der Solarenergie stark ein, vor allem auf der Ebene der privaten Haushalte. Und selbst unter optimalen Bedingungen können Solarmodule nur etwa 12 Stunden am Tag Strom erzeugen, was bedeutet, dass sie als alleinige Energiequelle für die Versorgung großer Gemeinden unzuverlässig sind. Die Schwierigkeit, erneuerbare Energie zu speichern, bedeutet, dass der Strom oft sofort ins Netz eingespeist wird, was dazu führt, dass Solarenergie zu verschiedenen Jahres- und sogar Tageszeiten zu wenig oder zu viel Strom liefert.
Angesichts des geringen Wirkungsgrads und der schwankenden Ausbeute der Solarenergie ist der Bau von Solarparks in großem Maßstab oft die Lösung. Viele der größten Solarparks der Welt, wie zum Beispiel die Bhadla-Solaranlage in Indien, erstrecken sich über Tausende von Hektar. Die Suche nach geeigneten Flächen, insbesondere für kleinere Länder, ist daher ein ständiges Problem. In jüngster Zeit hat sich die Agrovoltaik - die Kombination von Landwirtschaft und Solarstromerzeugung - zu einer potenziellen Lösung entwickelt, doch Studien haben gezeigt, dass sie noch lange nicht perfekt ist. Agrovoltaik-Farmen produzieren aktuell (noch) sowohl Nahrungsmittel als auch Elektrizität in einem reduzierten und ineffizienten Tempo zu einem hohen Preis.
Diese Probleme bringen auch ökologische Bedenken mit sich. Großflächige Solarparks sind ein Eingriff in die Natur, der abgewogen werden muss. Zudem werden bei der Herstellung einiger PV-Anlagen auch gefährliche Stoffe wie Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Fluorwasserstoff und Galliumarsenid verwendet. Diese Chemikalien können bei Beschädigung oder Entsorgung aus den Paneelen freigesetzt werden, so dass entsprechende Vorsicht und Vorschriften eingehalten werden sollten. In entsprechender Rahmen existiert jedoch nicht überall.
Im Vergleich zu anderen Energiequellen hat die Solarenergie jedoch einige große Vorteile. Obwohl ihr Wirkungsgrad niedrig sein mag, sind Solarmodule relativ zuverlässig, was Wartung und Instandhaltung angeht. Im Vergleich zu Windturbinen können Solarmodule rauen Wetterbedingungen standhalten, und wenn ein Modul beschädigt wird, ist nur ein Teil der Gesamterzeugung betroffen, nicht die gesamte Anlage. Das bedeutet, dass Solarenergie sogar im Vergleich zu fossilen Brennstoffen erstaunlich robust ist. Solarenergie hat außerdem einen geringen Wasserbedarf, was sie ideal für Wüsten- und Dürregebiete macht. Darüber hinaus benötigen Solarparks, obwohl sie viel Platz beanspruchen, nur wenig zusätzliches Land in Bezug auf Infrastruktur, Bergbau oder Logistik.
Natürlich werden rund um den Globus Versuche unternommen, diese Herausforderungen zu überwinden. Was die Effizienz betrifft, so gibt es zwar effizientere Solarmodule, doch sind diese meist noch sehr teuer. Eine Senkung der Kosten für diese teureren Paneele oder die Nachahmung ihrer Eigenschaften auf andere Weise könnte dazu beitragen, die Gesamteffizienz von PV-Anlagen für Verbraucher*innen zu erhöhen. Wie Professor Andreas Bett, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, gegenüber The Smarter Europe erklärte, liegt die Antwort in weiterer Forschung und Entwicklung: "In der Branche haben wir in den letzten zehn Jahren eine durchschnittliche jährliche Effizienzsteigerung von 0,5 - 0,6 Prozent auf Zellebene erreicht. Das ist mehr als beeindruckend. Um die Jahrtausendwende waren Solarzellen mit Aluminium-Rückseitenfeld der Industriestandard. Der Wirkungsgrad erreichte schließlich einen Spitzenwert von 20 Prozent, bevor die Industrie an strukturelle Grenzen stieß. Es gab einfach keine Möglichkeit, den Wirkungsgrad mit dieser Zellarchitektur weiter zu verbessern, so dass eine neue Technologie die einzige Lösung war."
Darüber hinaus stößt der traditionelle Ansatz der Solarzellen aus einem einzigen Material an sein theoretisches Wirkungsgradmaximum, das so genannte Shockley-Queisser-Limit. Infolgedessen werden andere Materialien und Methoden erforscht. Eines davon sind Perowskite - extrem dünne Filme mit kristallähnlichen Strukturen, die bei schwachem Licht und bewölktem Himmel effizienter sind als Silizium-PVs. Ein großer zusätzlicher Vorteil von Perowskiten ist, dass sie günstig herzustellen sind, in großem Maßstab gedruckt werden können und flexibel genug sind, um eine Reihe von Objekten zu beschichten - von Gebäuden über Autos bis hin zu Kleidung. "Perowskit-Kristalle wurden in den letzten fünf oder sechs Jahren als effektives Material für Solarzellen identifiziert. Und die rasante Forschung, die dahinter steckt, hat zu erheblichen Effizienzsteigerungen geführt. Werden Perowskit-Kristalle oder -Schichten eingesetzt - auch ohne Silizium-Basisschicht - kann bereits ein Wirkungsgrad von 25 Prozent erreicht werden," so Professor Bett.
Perowskite können auch zu herkömmlichen Siliziumpaneelen als zusätzliche Stromerzeugungsschicht hinzugefügt werden. Werden die Materialien kombiniert, kann ein Hybrid-Solarmodul die Shockley-Queisser-Grenze durchbrechen.
Andere Methoden bestehen darin, die Kraft der Sonne auf kleinere Bereiche zu konzentrieren, um ihre Intensität und die erzeugte Energie zu erhöhen. Solche Methoden wurden bisher im Weltraum eingesetzt, wo Gewicht und Wartung weniger ein Problem darstellen, aber jetzt sind sie auch auf der Erde angekommen. Das schweizer Startup Insolight hat zum Beispiel ein Panel entwickelt, das speziell geformte Glaskugeln in einer Wabenstruktur enthält. Diese bündeln die Sonnenenergie bis zu 200-fach, was den Wirkungsgrad auf 29 Prozent erhöht.
Eine andere Methode ist von der Natur inspiriert. SunBOT ist ein Projekt der UCLA, bei dem kleine Solarpaneele entwickelt wurden, die sich auf einem Nanopolymerstamm bewegen können, der sich im Laufe des Tages ausdehnt und zusammenzieht. Ähnlich wie bei photosynthetischen Prozessen in Pflanzen können die kleinen Solarmodule der Sonne nachgeführt werden. Während herkömmliche Paneele nur etwa 24 Prozent der Sonnenstrahlen aufnehmen, kann der SunBOT diesen Anteil auf 90 Prozent erhöhen.
Die Technologie ist jedoch nicht auf Fortschritte bei der Effizienz beschränkt. Andere aktuelle Projekte erforschen neue Wege und Orte, um Solarenergie zu erzeugen. Village Data Analytics beispielsweise nutzt Satelliten und maschinelles Lernens, um netzferne Gemeinden und in Afrika zu identifizieren und Solarentwickler*innen in die Gebiete zu lenken, die am meisten von der Solarenergie profitieren. Andernorts werden Satelliten und künstliche Intelligenz auch eingesetzt, um die Anzahl der aktuellen Solarpaneele auf der ganzen Welt genau zu zählen und den künftigen Ausbau zu planen.
Da der Platz immer knapper wird, wird mit Solarenergie auch Neuland erkundet. So bieten beispielsweise unsere Meere, Seen und Ozeane potenzielle Möglichkeiten für schwimmende Solarenergie in großem Maßstab. Eine Studie hat ergeben, dass nur 10 Prozent der Wasserreservoirs der Welt mit schwimmenden Solarpanelen bedeckt sein müssten, um rund 4.000 GW an Solarkapazität zu installieren. Das entspricht der Stromerzeugungskapazität aller weltweit in Betrieb befindlichen Kraftwerke für fossile Brennstoffe. Andere Ansätze sehen vor, die Solarkapazität über Perowskit-Schichten, solarbetriebene Fahrzeuge und Straßen oder Solarpaneel-Ziegel in der gesamten Stadt zu installieren. Damit könnte nicht nur jede Straße in einen Solarpark verwandelt, sondern auch die künftige Entwicklung einer intelligenten Stadtinfrastruktur vorangetrieben werden.
Andere Entwicklungen zielen darauf ab, die Bedingungen zu erweitern, unter denen Solarenergie funktionieren kann. Experimentelle Paneele sollen zum Beispiel aus der Reibung von fallendem Regen oder sogar bei vollständiger Schneedecke Strom erzeugen können. Entwicklungen wie diese könnten die Regionen, in denen die Solarenergie genutzt werden kann, erheblich erweitern, denn tatsächlich funktionieren Solarzellen am besten unter kälteren und feuchten Bedingungen. In diesem Zusammenhang wurden auch Agro-Photovoltaik als mögliche Lösung für den Bau von Solarfarmen erforscht, da Bauernhöfe oft feucht und nass sind, womit sie ein kühlendes Mikroklima schaffen, von dem Solarmodule profitieren.
Aber natürlich kann ein mit PV-Paneelen bedecktes Feld zwar Strom erzeugen, aber nur wenig anderes. Projekte wie Tubesolar haben röhrenförmige Solarpaneele entwickelt, die in Gittern über bestehenden Pflanzen angebracht werden können. Sie lassen Luft, Wasser und Sonnenlicht zu den darunter liegenden Pflanzen gelangen und schützen sie gleichzeitig vor extremen Wetterbedingungen. Das TubeSolar-Team gibt an, dass seine Paneele genauso viel Strom erzeugen wie herkömmliche Paneele und sogar die Ernteerträge steigern können.
Darüber hinaus wurden selbstreparierende Solarzellen erforscht, um die Unterhaltskosten zu senken und das Auslaufen gefährlicher Chemikalien zu verhindern.
Die vielleicht ehrgeizigsten zukünftigen Solarmodule sollen die Sonnenenergie zu ihren Wurzeln zurückbringen: in den Weltraum. In Experimenten, die derzeit noch weitgehend theoretisch sind, wird untersucht, wie die Sonnenenergie im Weltraum eingefangen und zur Nutzung auf der Erde zurückgebracht werden kann. Derzeit scheinen viele der Konzepte allerdings eher in Science-Fiction-Romanen zu Hause zu sein als in Wissenschaftszeitschriften. Die "Dyson-Sphäre" beispielsweise stellt sich vor, Sterne in eine Megastruktur aus umlaufenden Sonnenkollektoren einzuschließen, um die Sonnenenergie näher an der Quelle zu gewinnen. Viel wahrscheinlicher ist es jedoch, Solarparks in der Erdumlaufbahn zu errichten - wo die Sonneneinstrahlung viel stärker ist - und die Energie irgendwie auf die Erdoberfläche zurückzubeamen.
Sowohl die USA als auch China suchen nach Möglichkeiten, genau dies zu tun. Derzeit werden die Einzelheiten beider Projekte noch unter Verschluss gehalten, aber wahrscheinlich handelt es sich um eine Kombination aus Spiegeln, schwärmenden Satelliten, Strahlungsschüsseln und riesigen Empfangsnetzen auf der Erdoberfläche - vielleicht in Wüsten und auf Ozeanen. Die Solarfarmen in der Erdumlaufbahn sollen bis zu 2000 Gigawatt Strom erzeugen können – der Weg dahin ist allerdings noch weit. Expert*innen gehen davon aus, dass die Technologie noch mindestens 30 Jahre entfernt ist und ihre Herstellung viele Milliarden Dollar kosten könnte – die vielleicht auch andernorts sinnvoller eingesetzt werden könnten.
Die effektivsten Lösungen für eine zügige Energiewende sehen wahrscheinlich anders aus. Auf lokaler Ebene kann die Entwicklung von Mini-Netzen auf Gemeindeebene, die oft durch zivilgesellschaftliche Technologien und digitale Werkzeuge unterstützt werden, dazu beitragen, dass die Solarenergie für Normalverbraucher*innen wesentlich rentabler wird. Durch die Bündelung von Ressourcen und die gemeinsame Übernahme von Verantwortung können Hausbesitzer*innen und Nachbar*innen die Dinge selbst in die Hand nehmen und sich gegenseitig bei der Schaffung der nächsten Generation von sauberer Solarenergie unterstützen.
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Der deutsche Agrovoltaik-Entwickler Tubesolar hat ein röhrenförmiges Photovoltaiksystem entwickelt, das auf bestehende Kulturen aufgebaut werden kann und möglicherweise sogar den Ernteertrag erhöht. Bei dem System werden flexible PV-Streifen in Glasröhren in einem Gitter angeordnet und über Pflanzen oder anderen Objekten positioniert. Die röhrenförmige Struktur bedeutet, dass Licht, Wasser und Luft weiterhin die darunter liegenden Pflanzen erreichen kann, während gleichzeitig Strom erzeugt wird. Nach eigenen Angaben erzeugt das System von Tubesolar etwa die gleiche Menge an Strom wie herkömmliche Paneele - etwa 1 MW pro Hektar.
Das Design, das in Zusammenarbeit mit dem Phototronik-Unternehmen Osram entwickelt wurde, hat noch weitere Vorteile. Die Röhren können in verschiedenen Höhen angeordnet werden, so dass darunter Platz für die Ernte und andere Arbeiten bleibt. Die röhrenförmige Beschaffenheit der Photovoltaikanlagen bedeutet auch, dass sie aus leichten Materialien gebaut werden können, was die Konstruktion, die Kosten und die Logistik erleichtert. Ihre gewölbte Oberfläche ermöglicht außerdem eine Selbstreinigung, was den Arbeitsaufwand im Vergleich zu herkömmlichen Paneelen verringert.
Die röhrenförmigen Paneele können sogar den Pflanzen selbst helfen. Sie spenden kühlenden Schatten, was in trockenen Umgebungen nützlich sein kann, und begrenzen die Sonneneinstrahlung. Darüber hinaus können sie die Pflanzen auch vor starkem Regen, Hagel oder Vogelschäden schützen. Tubesolar gibt an, dass all das dazu führt, dass die Oberflächenerosion verringert, Wasser erhalten und die Wüstenbildung verhindert wird - und das alles bei gleichzeitiger Erzeugung sauberer erneuerbarer Energie.
Wenn es um den Bau großer Solarparks geht, ist der Standort vielleicht wichtiger, als es auf den ersten Blick scheint. Es geht nicht nur darum, einen Park auf einer sonnigen Wiese zu errichten; um einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten, müssen auch andere Umweltbedingungen stimmen. So kann zum Beispiel auch ein zu heißes Gebiet die Effizienz von Solarmodulen verringern.
Aus diesem Grund haben sich landwirtschaftliche Flächen zu einem bevorzugten Standort für Solaranlagen entwickelt. Landwirtschaft wird in der Regel in feuchten Gebieten betrieben, was zu kühlenden Dämpfen führt, die den Wirkungsgrad von Solarmodulen erhöhen. Außerdem sind die Felder der Landwirte in der Regel weit und offen und haben keine Strukturen, die die Sonnenstrahlen blockieren. Das Potenzial für die Energieerzeugung ist hier also enorm. In einer Studie wurde geschätzt, dass es ausreichen würde, weniger als ein Prozent der landwirtschaftlichen Nutzflächen der Welt mit herkömmlichen Solaranlagen zu bedecken, um den gesamten derzeitigen Strombedarf der Welt zu erzeugen - wenn man von idealen Bedingungen ausgeht.
Die großflächige Entwicklung von Solaranlagen in ländlichen Gebieten führt jedoch zu Befürchtungen, dass die Nahrungsmittelproduktion beeinträchtigt werden könnte. Dies ist umso kritischer, als die Bevölkerung wächst und der Bedarf an Nahrungsmitteln in Zukunft steigen wird. Allerdings können auf Feldern angebrachte Solarmodule in einigen Fällen den Ertrag steigern. In einer Studie aus dem Jahr 2016 wurde berichtet, dass landwirtschaftliche Betriebe, die schattenresistente Pflanzen unter Solarmodulen anbauen, einen 30 Prozent höheren wirtschaftlichen Wert haben als konventionelle Betriebe. Dies ist wahrscheinlich auf das von den Modulen erzeugte Mikroklima zurückzuführen, das einigen Sommerkulturen zugute kommt. Durch den Einsatz von Solarmodulen kann auch die Wasserverdunstung verringert werden, wodurch die für die Bewässerung benötigte Wassermenge reduziert wird. Auf Weidetiere haben Solarmodule nur geringe Auswirkungen und können ihnen auch Schatten und Schutz bieten.
Allerdings gibt es auch erhebliche Nachteile. Nur bestimmte schattenresistente Kulturen, wie Gurken und Salate, werden positiv beeinflusst. Diese machen allerdings nur einen kleinen Prozentsatz der landwirtschaftlichen Produktion aus. Weizen zum Beispiel benötigt direktes Sonnenlicht und ist ein schlechter Kandidat für die Agro-Photovoltaik. Solarmodule erhöhen wahrscheinlich auch die Luftfeuchtigkeit und das Potenzial für die Ausbreitung von Krankheiten und verbrauchen zudem mehr Platz. Andere Studien haben ergeben, dass innovativere Agro-Photovoltaik-Konstruktionen, wie zum Beispiel Gewächshäuser, die Erträge erheblich beeinflussen. In einem Fall sanken die Ernteerträge um 64 Prozent und die Energieerzeugung um 84 Prozent bei Gewächshäusern, deren Dach zur Hälfte mit Paneelen bedeckt war.
Auch die Kosten der Anlagen sind nicht zu unterschätzen. Agro-Photovoltaikanlagen, die über Kulturen angebracht werden, sind mit zusätzlichen Kosten für den Bau sowie mit höheren Versicherungskosten verbunden, da die Wahrscheinlichkeit von Schäden besteht. Außerdem müssen die Landwirt*innen zunehmend komplexe Anlagen reparieren oder Fachleute hinzuziehen. In vielen Ländern wäre die Agrophotovoltaik daher für die wenigsten Landwirt*innen wirtschaftlich, vor allem, wenn keine staatlichen Zuschüsse und Subventionen zur Verfügung stehen.
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Neue Technologien sind jedoch in der Entwicklung, um diesen Kreislauf aufzubrechen. Denn es gibt bereits einen riesigen, natürlichen Wassererhitzer: die Sonne. Solarthermie – die Erwärmung von Wasser mit Hilfe der Sonnenenergie – existiert schon seit Jahren, trotzdem ist diese Technologie nicht ganz ohne Schwierigkeiten. Herkömmliche solarthermische Heizungen sind groß und unhandlich, erfordern Spezialisten und sind oft von zweifelhaftem wirtschaftlichem Nutzen. Das schottische Startup-Unternehmen SolarisKit will nun all diese Herausforderungen mit einer einfach bedienbaren Lösung angehen.
SolarisKit hat mit dem SolarisKit S400 die weltweit erste flach verpackbare Solarheizung entwickelt. Mit einfachen Bauteilen soll jede und jeder in der Lage sein, einen Warmwasserbereiter innerhalb von nur etwa 15 Minuten aufzubauen. Der Bausatz besteht aus einem pyramidenförmigen Kunststoffrahmen und einem Prisma, in den ein gewickeltes Kunststoffrohr eingebaut ist. Kaltes Wasser aus dem Leitungsnetz wird in das untere Ende des Geräts gepumpt, das dann die Länge des gewundenen Rohrs durchläuft und dabei die Wärme der Sonne aufnimmt. Am anderen Ende kommt warmes Wasser zum Baden oder Waschen mit einer Temperatur von bis zu 50 Grad Celsius heraus.
Nach Angaben von SolarisKit bietet ihre Konstruktion einige große Vorteile gegenüber bisherigen Systemen. Erstens ist das Gerät viel einfacher zu transportieren, denn herkömmliche solarthermische Anlagen sind oft groß und zerbrechlich. Ihre sperrige Form bedeutet auch, dass sie besondere logistische Anforderungen erfüllen müssen, was ihren Transport teurer und unbequemer macht. Im Vergleich dazu benötigt das SolarisKit keine besonderen Transportbedingungen und kann, wie jedes andere Produkt, mit der Post verschickt werden. Durch die robusten Basismaterialien ist auch die Wahrscheinlichkeit deutlich geringer, dass der Bausatz beim Transport beschädigt wird.
All dies trägt zu einem weiteren großen Vorzug des Geräts bei: den Kosten. Vollständige solarthermische Systeme kosten in der Regel zwischen 3.000 und 7.000 USD, einschließlich Ausrüstung und Arbeitsaufwand für ihre Installation. Das macht sie daher meist nur für wohlhabendere Hausbesitzer*innen zugänglich. Tatsächlich werden die meisten solarthermischen Anlagen als Poolheizungen beworben, was schon auf ihre typische Käuferschaft hindeutet. Das SolarisKit hingegen kostet dank seines einfachen Designs und Transports nur 100 USD, was es für unterschiedliche Haushalte in verschiedenen Regionen der Welt attraktiv macht.
Schließlich wirbt SolarisKit auch damit, dass es umweltfreundlicher ist als andere Technologien. Die Verwendung von Solarthermie spart im Vergleich zu Systemen auf Grundlager fossiler Brennstoffe bereits große Mengen an Energie und CO2-Emissionen. Die Heizungen werden nach „gCO2eq/kWh“ eingestuft – oder einfacher ausgedrückt, wie viele Gramm Kohlendioxidäquivalent pro Kilowattstunde Strom erzeugt werden. Ölheizungen liegen im Bereich von 310-550, während Gasheizungen etwa 210-380 erreichen. Ein solarthermisches Gerät erzeugt nur etwa 10-35, wobei der größte Teil davon auf die Herstellung und den Transport entfällt.
Für das SolarisKit S400 gibt es verschiedene Anwendungsmöglichkeiten. Obwohl es in Nordeuropa schon gut funktioniert, wird seine Fähigkeit, Wasser zu erwärmen, drastisch verbessert, wenn man sich dem Äquator nähert. In einer Diskussion mit der BBC hob CEO Faisal Ghani das Potenzial des Flachheizgeräts hervor, die Gesundheits- und Sanitärversorgung im Globalen Süden zu verbessern. Denn vielerorts werden fossile Brennstoffe, manchmal in geschlossenen Räumen, zur Warmwasserbereitung verwendet. Im Rahmen eines Pilotprojekts verteilte Solariskit den S400 an Hausbesitzer*innen in Ruanda, um die Leistung des Geräts unter realen Bedingungen zu testen. Ein Nutzer berichtete, dass das Gerät seine sechsköpfige Familie mit gleichmäßig warmem Wasser (15 Grad Celsius) versorgte.
Es gibt jedoch einige Einschränkungen für den Einsatz des SolarisKit in benachteiligten oder unterversorgten Gebieten. Vor allem ist ein aktiver Wasseranschluss erforderlich, was bedeutet, dass er vermutlich nur Familien mit mittlerem Einkommen in Ruanda und anderswo zur Verfügung stehen dürfte. Darüber hinaus wurden im Rahmen des Pilotprojekts 60 Kits an 5 Standorten verteilt, was bedeutet, dass jeder Pilothaushalt mehrere S400 betreiben müsste, um die benötigte Menge an warmem Wasser zu erhalten – und das würde die Kosten drastisch erhöhen.
Vor diesem Hintergrund vermarktet SolarisKit seine Produkte weiter vor allem an Haus- und Poolbesitzer*innen, Unternehmen und die Industrie sowie an Campingplätze.
Das Start-Up sucht jedoch weiterhin nach Möglichkeiten, die Solarthermie für mehr Menschen zugänglich zu machen. Derzeit entwickelt das Unternehmen eine neue, durch Schwerkraft gespeiste Version, die ohne Wasseranschluss oder Pumpe auskommt, was die Anwendung für Nutzer*innen im Globalen Süden potenziell sehr viel einfacher machen könne.
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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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