Zur Stromerzeugung sind die Photovoltaik, die Windenergie und die Wasserkraft am geeignetsten, um wesentliche Beiträge zu erbringen. Bei einem Vergleich aller Kosten neuer Anlagen sind diese Technologien bereits jetzt am kostengünstigsten.

Alle Wirtschaftswissenschaftler sind sich im Grundsatz einig, dass die externen Kosten fossiler oder nuklearer Brennstoffe einbezogen werden müssten. Dann wäre die konventionelle Stromerzeugung bereits jetzt gegenüber Erneuerbaren Energien nicht konkurrenzfähig.

In Zukunft wird es weltweit zunehmend überschüssigen Strom aus Windenergie und Photovoltaik zu geringen Kosten geben.

Trotzdem reicht der Zubau bei weitem nicht aus, um genügend Überschussstrom für die Versorgung des Wärme- und Verkehrsbereich zu liefern.

Erneuerbare Energien haben 2021 in Deutschland nur 19,7 % am Endenergieverbrauch für Strom, Wärme und Verkehr erreicht.

a) Netzausbau

Strom sollte möglichst nahe am Ort des Verbrauchs erzeugt werden. Jedes Gebäude und insbesondere jede Produktionshalle sollte an der Fassade und auf dem Dach mit Photovoltaik-Modulen bestückt werden. Dadurch kann das größte, technisch sinnvoll erschließbare Potential für den Eigenverbrauch erschlossen und Überschüsse als positive Regelenergie zur Verfügung gestellt werden.

Wasserkraftwerke erfordern spezifische Standortbedingungen und Windparks und Biogasanlagen sind oft neben Verbrauchszentren nicht genehmigungsfähig.

Deshalb ist bei der Diskussion um Regelenergie und Stromspeicher klarzustellen, dass in Deutschland in jedem Szenario einer Vollversorgung mit Erneuerbaren Energien die Stromnetze schnellstmöglich ausgebaut werden müssen, insbesondere in Nord-Süd-Richtung. Unvermeidbare Belastungen müssen hingenommen werden, weil sie die bessere Alternative zu einem weiteren Einsatz fossiler oder nuklearer Brennstoffe zur Stromproduktion sind. Dafür könnten Erdkabel eingesetzt werden. Das Geld für die Mehrkosten gegenüber Freileitungen ist vorhanden (siehe unten).

Diese Notwendigkeit ist seit langem allen Entscheidungsträgern bekannt:

Als ich zu Beginn meiner anwaltlichen Tätigkeit im Dezember 2001 mit den zuständigen Behörden, insbesondere dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie über Off-Shore-Planungen unserer Mandantinnen verhandelte, war allen Beteiligten klar, dass der Aufbau von Windparks im Meer nur Sinn macht, wenn der Strom in die Verbrauchszentren in Nordrhein-Westfalen, Baden-Württemberg und Bayern abtransportiert werden kann. Damals war erkennbar, dass der schnelle Ausbau von Windenergie On-Shore den Bedarf der nördlichen Bundesländer mehr als abdecken wird. Allein die Windparks an Land hätten einen Netzausbau in Nord-Süd-Richtung erforderlich gemacht.

Dass über 20 Jahre verschenkt wurden, kann kein Argument gegen den Ausbau Erneuerbarer Energien sein.

Der Ausbau des Stromnetzes kann die räumliche Verteilung des Stroms verbessern, nicht aber das Problem von temporären Überschüssen bei einer hundertprozentigen Umstellung auf Erneuerbare Energien lösen.

Für die Bereitstellung positiver und negativer Regelenergie bestehen folgende Optionen:

b) Stromspeicher

Dieser überschüssige Strom kann zunächst im Verkehrsbereich eingesetzt werden. Dafür spricht, dass ein Elektromotor Wirkungsgrade erzielt, die für Verbrennungsmotoren auch in Zukunft unerreichbar sein werden. Die Batterien werden künftig billiger und leistungsfähiger werden. Der überschüssige Strom aus fluktuierenden Erneuerbaren Energien ist die Lösung zur Dekarbonisierung des Verkehrsbereichs. Umgekehrt ist die Kapazität aller Autobatterien jedoch zur Bereitstellung von Regelenergie nicht ausreichend – zumindest nicht bei einer wochenlangen Dunkelflaute.

Die Lösung liegt in der als Sektorenkopplung bezeichneten Kopplung verschiedener Energiesektoren. Dabei wird Erneuerbarer Strom als Primärenergie zur Dekarbonisierung der anderen Sektoren genutzt.

Unabdingbar sind chemische Speicher:

c) Positive und negative Regelenergie durch Power to X

Power to X beschreibt die Wandlung von Strom als Primärenergie und Rohstoff in einen Energieträger, Wärme, Kälte, Produkt, Kraft- oder Rohstoff. Es umfasst als Sammelbegriff Power to Gas, Power to Liquid, Power to Fuel, Power to Chemicals, Power to Product und Power to Heat einschließlich Elektrowärmepumpen.

aa) Power to Gas

Aufgrund der Begrenztheit von Batterien muss schnellstmöglich die Umwandlung von Strom zu Wasserstoff und Methan (sog. Power-to-Gas-Technologie) weiterentwickelt und eingesetzt werden. Bevor Energie für die Umwandlung von Wasserstoff in Methan verbraucht wird, sollten alle Anwendungen für Wasserstoff, insbesondere in der chemischen Industrie, durch regenerativ erzeugten Wasserstoff abgedeckt werden. Außerdem sollte das Potential einer Beimischung von Wasserstoff zu Methan im Erdgasnetz ausgeschöpft werden. Das bestehende Erdgasnetz kann als Speicher eine wichtige Funktion erfüllen. Bei der Rückverstromung des regenerativ erzeugten Gases ist größtmögliche Effizienz wichtig.

Während meiner Tätigkeit für das Institut für angewandte Ökologie habe ich 1992 die dort angefertigten Studien zu den Vorteilen der gekoppelten Produktion von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung) gelesen. Seitdem sind unzählige weitere Untersuchungen und Stellungnahmen zu Gesetzentwürfen veröffentlicht worden, welche diese Vorteile betonen. Praktisch keine Konferenz ist seit 1992 vergangen, ohne dass mehrere Wissenschaftlicher eindringlich die Notwendigkeit eines verstärkten Einsatzes von Kraft-Wärme-Kopplung dargelegt haben. Ich habe noch nie ein logisches Gegenargument vernommen.

30 Jahre später ist der Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung immer noch erschreckend gering.

Neben fossilen Kraftwerken, die ihre Abwärme vernichten, indem sie Flüsse aufheizen, stehen auch 2022 noch Gebäude, die mit Gas beheizt werden.

Dieses unerträgliche Versagen aller zuständigen Politiker muss schnellstmöglich behoben werden.

bb) Power to Heat

Solange die genannten Alternativen nicht ausreichend negative Regelenergie anbieten können, bleibt die Wärmeerzeugung als Auffanglösung:

Da nach allen wissenschaftlichen Erkenntnissen in den meisten Anwendungsfällen die Speicherung von Wärme effizienter, einfacher und billiger ist als die Speicherung von Elektrizität, liegt es nahe, überschüssigen Strom aus Windenergie und Photovoltaik in Wärme umzuwandeln, insbesondere durch Wärmepumpen. Soweit die trägen Wärmesenken den Überschussstrom nicht aufnehmen können, muss dieser rückverstromt werden, wenn die Stromproduktion sinkt.

cc) Power to Liquid

Die Umwandlung von Elektrizität zu flüssigen Kraftstoffen wird aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten immer mit hohen Umwandlungsverlusten verbunden sein. Deshalb ist Strom möglichst direkt einzusetzen. Jede Umwandlung ist immer mit hohen Verlusten an nutzbarer Energie verbunden. Deshalb ist grundsätzlich die Produktion von Wasserstoff der Herstellung von Methan vorzuziehen. Gleiches gilt für die Umwandlung von Methan zu flüssigen Kraftstoffen.

Ausnahmen können gerechtfertigt sein durch die Nutzung bestehender Infrastruktur. Wenn zum Beispiel die bestehende Infrastruktur mit Pipelines, Pumpstationen und Gasspeichern auf Methan ausgelegt und der Einsatz von Wasserstoff nur begrenzt möglich ist, dann kann dies die Umwandlungsverluste der Methanisierung rechtfertigen.
Das muss aber im jeden Fall überzeugend nachgewiesen werden.

Jedenfalls ist es sinnvoll, zunächst allen industriell genutzten Wasserstoff, der teilweise aus fossilem Methan gewonnen wird, durch Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien zu ersetzen.

Die Herstellung von flüssigen Kraftstoffen ist nur sinnvoll, wenn zuvor alle anderen Möglichkeiten zur Einsparung, Vermeidung, Effizienzsteigerung und Substitution ausgeschöpft sind.

Diese Kraftstoffe müssen ihren Vorteil gegenüber Pflanzenöl nachweisen.

Pflanzenöl hat gegenüber Gas und Strom seine Vorteile insbesondere bei den Anwendungen im Verkehrsbereich, bei denen die hohe Energiedichte wichtig ist. Dazu gehören Traktoren, Landmaschinen und schwere Lastkraftwagen.

dd) Power to Gas oder Biogas zur Bereitstellung positiver Regelenergie

Neben Gas aus Erneuerbaren Energien sollte auch Gas aus Biomasse zur Bereitstellung positiver Regelenergie in Verbindung mit Kraft-Wärme-Kopplung für träge Wärmesenken und im Verkehrsbereich für Hybrid-Lösungen eingesetzt werden. Blockheizkraftwerke sollten grundsätzlich mit einer möglichst hochwertigen Wärmenutzung in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben werden.

d) Negative Regelenergie durch Verbrauchsänderungen

Der Bedarf des Stromversorgungssystems an negativer Regelenergie kann dadurch gesenkt werden, dass industrielle, gewerbliche und private Verbraucher stark finanziell angereizt werden, bei zu niedriger Produktion aus fluktuierenden Erneuerbaren Energien ihren Stromverbrauch zu verringern.

In Einzelfällen ist dies unmöglich, weil bestimmte Industrieprozesse eine kontinuierliche Versorgung benötigen und die Schäden bei einer verringerten Stromversorgung zu hoch wären. Im Regelfall ist die Verbrauchsreduktion aber eine reine Kostenfrage. Ist der Preis für die angebotene negative Regelenergie hoch genug, werden alle Marktteilnehmer technische Lösungen entwickeln, um ihren Verbrauch in Zeiten niedriger Stromproduktion zu drosseln.
Erst wenn hier alle Möglichkeiten ausgeschöpft sind, ist es sinnvoll, Biogasanlagen und Wasserkraftwerke einzusetzen.

Für eine Übergangszeit müssen zwei Märkte für negative Regelenergie geschaffen werden. Zunächst müssen alle Anbieter zum Zug kommen, die Erneuerbare Energien einsetzen. Erst wenn hier alle Potentiale ausgeschöpft sind, darf Regelenergie auf Basis von Erdgas eingesetzt werden.

e) Eigenversorgung

Aufgrund des verschleppten Stromnetzausbaus und der Steigerung der Endverbraucherpreise für Privatpersonen sowie kleine und mittlere Unternehmen erwarten wir einen Boom der Eigenversorgung sowohl im Stromsektor durch Photovoltaik-Dachanlagen und Mini-BHKWs als auch im Wärmesektor durch Solar- und Geothermie in Verbindung mit verbesserter Wärmedämmung. Die Eigenversorgung ist bei optimierten Systemen bereits jetzt wirtschaftlich.

Sobald stationäre Batterien im Preis weiter sinken, wird jeder Gebäudeeigentümer eine Selbstversorgung erwägen.