LOW←TECH MAGAZINE

Wie Windenergie wieder nachhaltig werden kann

2021-03-16T00:00:00+01:00

Abbildung: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Mehr als zweitausend Jahre lang wurden Windmühlen aus recycelbaren und wiederverwertbaren Materialien gefertigt: Holz, Stein, Backstein, Segeltuch, und Metall. Die Materialien veränderten sich auch nicht, als in den 1880er Jahren die neuartigen Windmühlen auftauchten, die Strom erzeugen konnten. Erst mit dem Aufmarsch von Rotorblättern aus Kunststoff in den 1980er Jahren wurde Windenergie zur Quelle von toxischem Abfall, der auf Deponien landet.

Neue Technologien der Holzproduktion und neue Entwürfe ermöglichen es mittlerweile größere Windkraftanlagen beinahe wieder vollständig aus Holz zu bauen – nicht nur die Rotorblätter, sondern auch das restliche Konstrukt. So könnte man das Abfallproblem lösen und die Herstellung von Windanlagen von fossilen Brennstoffen und Materialien aus Minen größtenteils unabhängig machen. Ein Wald inmitten der Windkraftanlagen könnte das Holz für die kommenden Generationen von Anlagen liefern.

Wie nachhaltig ist ein Rotorblatt?

Windkraftanlagen werden zu den sauberen und nachhaltigen Energiequellen gezählt. Obwohl sie in der Tat weniger CO2 ausstoßen als Anlagen, die fossile Brennstoffe nutzen, erzeugen auch sie jede Menge Abfall. Das übersieht man leicht, da ungefähr 90% der gesamten Masse einer Windkraftanlage aus Stahl ist und sich hauptsächlich im Turm konzentriert. Stahl ist wiederverwertbar. Das erklärt, wieso Windkraftanlagen so schnell die Energie zurückgewinnen, die nötig ist, um sie zu bauen – der wiederverwertete Stahl kann bei der Herstellung von neuen Bestandteilen genutzt werden. Das spart viel Energie.

Die Rotorblätter anderseits werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, der voluminös ist und nicht recycelt werden kann. Obwohl die Masse im Vergleich zur gesamten Masse einer Windkraftanlage klein ist, sollte sie nicht unterschätzt werden. Ein 60m langes Rotorblatt wiegt 17 Tonnen, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter von einer 5-MW-Windkraftanlage alleine mehr als 50 Tonnen nicht recyclebaren Abfall produzieren.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Quelle: Gurit.

Ein Rotorblatt besteht normalerweise aus einer Kombination von Epoxidharz – ein Petroleum-Produkt – verstärkt durch Glasfasern. Die Blätter sind zudem gefüllt mit Materialien auf Kunststoffbasis, zum Beispiel teilvernetztem PVC-Schaum, und umhüllt von einer Schutzschicht auf Polyurethan-Basis.¹²³⁴

Im Gegensatz zum Stahl des Turmes kann das Plastik der Rotorblätter nicht recycelt werden, um neue Blätter herzustellen. Das Material kann man nur “downcyceln”, indem man es beispielsweise schreddert. Dabei gehen die Fasern jedoch kaputt und eignen sich dann nur noch als Füllmaterial für die Produktion von Zement oder Asphalt. Andere Methoden werden noch erforscht, aber sie stoßen bis jetzt immer wieder auf dasselbe Problem: Niemand will das “recycelte” Material haben. Einige Architekten haben die Rotorblätter wiederverwendet, indem sie damit Bänke oder Spielplätze gebaut haben. Aber wir können nicht alles aus Rotorblättern anfertigen!

Schon allein die Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage produzieren mehr als 50 Tonnen nicht recycelbaren Abfalls.

Wegen der begrenzten Möglichkeiten zum Recyceln und Wiederverwerten werden Rotorblätter normalerweise auf Deponien entsorgt (in den USA), oder verbrannt (in der EU). Letzteres ist auch nicht nachhaltiger, da das Verbrennen der Rotorblätter nur einen Teil des Materials reduziert (60% bleiben als Asche übrig) und der Rest verschmutzt die Luft. Es kann außerdem kaum Energie zurückgewonnen werden, da Glasfaser ohnehin nicht brennbar ist. ¹²³⁴

Müllentsorgung mit 25 Jahren Verspätung

Die meisten der ca. 250.000 Windkraftanlagen, die momentan weltweit in Betrieb sind, wurden vor weniger als 25 Jahren installiert, was ihrer voraussichtlichen Lebensdauer entspricht. Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

In Europa zum Beispiel steigt der Anteil an Windkraftanlagen, die älter als 15 Jahre sind, von 12 % in 2016 auf 28 % in 2020 an. In Deutschland, Spanien und Dänemark beläuft sich ihr Anteil sogar schon auf 41 - 57 %. Im Jahr 2020 alleine werden diese Länder zwischen 6.000 und 12.000 Rotorblätter entsorgen müssen. ⁵

Abbildung: Die Flügel von altmodischen Windmühlen wurden gänzlich aus recycelbaren Materialien hergestellt. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Entsorgte Rotorblätter werden nicht nur immer zahlreicher sondern auch größer, da Rotorblätter mit stets größerem Umfang im Trend liegen. Windkraftanlagen vor 25 Jahren hatten ca. 15 - 25m lange Rotorblätter, wohingegen die heutigen Rotorblätter zwischen 75 - 80m oder länger sind.³ Schätzungen auf Basis von aktuellen Wachstumsprognosen für Windenergie suggerieren, dass der Abfall aus Rotorblättern sich bis 2028 auf 330.000 Tonnen jährlich belaufen wird und bis 2040 sogar auf 418.000 Tonnen pro Jahr.¹

Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

Diese Schätzungen sind konservativ, da es zum einen immer wieder defekte Rotorblätter gibt und zum anderen neue Innovationen dazu führen, dass viele der Blätter weit vor ihrem Verfallsdatum ausgetauscht werden – gegen effizientere Rotorblätter mit verbessertem Energieertrag.¹⁶ Außerdem stammt diese Abfallmenge von Windkraftanlagen, die zwischen 2005 und 2015 installiert wurden, als Windenergie gerade mal 4% der globalen Energiequellen ausmachte. Würde Windenergie die gewünschten 40% des (heutigen) globalen Energievierbauchs decken, wären es drei bis vier Millionen Tonnen Abfall pro Jahr.

Die Geschichte der Windmühlenflügel

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik als Bestandteil eigentlich nicht zwingend notwendig ist. Die Nutzung von Wind zur mechanischen Erzeugung von Energie geht auf die Antike zurück und die ersten stromerzeugenden Windmühlen – die heute Windkraftanlagen heißen – wurden um 1880 gebaut. Glasfaser-Rotorblätter wurden allerdings erst in den 1980er Jahren populär. 2000 Jahre lang waren Windmühlen, ganz gleich aus welchem Material, also komplett recycelbar.

Die Windmühlen in Europa, die von Paul La Cour in Dänemark gebaut wurden, hatten traditionelle Holzflügel. Bild: Image: Paul La Cour Museum.

Traditionelle Windmühlen hatten Türme, die aus Holz, Stein oder aus Backstein gebaut wurden. Ihre Flügel wurden normalerweise aus einem Holzgerüst gefertigt, an dem die Segel oder Holzklappen befestigt wurden. Später wurden Teile der Windmühlen zunehmend aus Eisen hergestellt – ebenfalls ein recycelbares Material.

Trotz sich wandelnder Designs ab dem 18. Jahrhundert haben sich die Materialien der Flügel nicht groß verändert, abgesehen von der Anwendung von Aluminium ab dem 20. Jahrhundert, das jedoch auch recycelbar ist.⁷] Im Gegensatz zu modernen Windkraftanlagen, die regelmäßig komplett erneuert werden müssen, konnten traditionelle Windmühlen durch stetige Wartung und Reparatur über Jahrzehnte hinweg genutzt werden, manchmal sogar jahrhundertelang.

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik kein notwendiges Material ist.

Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz. Die erste Windkraftanlage in Europa von Paul La Cour in Dänemark hatte vier traditionelle Holzflügel mit einem Rotordurchmesser von 22,8m.

La Cours Design wurde von lokalen dänischen Unternehmen kopiert, was dazu führte, dass zwischen 1900 und 1920 tausende Windkraftanlagen auf dänischen Farmen gebaut wurden. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden auch dutzende experimentelle Windkraftanlagen gebaut, manche mit Stahlflügeln, wie das US-amerikanische Smith-Putnam-Modell von 1939.

Eine Struktur aus Stahldraht stabilisierte die drei Rotorblätter der Gedser Windkraftanlage.

1957 baute Johannes Juul, ein Schüler von Paul La Cour, die Gedser Windkraftanlage mit drei Rotorblättern. Die Anlage hatte einen Rotordurchmesser von 24m und wurde zusammengehalten von einem Stahlgerüst, das für extra Stabilität der Rotorblätter sorgte. Die Rotorblätter wurden aus Stahl konstruiert, mit Aluminium umhüllt und gestützt durch Holzrippen.

Bis Mitte der 1980er galt die Gedser Windkraftanlage als die erfolgreichste. Sie war ohne Wartung 11 Jahre in Betrieb und generierte bis zu 360.000 kWh pro Jahr, aber sie wurde nicht repariert, als ein Lager ausfiel. Als die Turbine in den späten 1970ern getestet und überholt wurde, stellte sich heraus, dass sie besser funktionierte als die ersten Windkraftanlagen mit Rotorblättern aus Kunststoff.⁸⁹

Die Größe spielt eine Rolle

Die erste Windkraftanlage mit Rotorblättern aus Kunststoff wurde 1978 in Dänemark installiert, wo sie eine Schule mit Strom versorgte. Mit einem Rotordurchmesser von 54m war die Tvind Windkraftanlage damals die größte existierende Windkraftanlage. Nach 1980 wurden Rotorblätter aus Kunststoff zum Standard in Dänemark und das ‘Dänische Design’ wurde überall auf der Welt kopiert. Rotorblätter aus Kunststoff, so könnte man sagen, definieren die moderne Windkraftanlage. Das stellt uns vor ein Dilemma!

Der Wechsel zu Rotorblättern aus Kunststoff hatte hauptsächlich mit dem Wunsch nach größeren Windkraftanlagen zu tun. Es gibt zwei Gründe, warum größere Anlagen die Kosten pro Kilowattstunde generierter Elektrizität verringern: die Windgeschwindigkeit nimmt in der Höhe zu und das Verdoppeln des Rotorradius vervierfacht den Energieertrag.

Der Wunsch nach immer größeren Windkraftanlagen treibt die Industrie seitdem voran. Der Rotordurchmesser ist von ca. 50m in den 1990ern auf bis zu 120m im Jahr 2000 angestiegen. Heute haben die größten Offshore-Windkraftanlagen einen Rotordurchmesser von mehr als 160m. In den Niederlanden wird gerade eine 12-MW-Windkraftanlage mit einem Rotordurchmesser von 220m gebaut. ³⁶¹⁰

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1940ern, gebaut und entworfen von P.L. Fauel. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Je größer die Rotorblätter, desto größer auch die Masse der Blätter, wodurch immer leichtere Materialien benötigt werden. Gleichzeitig biegen sich größere Blätter auch leichter, wodurch ihre strukturelle Steifigkeit immer wichtiger wird, um eine optimale Aerodynamik zu erreichen und zu vermeiden, dass die Blätter den Turm streifen. Kurz gesagt, größere Windkraftanlagen mit längeren Rotorblättern stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft, und diese übersteigen die Möglichkeiten von recycelbaren Materialien.¹¹¹² Windkraftanlagen sind effizienter geworden, aber weniger nachhaltig.

Größere Windkraftanlagen stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft.

Dieser Trend schlägt sich nieder in der vermehrten Nutzung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, der noch stabiler, steifer und leichter ist als glasfaserverstärkter Kunststoff.¹¹ Das Nutzen von Kohlenstofffasern, was das Recyceln noch weiter erschwert, ist bei großen Rotorblättern zum Standard geworden – vor allem in Bereichen, die großer Belastung ausgesetzt sind, wie zum Beispiel die Wurzel des Blattes. Wir haben demnach ein neue Phase erreicht, in der Rotorblätter so groß sind, dass sie nicht einmal mehr aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden können.

Das Rotorblatt neu erfinden

Eine Industrie, die sich selbst nachhaltig und erneuerbar nennen will, sollte nicht jährlich Millionen Tonnen Plastikabfall produzieren. Wäre es denn möglich Rotorblätter aus recyclebaren Materialien zu bauen? Wie groß könnten diese Anlagen sein? Inwieweit lassen sich Effizienz und Nachhaltigkeit miteinander vereinen?

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1930ern, entworfen von Kurt Bilau. Der Turm ist aus Stein, die Segel aus Holz und Aluminium. Bild: Frank Vincentz (CC BY-SA 3.0).

Die meiste Forschung zu nachhaltigeren Rotorblättern bleibt bei Kunststoff als Hauptmaterial. “Thermoplaste”, wie zum Beispiel PVC, können geschmolzen und wiederverwendet werden, was es ermöglicht, die Rotorblätter zu recyceln, um neue herzustellen, selbst vor Ort. Da das Material aber nicht so belastbar ist, waren die gebauten Rotorblätter bis jetzt noch nicht größer als 9m.¹¹³

Ein weiterer Bereich ist der Erforschung von Holz- oder Flachsfasern als Alternative zu Glasfasern gewidmet. Diese Rotorblätter können zwar größer werden, aber sie sind nur minimal nachhaltiger als die Glasfaser-Epoxidharz-Rotorblätter.¹⁴¹⁵ Denn das aus Petroleum gewonnene Epoxidharz ist besonders schädlich und Produkte, die auf natürlichen Fasern basieren, absorbieren mehr davon als Glasfaserprodukte.¹⁶¹⁷¹²

Die Länge von Holz-Rotorblättern ist nicht mehr abhängig von der Verfügbarkeit großer Bäume von einheitlicher Qualität.

Manche Ingenieure und Wissenschaftler wählen andere Wege und konzentrieren sich auf traditionellere Holzkonstruktionen. Für kleine Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus solidem Holz geschnitzt werden. Für größere Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus einer leeren aerodynamischen Hülle mit einem inneren Gerüst aus Rippen und einem Holm als Stütze konstruiert werden – allesamt aus laminiertem Furnierholz.

Laminiertes Furnierholz

Laminiertes Furnierholz, bei dem das Holz zuerst vom Baum geschält und dann in dünnen Schichten wieder aneinander geleimt wird, ist ein Holzprodukt, das in den 1980ern auftauchte und das einen wichtigen Vorteil gegenüber Massivholzprodukten bietet. Die Beschaffenheit des Holzes kann innerhalb eines Baumes variieren. Deswegen war die Länge der Holme aus Holz, die in vorindustriellen Windmühlen eingesetzt wurden, abhängig von der Verfügbarkeit von ausreichend großen Bäume einheitlicher Qualität. Die größte traditionelle Windmühle, die je gebaut wurde – die ‘Murphy Mill’ in San Francisco (1900) – hatte einen Rotordurchmesser von 35m.

Verbesserte Windmühlenflügel aus den 1940ern. Bild: Reboelje.

Im Gegensatz dazu verteilt der Prozess des Furnierens Defekte im Holz, wie zum Beispiel Knoten, gleichmäßig und gewährleistet somit eine bessere Steifigkeit. Dadurch wird es möglich, größere Rotorblätter aus Holz zu bauen.¹² Laminiertes Holz ist viel günstiger und leichter als Glasfaser. Da Rotorblätter vor allem ihr eigenes Gewicht aushalten müssen und Holz leichter als Glasfaser ist, müssen Holzrotorblätter nicht so stark und steif wie Glasfaserblätter sein.¹² Nichtsdestotrotz ist es aufgrund der geringen Steifigkeit von Holz schwer, das Durchbiegen bei sehr großen Rotorblättern zu verhindern.

Eine Studie aus 2017 zu einer 5-MW-Windkraftanlagen mit 61,5m langen Rotorblättern, die an der UmassAmherst in den USA durchgeführt wurde, hat errechnet: Für eine ausreichende Steifigkeit muss ein Rotorblatt aus laminiertem Furnierholz eine Laminatschicht von über 50cm aufweisen und 2,8 Mal schwerer sein als sein Kunststoff-Gegenpart (48 statt 17 Tonnen Gewicht).¹² Obwohl es also technisch möglich ist, Rotorblätter aus Holz zu bauen, die über 60m groß sind, ist dies nicht besonders praktikabel. Mit schwereren Rotorblättern müssen die Windkraftanlagen viel robuster gebaut werden, wodurch sowohl die Kosten als auch der Verbrauch anderer Rohstoffe steigen.

Das Beste aus zwei Welten?

Es gibt zwei mögliche Lösungen für dieses Problem: Die erste wäre ein Rotorblatt zu entwerfen, das hauptsächlich aus laminiertem Furnierholz besteht, aber gestützt wird durch Holme aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, mit einer zusätzlichen Außenschicht von glasfaserverstärktem Kunststoff. In der oben genannten Studie wurde errechnet, dass ein Holz-Kohlenstoff-Kombinationsrotorblatt steif genug ist, um bei einer 5-MW-Windkraftanlage eine Länge von 61,5m zu erreichen, und 3 Tonnen leichter wäre als ein Glasfaserrotorblatt.¹² Eine andere Studie zu einem Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt kommt zu einer ähnlichen Schlussfolgerung, aber in diesem Fall ist das Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt etwas schwerer als das Kunststoff-Blatt.¹⁴

Ein Rotorblatt aus Furnierholz und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff kann mit einer Länge von über 60m gebaut werden.

Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter enthalten weniger Kunststoff und der Kunststoff ist nicht mit dem Holz im Inneren des Rotorblatts verwebt, sondern deutlich davon getrennt, wodurch das Wiederverwerten, Recyceln oder Verbrennen des Rotorblatts einfacher wird. Laut den genannten Studien enthält ein solches Rotorblatt allerdings immer noch 2,5 ¹⁴ - 6,2 ¹² Tonnen Kunststoff, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage 7,5 -18,4 Tonnen nicht recycelbaren Abfall produzieren würden – verglichen mit den 50 Tonnen eines gewöhnlichen Rotorblatts.

Dann doch lieber kleine Windkraftanlagen?

Den Umweltschaden, den Kohlenstoff-Epoxidharz-Holme verursachen, könnte man vielleicht akzeptieren, wenn man ihn mit dem größeren Schaden vergleicht, den konventionelle Windkraftanlagen anrichten. Aber das Problem des Abfalls wäre immer noch nicht gelöst und das stetige Wachstum der Windenergie-Branche würde nach wie vor mit immer mehr Abfall einhergehen.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus laminiertem Holz mit Holmkappen aus Kohlenstoff.¹⁴

Alternativ könnten wir das Thema Nachhaltigkeit auch ambitionierter angehen und Rotorblätter wieder komplett aus Holz bauen – auch wenn das bedeutet, dass sie kleiner sind. Es gibt nämlich ein weiteres Argument dafür, den Fokus auf Effizienz in Frage zu stellen: Die geringe Nachhaltigkeit liegt nicht nur an den Rotorblättern. Andere Teile der Windkraftanlagen werden in zunehmenden Maße auch aus Kunststoff hergestellt, wie zum Beispiel die Gondel, die den Generator schützt, oder die Nabe.¹²³⁴

Weitere Trends sind die zunehmende Nutzung von Elektronik, die nicht recycelt werden kann, und von Dauermagnet-Generatoren aus seltenen Rohstoffen, was verglichen mit einer mechanischen Lösung zwar Kosten spart, aber dafür destruktiven Bergbau voraussetzt. Größere Windkraftanlagen töten zudem mehr Vögel und Fledermäuse.¹⁹

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen.

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen. Die Befürworter von Windenergie sind da wahrscheinlich anderer Meinung. Denn dies bedeutet auch, dass die Windenergie nicht mehr mit fossilen Brennstoffen konkurrieren kann. Der sich verteuernden Windenergie könnte aber mit höheren Preisen für fossile Brennstoffe begegnet werden.

Das eigentliche Problem ist, dass wir billige fossile Brennstoffe als Maßstab nehmen, um die Wirtschaftlichkeit von Windenergie zu bemessen. Durch den Vergleich mit fossilen Brennstoffen – und ausgehend von einem Lebensstil, der erst durch fossile Brennstoffe möglich wurde – wird Windenergie in zunehmenden Maße schädlich für die Umwelt. Wenn wir den allgemeinen Energiebedarf senken würden, wären kleinere und weniger effiziente Windkraftanlagen kein Problem.

Abbildung: Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz.

Wie groß könnten Rotorblätter aus Furnierholz werden? Niemand scheint es wirklich zu wissen. Ich habe Rachel Koh befragt, die Wissenschaftlerin, die die Berechnungen zu dem 61,5m Holzrotorblatt gemacht hat, aber auch sie konnte nicht weiterhelfen: „Ich habe das Modell nur für eine 5-MW-Windkraftanlage entwickelt“, schreibt Koh. „Es wäre hypothetisch möglich, eine neue Studie zu konzipieren, um die Frage zu beantworten, aber das ist kein kleines Unterfangen.“ Sie wies zudem darauf hin, dass es möglich sei, mit innovativen Herstellungsmethoden die Steifigkeit von Holzlaminaten weiter zu verbessern.

Ein Wald von Windkraftanlagen

Ob wir uns für große Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter oder für kleinere nur aus Holz bestehende Rotorblätter entscheiden, in beiden Fällen könnte man den Turm und auch die Gondel aus laminierten Holzprodukten anfertigen. 2012 hat die deutsche Firma TimberTower für eine 1,5-MW-Windkraftanlage einen 100m hohen Turm aus laminiertem Holz gebaut. Ein Turm aus Holz scheint auf den ersten Blick natürlich etwas unsinnig, da er einen Teil des Konstruktes ersetzt, der sowieso schon recycelt werden kann. Eine Windkraftanlage, die fast ganz aus Holz gebaut ist, bietet aber noch andere Vorteile.

Illustration: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Die Verwendung von Holz könnte die Herstellung von Windkraftanlagen von fossilen Brennstoffen und Minen unabhängig machen, ausgenommen der Zahnräder und der nötigen Elektronik (und es geht sogar noch nachhaltiger, wenn Windenergie für die direkte mechanische oder thermische Energiegewinnung genutzt wird.)¹⁸ Holzwindkraftanlagen könnten außerdem CO2 aus der Atmosphäre speichern, das die Bäume, die ihre Bestandteile liefern, gebunden haben.

Außerdem könnte das Gelände zwischen den Windkraftanlagen, das sich nicht als Wohngebiet eignet, genutzt werden, um Wälder anzupflanzen, die wiederum das Holz für die nächste Generation an Windkraftanlagen liefern. Das Holz könnte vor Ort gesägt und verarbeitet werden, was den Energieverbrauch verringert, der normalerweise mit dem Transport von Bestandteilen einhergeht. Die benötigte Energie, um die Laminate herzustellen und um die neuen Anlagen zu bauen, könnten von den Anlagen im Park selbst sowie aus der Biomasse des Waldes kommen. Wenn die Rotorblätter wirklich nur aus Holz gefertigt würden, könnten Windkraftanlagen tatsächlich zu einem Paradebeispiel für die Kreislaufwirtschaft werden.

Und was ist mit Solarzellen?

Der nächste Artikel wird sich der Nachhaltigkeit der Solarzellen widmen. Ist toxischer und nicht recycelbarer Abfall ein inhärenter Bestandteil der Solarenergie? Könnte man Solarzellen aus nachhaltigen Materialien anfertigen? Welche Folgen hätte das für die Bezahlbarkeit und Effizienz von Solarenergie?

Kris De Decker

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Quellen

Ramirez-Tejeda, Katerin, David A. Turcotte, and Sarah Pike. “Unsustainable Wind Turbine Blade Disposal Practices in the United States: A Case for Policy Intervention and Technological Innovation.” NEW SOLUTIONS: A Journal of Environmental and Occupational Health Policy 26.4 (2017): 581-598. http://docs.wind-watch.org/ramireztejeda2016-bladedisposal.pdf ↩↩↩↩↩↩
Wilburn, David R. Wind energy in the United States and materials required for the land-based wind turbine industry from 2010 through 2030. US Department of the Interior, US Geological Survey, 2011. https://pubs.usgs.gov/sir/2011/5036/sir2011-5036.pdf ↩↩↩
Jensen, Jonas Pagh. “Evaluating the environmental impacts of recycling wind turbines.” Wind Energy 22.2 (2019): 316-326. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/we.2287 ↩↩↩↩↩
Martínez, Eduardo, et al. “Life cycle assessment of a multi-megawatt wind turbine.” Renewable energy 34.3 (2009): 667-673. http://communityrenewables.org.au/wp-content/uploads/2013/02/Life-cycle-analysis-turbines_Renewable-Energy_2009.pdf ↩↩↩
Ziegler, Lisa, et al. “Lifetime extension of onshore wind turbines: A review covering Germany, Spain, Denmark, and the UK.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 1261-1271. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117313503 ↩
Lefeuvre, Anaële, et al. “Anticipating in-use stocks of carbon fiber reinforced polymers and related waste flows generated by the commercial aeronautical sector until 2050.” Resources, Conservation and Recycling 125 (2017): 264-272. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344917301775 ↩↩
De Decker, Kris. “Wind powered factories: history (and future) of industrial windmills.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2009). https://solar.lowtechmagazine.com/2009/10/history-of-industrial-windmills.html ↩
The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. https://www.crcpress.com/Wind-Power-for-the-World-The-Rise-of-Modern-Wind-Energy/Maegaard-Krenz-Palz/p/book/9789814364935 ↩
Lundsager, P., Sten Tronæs Frandsen, and Carl Jørgen Christensen. “Analysis of data from the Gedser wind turbine 1977-1979.” (1980). http://orbit.dtu.dk/files/33441311/ris_m_2242.pdf ↩
Gupta, Ashwani K. “Efficient wind energy conversion: evolution to modern design.” Journal of Energy Resources Technology 137.5 (2015): 051201. http://energyresources.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2211540 ↩
Brøndsted, Povl, Hans Lilholt, and Aage Lystrup. “Composite materials for wind power turbine blades.” Annu. Rev. Mater. Res. 35 (2005): 505-538. http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/MATERIALS&COMPONENTS/Pressure_vessels/FRP_Hutter_flange.pdf ↩↩
Koh, Rachel. “Bio-based Wind Turbine Blades: Renewable Energy Meets Sustainable Materials for Clean, Green Power.” (2017). https://scholarworks.umass.edu/dissertations_2/1102/ ↩↩↩↩↩↩↩
Murray, Robynne, et al. Manufacturing a 9-meter thermoplastic composite wind turbine blade. No. NREL/CP-5000-68615. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2017. https://www.nrel.gov/docs/fy18osti/68615.pdf ↩
Borrmann, Rasmus. “Structural design of a wood-CFRP wind turbine blade model.” (2016) https://www.eksh.org/fileadmin/bilder/themen/Energieforschung/02_-Final_Report-_Strcutural_Design_of_a_Wood-CFRP_Wind_Turbine_Blade_Model.pdf ↩↩↩↩
Spera, David. “Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, Second Edition.” (2009) https://ebooks.asmedigitalcollection.asme.org/book.aspx?bookid=271 ↩
Corona, Andrea, et al. “Comparative environmental sustainability assessment of bio-based fibre reinforcement materials for wind turbine blades.” Wind Engineering 39.1 (2015): 53-63. http://orbit.dtu.dk/files/129909032/0309_524x_2E39_2E1_2E53.pdf ↩
The use of wood for wind turbine construction. Meade Gougeon, NASA. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19800008214.pdf ↩
De Decker, Kris. “Heat your house with a mechanical windmill.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2019). https://solar.lowtechmagazine.com/2019/02/heat-your-house-with-a-water-brake-windmill.html ↩
Loss, Scott R., Tom Will, and Peter P. Marra. “Estimates of bird collision mortality at wind facilities in the contiguous United States.” Biological Conservation 168 (2013): 201-209. https://repository.si.edu/bitstream/handle/10088/35192/NZP_Marra_2013-Estimates_of_bird_collision_mortality_at_wind_facilities_in_the_contiguous_United_States.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩

Vertikale Landwirtschaft spart keinen Platz

2021-02-16T00:00:00+01:00

Die urbane Landwirtschaft in vertikalen Haus-“Farmen” ist auf dem Vormarsch. Mit elektrischem Licht können die Pflanzen das ganze Jahr hindurch in Schichten übereinander angebaut werden. Befürworter argumentieren, dass die Landwirte auf diese Weise viel Nutzfläche einsparen können. Weitere Vorteile sind, dass weniger Energie für den Transport von Lebensmitteln benötigt wird (die meisten Menschen leben in einer Stadt) und dass weniger Wasser und Pestizide benötigt werden.

Welche Nutzflanzen?

Die vertikalen Farmen, die bereits seit einigen Jahren kommerziell aktiv sind, konzentrieren sich alle auf die gleichen Nutzpflanzen. Es handelt sich dabei um landwirtschaftliche Produkte mit einem hohen Wassergehalt, wie Salat, Tomaten, Gurken, Paprika und Kräuter. Das sind jedoch keine Feldfrüchte, die eine Stadt ernähren können. Sie enthalten kaum Kohlenhydrate, Proteine oder Fette. Um eine Stadt zu ernähren, braucht es Getreide, Hülsenfrüchte, Wurzelgemüse und Ölfrüchte. Diese werden heute weltweit auf 16 Millionen Quadratkilometern Ackerland angebaut - fast so groß wie Südamerika. ¹

Weizen vertikal anbauen

Eine Kunstinstallation, die derzeit in Brüssel präsentiert wird - The Farm - erforscht, was es bedeuten würde, Weizen in einer vertikalen Farm anzubauen. Für das Experiment wurde 1 m2 Weizen in einer komplett künstlichen Umgebung ausgesät. Durch die Messung des Einsatzes von Rohstoffen wie Energie und Wasser zeigt das Projekt, inwieweit natürliche Ökosysteme unsere Nahrungsmittelproduktion unterstützen. Wenn Weizen im Boden nebeneinander statt übereinander gepflanzt wird, liefert die Sonne kostenlose Energie und die Wolken kostenloses Wasser.

Ein Laib Brot für 345 Euro

Das Experiment zeigt, dass der Anbau von 1 Quadratmeter Weizen in einer künstlichen Umgebung 2.577 Kilowattstunden Strom und 394 Liter Wasser pro Jahr kostet. Die für die Hardware-Produktion benötigte Energie (wie die Beleuchtung) ist in diesen Ergebnissen nicht enthalten, so dass dies eine Unterschätzung ist. Die Energiekosten des Gebäudes sind ebenfalls nicht berücksichtigt, und das betrifft sowohl den Bau als auch die Nutzung, zum Beipsiel für Heizung, Kühlung und das Pumpen von Wasser.

In der Kostenkalkulation ist der Preis für die Ausrüstung (1.227 Euro) enthalten. Die Lebensdauer der Infrastruktur wird auf 8 Jahre geschätzt. Umgerechnet kostet die Produktion von 1 m2 Weizen in einer künstlichen Umgebung 610 Euro pro Quadratmeter und Jahr (einschließlich Infrastruktur, Strom und Wasser). Davon entfallen 412 Euro auf den Stromverbrauch und nur 1 Euro auf den Wasserverbrauch. Diese Berechnung kann eine Überschätzung sein, da die Anlage in einem Ausstellungsraum aufgebaut ist.

Die “Farm” produziert vier Ernten pro Jahr. Mit jeder Ernte wird genug Weizen angebaut, um einen Laib Brot (580 Gramm) herzustellen, der mindestens 345 Euro kostet. Jeder Laib enthält 2.000 Kilokalorien, die Menge, die ein durchschnittlicher Mensch pro Tag benötigt. Daraus ergibt sich, dass für jede Person 91 Quadratmeter künstlich erzeugter Weizen notwendig sind, mit Gesamtkosten von 125.680 Euro pro Jahr.

Das Paradoxon der vertikalen Landwirtschaft

Künstliche Beleuchtung spart Land, weil Pflanzen übereinander angebaut werden können, aber wenn der Strom für die Beleuchtung von Solarzellen kommt, werden die Einsparungen durch das Land, das für die Installation der Module benötigt wird, zunichte gemacht. Die vertikale Farm ist ein Paradoxon, es sei denn, fossile Brennstoffe liefern die Energie. ² In diesem Fall gibt es nicht viel Nachhaltiges daran.

Berechnet mit einem Ertrag von 175 Kilowattstunden pro Quadratmeter Solarpanel pro Jahr, erfordert der Indoor-Anbau von 1 m2 Weizen 20 m2 Solarzellen. Dies ist eine Unterschätzung, da die Berechnungen auf dem durchschnittlichen Ertrag eines Solarmoduls basieren. Im Winter gibt es viel weniger Sonnenlicht als im Sommer. In Wirklichkeit benötigt die vertikale Farm viel mehr Module, um das ganze Jahr über in Betrieb zu sein. Außerdem wird eine Energiespeicherinfrastruktur benötigt, die ebenfalls Geld und Energie kostet. Schließlich erfordert auch die Produktion von Modulen Energie, was noch mehr Platz erfordern würde, wenn der Produktionsprozess selbst mit Solarzellen laufen würde.

Neuerung?

All diese Kritik gilt auch für vertikale Farmen, in denen Salat und Tomaten angebaut werden. In diesem Fall ist der Wasserverbrauch deutlich geringer. Diese Betriebe sind profitabel, aber nur, weil sich das Verfahren auf eine Versorgung mit billigen fossilen Brennstoffen verlässt. Würden Solarzellen die Energie liefern, würden die zusätzlichen Kosten und der Platz für die Energieversorgung die Einsparungen in Bezug auf Platz und Kosten wieder aufheben. Der einzige Vorteil einer vertikalen Farm wären dann die kürzeren Transportwege. Dennoch könnten wir den Transport zwischen Stadt und Land genauso gut nachhaltiger gestalten.

Das Problem mit der Landwirtschaft ist nicht, dass sie auf dem Land stattfindet. Das Problem ist, dass sie stark auf fossilen Brennstoffe aufbaut. Die vertikale Farm ist nicht die Lösung, da sie, wieder einmal, die kostenlose und erneuerbare Energie der Sonne durch teure Technologie ersetzt, die von fossilen Brennstoffen abhängig ist (LED-Lampen + Computer + Betongebäude + Solarzellen). Unser Lebensstil wird immer weniger nachhaltig und zunehmend abhängig von Rohstoffen, Infrastruktur, Maschinen und fossiler Energie. Das gilt leider für fast alle Technologien, die wir heute als nachhaltig bezeichnen.

Kris De Decker

Mehr Informationen: Solar Share (The Farm), von Disnovation.org (Maria Roszkowska, Nicolas Maigret) und Baruch Gottlieb.

Korrekturgelesen von Eric Wagner

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Quellen

Smil, Vaclav. “It’ll be harder than we thought to get the carbon out [Blueprints for a Miracle].”(Es wird schwieriger, als wir dachten, den Kohlenstoff herauszubekommen [Blaupausen für ein Wunder].) IEEE Spectrum 55.6 (2018): 72-75. ↩
Atomkraft und Windräder sind weitere Optionen. Siehe die englischsprachigen Kommentare. ↩

Manche Lichter anlassen: eine Neudefinition der Sicherheit der Energieversorgung

2021-01-07T00:00:00+01:00

Es ist unmöglich, eine stetige Versorgung mit einem endlichen Gut dauerhaft aufrechtzuerhalten. Image: Camilla MP.

Während eine Gesellschaft für ihr tägliches Funktionieren mehr und mehr von Energiequellen abhängt, wird sie für Unterbrechungen der Energieversorgung anfälliger. Diese offensichtliche Tatsache wird in den aktuellen Strategien zur Sicherheit der Energieversorgung ignoriert, was diese Strategien kontraproduktiv macht.

Was bedeutet „Sicherheit der Energieversorgung“?

Was bedeutet es für eine Gesellschaft, einen Zustand der “sicheren Energieversorgung” zu erreichen? Obwohl es mehr als vierzig verschiedene Definitionen dieses Konzepts gibt, haben sie alle das grundsätzliche Kriterium gemein, dass das Angebot an Energieversorgung immer die Nachfrage nach Energie erfüllen sollte. Das impliziert auch, dass die Energieversorgung konstant sein soll - es darf keine Versorgungsunterbrechungen geben. ¹ ² ³ ⁴ Die internationale Energieagentur (IEA, international energy agency) definiert Sicherheit der Energieversorgung beispielsweise als “die ununterbrochene Verfügbarkeit von Energiequellen zu einem günstigen Preis”; das US-Ministerium für Energie und Klimawandel (DECC, department of energy and climate change) definiert das Konzept durch die Bedeutung, dass “die Risiken der Unterbrechung der Energieversorgung niedrig” sein sollen; und die EU definiert sie über eine “stabile und üppige Versorgung mit Energie”. ⁵ ⁶ ⁷

Historisch wurde eine Sicherheit der Energieversorgung über die Sicherung des Zugangs zu Wäldern und Torfmooren für thermische Energie, und zu Menschen-, Tier-, Wind- oder Wasserkraft als Quellen für mechanische Energie hergestellt. Mit dem Beginn der industriellen Revolution verschob sich der Begriff der Sicherheit der Energieversorgung zur Versorgung mit fossilen Brennstoffen. Als theoretisches Konzept ist die Sicherheit der Energieversorgung am engsten verbunden mit den Ölkrisen der 1970er Jahre, als Embargos und Preismanipulationen die Verfügbarkeit von Ölprodukten in westlichen Staaten begrenzten. Es ist eine Folge dieser Zeit, dass die meisten Industriestaaten immer noch Ölreserven in Höhe eines mehrmonatigen Verbrauchs vorhalten.

Obwohl das Öl für industrialisierte Länder vor allem für den Transport- und Agrarsektor so wichtig ist wie in den 1970ern, hat man inzwischen erkannt, dass Sicherheit der Energieversorgung in modernen Gesellschaften auch mit anderen Infrastrukturen zu tun hat, zum Beispiel denen zur Versorgung mit Gas, Strom und sogar Daten. Darüberhinaus sind diese Infrastrukturen in zunehmendem Maße verbunden und hängen voneinander ab. Gas ist zum Beispiel ein wichtiger Brennstoff zur Stromgewinnung, während Stromversorgung zum Betrieb von Gaspipelines notwendig ist. Das Stromnetz ist eine Voraussetzung zum Betrieb von Datennetzen, und Datennetze sind nötig, um Stromnetze zu verwalten.

Das Stromnetz ist eine Voraussetzung zum Betrieb von Datennetzen, und Datennetze sind nötig, um Stromnetze zu verwalten.

Dieser Artikel untersucht das Konzept der Sicherheit der Energieversorgung mit einem schwerpunktmäßigen Blick auf das Stromnetz, welches für industrialisierte Gesellschaften genauso lebenswichtig geworden ist wie Öl. Die Elektrifizierung wird außerdem als ein Weg gesehen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren - man denke nur an Elektroautos, Wärmepumpen und Windkraftwerke.

Die “Sicherheit” oder “Zuverlässigkeit” eines Stromnetzes kann mit Indikatoren der Kontinuität genau bestimmt werden, so wie zum Beispiel der Wahrscheinlichkeit des Lastverlusts (LOLP, loss-of-load probability) und dem Index für durchschnittliche Systemunterbrechungsdauer (SAIDI, system average interruption duration index). Mithilfe dieser Indikatoren kann man nur zum Schluss kommen, dass die Stromnetze in industrialisierten Ländern sehr sicher sind. In Deutschland beispielsweise ist elektrische Energie 99,996% der Zeit verfügbar, das bedeutet eine Unterbrechung der Versorgung für weniger als eine halbe Stunde pro Kunde pro Jahr. ⁸ Selbst die Länder mit der schlechtesten Verfügbarkeit in Europa (Lettland, Polen, Litauen) haben Versorgungsunterbrechungen von nur acht Stunden pro Kunde pro Jahr, was einer Verfügbarkeit von 99,90% entspricht. ⁸ Das Stromnetz der USA liegt zwischen diesen beiden Werten, mit Unterbrechungen von weniger als vier Stunden pro Kunde pro Jahr (99,96% Verfügbarkeit). ⁹

Wie sicher ist ein Stromnetz mit erneuerbaren Energien?

So wie die Infrastrukturen derzeit betrieben werden, leben wir mit der Vorstellung, dass Kunden Zugang zu soviel Strom, Gas, Öl, Daten oder Wasser haben können und auch sollen, wie sie möchten, wann sie möchten, und wie lange sie möchten. Die einzige Bedingung ist, dass sie die Rechnung bezahlen. Wenn wir uns den Versorgungssektor anschauen, ist diese Vision von Sicherheit der Energieversorgung aus verschiedenen Gründen ziemlich problematisch. Zunächst einmal sind die meisten Quellen, auf denen sich die Stromversorgung aufbaut, endlich - und es ist natürlich nicht möglich, eine stetige Versorgung mit einem endlichen Gut auf Dauer aufrechtzuerhalten. Auf lange Sicht muss diese Strategie zur Aufrechterhaltung eine sicheren Energieversorgung versagen. Auf kürzere Sicht kann sie das Klima schädigen und bewaffnete Konflikte herbeiführen.

Die internationale Energieagentur (IEA), welche nach der ersten Ölkrise in den frühen 1970er Jahren gegründet wurde, fördert den Einsatz von erneuerbaren Energiequellen, um die Energieversorgung zu diversifizieren, also auf mehrere Beine zu stellen, und langfristig so ihre Sicherheit zu verbessern. Ein Stromnetz mit erneuerbaren Energien ist weder abhängig von Energieimporten aus dem Ausland, noch empfindlich gegenüber Manipulationen der Treibstoffpreise - welche in einer Infrastruktur basierend auf fossilen Brennstoffen zu den Hauptsorgen gehören. Solarpanels und Windkraftwerke haben natürlich eine begrenzte Lebensdauer und müssen hergestellt werden, wozu auch Ressourcen erforderlich sind, welche aus dem Ausland kommen oder die selbst irgendwann erschöpft sein können. Sobald sie installiert sind, sind erneuerbare Energiesysteme aber “sicher” auf eine Weise und für eine Zeitspanne, wie das für fossile Brennstoffe (und auch für Atomenergie) nicht der Fall ist.

Erneuerbare Energiequellen bedeuten grundsätzliche Herausforderungen für das aktuelle Verständnis von Sicherheit der Energieversorgung

Darüberhinaus bieten Solar- und Windenergie mehr Sicherheit gegen Systemausfälle und Sabotage, und dies sogar noch mehr, wenn die Systeme dezentralisiert sind. Kraftwerke für erneuerbare Energie haben niedrigere laufende CO2-Emissionen als fossil betriebene. Durch den Klimawandel verursachte Extremwetterereignisse bedrohen selbst auch die Sicherheit der Energieversorgung. Trotz all dieser Vorteile bedeuten erneuerbare Energiequellen aber auch grundsätzliche Herausforderungen für das aktuelle Verständnis der Versorgungssicherheit. Am wichtigsten dabei ist die Feststellung, dass die Energiequellen mit dem größten Potenzial - Sonne und Wind - nur mit Unterbrechungen verfügbar sind und außerdem vom Wetter und den Jahreszeiten abhängen. Das bedeutet, dass Sonnen- und Windenergie nicht das Kriterium erfüllen, welches alle Definitionen von Sicherheit der Energieversorgung für essenziell halten: die Notwendigkeit ununterbrochener und unbegrenzter Verfügbarkeit von Energie.

Image: Eduard Bezembinder.

Die Zuverlässigkeit eines Stromnetzes mit hohem Anteil von Solar- und Windenergie läge signifikant niedriger als die heutigen Standards zur Verfügbarkeit. ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ ¹⁴ In einem solchen erneuerbaren Stromnetz könnte eine Stromversorgung rund um die Uhr nur zu sehr hohen Kosten gewährleistet werden, da dazu eine umfangreiche Infrastruktur für Energiespeicherung, -Übertragung und Spitzenlastkapazität nötig wären. Durch diese zusätzliche Infrastruktur könnte die Nachhaltigkeit eines erneuerbaren Stromnetzes zunichte gemacht werden, denn oberhalb einer bestimmten Schwelle werden für den Aufbau, die Installation und Wartung dieser Infrastruktur größere Mengen an fossiler Energie aufgewendet, als durch den Betrieb der Solarpanels und Windkraftwerke über ihre Lebendauer eingespart werden können.

Quellen erneuerbarer Energie wie Wind und Sonne haben Vorteile, die von den gängigen Definitionen von Sicherheit der Energieversorgung nicht erfasst werden

Unterbrechungen sind nicht der einzige Nachteil erneuerbarer Energiequellen. Obwohl viele Medien und Umweltorganisationen ein Bild von Solar- und Windenergie als hochverfügbare Energiequellen zeichnen (“die Sonne strahlt in einer Stunde mehr Energie auf die Erde, als auf der ganzen Welt in einem Jahr verbraucht wird”), ist die Wirklichkeit komplexer. Die Brutto-Verfügbarkeit von Sonnen- und Windenergie ist in der Tat enorm. Aufgrund ihrer niedrigen Energiedichte werden aber um Größenordnungen mehr Material und Fläche gebraucht als bei fossilthermischen Kraftwerken, um diese Energie nutzbar zu machen, und zwar selbst dann noch, wenn der Bergbau und Transport der fossilen Brennstoffe diesen zugerechnet wird. ¹⁵ Daher kann ein erneuerbares Stromnetz selbst bei optimalen Wetterbedingungen nicht garantieren, dass Verbraucher Zugang zu soviel elektrischer Energie erhalten wie sie wollen.

Wie sicher ist ein Inselnetz?

Die heutigen Regeln für Energieversorger versuchen, drei Ziele unter einen Hut zu bringen: eine ununterbrochene und unbegrenzte Stromversorgung, günstige Verbraucherstrompreise und Nachhaltigkeit. Ein Stromnetz, welches hauptsächlich auf fossilen Brennstoffen und Atomenergie aufgebaut ist, kann das Nachhaltigkeitsziel nicht erreichen, und es kann die anderen Ziele nur solange erreichen, wie ausländische Zulieferer die Versorgung aufrechterhalten und die Preise der Grundstoffe konstant halten (oder solange, bis die nationalen oder internationalen Reserven erschöpft sind).

Ein Stromnetz basierend auf erneuerbaren Energiequellen kann diese drei Ziele aber genausowenig in Einklang bringen. Um eine uneingeschränkte 24/7-Verfügbarkeit zu erreichen, muss die Infrastruktur überdimensioniert werden, wodurch sie teuer und weniger nachhaltig wird. Ohne eine solche Infrastruktur könnte ein erneuerbares Stromnetz zwar günstig und nachhaltig Strom liefern, aber es könnte niemals eine uneingeschränkte Verfügbarkeit rund um die Uhr bieten. Wenn wir also eine Infrastruktur zur Stromlieferung wollen, die günstig und nachhaltig ist, müssen wir das Konzept der Sicherheit der Energieversorgung neu definieren - und das Kriterium der unbegrenzten und unterbrechungsfreien Energieversorgung hinterfragen.

Wenn wir uns jenseits der typischen, großen, zentralisierten Infrastrukturen in industrialisierten Ländern umsehen, dann wird es klar, dass keineswegs alle Versorgungssysteme eine unbegrenzte Menge an Ressourcen liefern können. Mikroerzeugung in Inselnetzen - die lokale Erzeugung und Speicherung von elektrischer Energie mit Batterien und Solarpanels oder Windgeneratoren - ist ein Beispiel. Im Prinzip können Inselsysteme ohne Netzanschluss so dimensioniert werden, dass sie “immer an” sind. Dafür kann man sich an der “Methode des schlechtesten Monats” orientieren, wodurch die Erzeugungs- und Speicherkapazität zum Beispiel bei einer Solaranlage so überdimensioniert wird, dass das Energieangebot den Verbrauch auch an den kürzesten und dunkelsten Tagen des Jahres abdecken kann.

Wenn die Stromerzeugung zu allen Zeiten dem Verbrauch angepasst wird, wird ein Inselnetz dadurch sehr teuer und verliert seine Nachhaltigkeit, besonders in Klimazonen mit ausgeprägten Jahreszeiten

Genau wie es bei einem imaginären großen erneuerbaren Stromnetz der Fall wäre, wird ein Inselnetz sehr teuer, wenn die Stromerzeugung zu allen Zeiten nach dem maximalen Verbrauch dimensioniert wird, besonders in Klimazonen mit ausgeprägten Jahreszeiten. ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸ Daher werden die meisten Inselsysteme ohne Netzanschluss nach einer Methode skaliert, die auf einen Kompromiss zwischen Zuverlässigkeit, wirtschaftlichem Aufwand und Nachhaltigkeit abzielt. Die “Bemessungsmethode nach Wahrscheinlichkeit des Lastausfalls” spezifiziert eine Anzahl von Tagen pro Jahr, an welchen die Versorgung die Nachfrage nicht abdeckt. ¹⁹ ²⁰ ²¹ Mit anderen Worten: das System wird nicht nur nach einer vorhergesagten Energienachfrage skaliert, sondern auch nach dem verfügbaren Budget und Bauraum.

Image: Stephen Yang / The Solutions Project.

Wenn ein System ohne Netzanschluss auf diese Weise bemessen wird, führt das zu einer signifikaten Kosteneinsparung, selbst wenn der Parameter Verfügbarkeit nur wenig zurückgefahren wird. Die Kalkulation für ein Inselnetz in einem Haus in Spanien zeigt zum Beispiel, dass durch das Zurückfahren der Verfügbarkeit von 99,75% auf 99,0% die Anschaffungskosten um 60% geringer ausfallen, mit entsprechendem Nutzen für die Nachhaltigkeit durch geringeren Materialeinsatz. Die Versorgung wäre für 87,6 Stunden pro Jahr unterbrochen, verglichen mit 22 Stunden für das System mit höherer Verfügbarkeit. ¹⁶

Gemäß dem derzeitigen Verständnis der Versorgungssicherheit gelten Inselnetze, welche auf diese Art skaliert sind, als Versager: die Verfügbarkeit der Energieversorgung deckt nicht immer die Nachfrage. Tatsächlich scheinen Menschen, die Inselnetze betreiben, sich aber nicht über Energiemangel zu beklagen - ganz im Gegenteil. Dafür gibt es einen einfachen Grund: sie passen ihre Nachfrage einer begrenzten und manchmal unterbrochenen Versorgung an.

In ihrem Buch Off-the-Grid: Re-Assembling Domestic Life aus dem Jahr 2015 dokumentieren Phillip Vannini und Jonathan Taggart ihre Reise durch Kanada, auf der sie Menschen in etwa 100 Haushalten ohne Netzanschluss befragt haben. ²² Mit eine ihrer wichtigsten Beobachtungen ist es, dass Menschen mit Energieversorgung im Inselnetz insgesamt weniger Strom verbrauchen und routinemäßig ihre Energienutzung dem Wetter und den Jahreszeiten anpassen.

Menschen in einer selbstgewählten Inselsituation nutzen insgesamt weniger Strom und passen routinemäßig ihre Energienutzung dem Wetter und den Jahreszeiten an.

Waschmaschinen, Staubsauger, Elektrowerkzeuge, Toaster oder Spielkonsolen werden entweder gar nicht genutzt, oder aber nur während Phasen sehr guter Energieversorgung, wenn die Speicherbatterien bereits voll aufgeladen sind. Bei bedecktem Himmel ändern Menschen in Inselnetzen ihr Nutzungsverhalten, um weniger Leistung zu verbrauchen und so noch Energie für den folgenden Tag übrig zu haben. Vannini und Taggart beobachten ebenfalls, dass Inselnutzer sich mit einem Niveau von Beleuchtung und Heizung zufriedengeben, welches von den typischen Standards abweicht, die viele Menschen in der westlichen Welt inzwischen voraussetzen. Dies zeigt sich oft daran, dass Aktivitäten bewusst um zentrale Quellen von Wärme und Licht herum verlagert werden. ²²

Ähnliche Beobachtungen kann man an Orten machen, wo die Menschen unfreiwillig von Infrastrukturen abhängen, die nicht immer in Betrieb sind. Wenn in weniger industrialisierten Ländern Wasser-, Strom- und Datennetze vorhanden sind, dann weisen diese oft mehr oder weniger häufige Versorgungsausfälle auf. ²³ ²⁴ ²⁵ Trotz der niedrigen Zuverlässigkeit dieser Infrastrukturen - jedenfalls gemäß den typischen Indikatoren der Versorgungssicherheit - geht das Leben weiter. Die täglichen Haushaltsroutinen werden um Versorgungsunterbrechungen herum organisiert, welche als normal und als akzeptierter Teil der Lebensrealität gesehen werden. Wenn zum Beispiel Strom, Wasser oder Internet nur zu bestimmten Stunden des Tages verfügbar sind, werden Hausarbeiten entsprechend für diese Zeit geplant. Insgesamt verbrauchen die Menschen auch weniger Energie: die Infrastruktur erlaubt einfach keinen ressourcenintensiven Lebensstil. ²³

Verfügbarer, aber weniger sicher?

Die sehr hohe Verfügbarkeit der Energieversorgungsnetze in industrialisierten Gesellschaften wird begründet durch eine Bewertung mit dem “Wert des Lastverlusts” (value of lost load). Dieser setzt finanzielle Verluste durch Energiemangel in Beziehung zu den zusätzlichen Investitionen, die nötig wären um diesen Mangel zu verhindern. ¹¹⁰ ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹ Allerdings hängt der Wert des Lastverlusts stark davon ab, wie eine Gesellschaft organisiert ist. Je höher die Abhängigkeit von der Stromversorgung, desto höher werden die finanziellen Folgen von Stromausfällen sein.

Aktuelle Definitionen der Versorgungsssicherheit gehen davon aus, dass die Versorgungs- und die Nachfrageseite nicht voneinander abhängen, und fokussieren sich fast ausschließlich darauf, die Energieversorgung zu sichern. Alternative Formen von Infrastrukturen wie die oben beschriebenen zeigen aber, dass Menschen ihre Erwartungen einer begrenzten und nicht immer verfügbaren Energieversorgung anpassen können. Mit anderen Worten: es ist nicht nur möglich, die Versorgungssicherheit zu verbessern indem man die Verfügbarkeit erhöht, sondern auch indem man die Abhängigkeit von Energie reduziert.

Image: Erdgasterminal. Jason Woodhead.

Auch in 24/7-Stromversorgungsnetzen hängen Nachfrage und Versorgung voneinander ab und beeinflussen einander - aber mit dem gegenteiligen Effekt. Genauso, wie “unzuverlässige” Inselnetze einen Lebensstil fördern, der weniger von der Energieversorgung abhängt, so fördern “zuverlässige” Infrastrukturen einen Lebensstil, der über die Zeit immer mehr von der Energieversorgung abhängt.

Industrialisierte Gesellschaften mit “zuverlässigen” Stromnetzen sind bei Stromausfällen am schwächsten und zerbrechlichsten

In ihrem Buch Infrastructures and Practices: the Dynamics of Demand in Networked Societies aus dem Jahr 2018 argumentieren Olivier Coutard und Elizabeth Shove, dass eine unbegrenzte und unterbrechungsfreie Stromversorgung es den Menschen in industrialisierten Gesellschaften ermöglicht hat, eine Vielzahl von Technologien einzusetzen, die von Stromversorgung abhängen. Waschmaschinen, Klimaanlagen, Kühlschränke, automatische Türen, rund um die Uhr verfügbarer Internetzugang sind “normal” und zentrale Bestandteile des täglichen Lebens geworden. Gleichzeitig sind alternative Lösungen für diese Aufgaben - das Wäschewaschen mit der Hand, die Lagerung von Lebensmitteln ohne Elektrizität, Raumkühlung ohne Klimaanlage, Navigation und Kommunikation ohne Smartphones - immer seltener geworden oder schon verschwunden. ³⁰

Als Ergebnis ist die Versorgungssicherheit in Inselnetzen und “unzuverlässigen” zentralen Versorgungsinfrastrukturen tatsächlich höher, während industrialisierte Gesellschaften mit “zuverlässigen” Stromnetzen bei Stromausfällen am schwächsten und zerbrechlichsten sind. Was allgemein als Nachweis der Versorgungssicherheit gesehen wird - eine unbegrenzte und unterbrechungsfreie Stromversorgung - macht im Grunde die industriellen Gesellschaften immer verwundbarer gegenüber Stromausfällen: die Menschen verlernen die Fähigkeiten und den Gebrauch der Technologien, mit denen sie ohne kontinuierliche Stromversorgung auch recht gut leben könnten.

Versorgungssicherheit neu definieren

Um eine brauchbarere Definition der Versorgungssicherheit zu erhalten, muss sie über Energiedienste, sozialen Nutzen oder Grundbedürfnisse definiert werden, und nicht über Massengüter wie Kilowattstunden Strom. ¹ Menschen benötigen keinen Strom. Sie müssen Lebensmittel lagern, Wäsche waschen, Türen öffnen und schließen, miteinander kommunizieren, von A nach B gelangen, im Dunkeln sehen und so weiter. All diese Dinge können sowohl mit als auch ohne Elektrizität bewältigt werden. Selbst wenn wir von einer Lösung der Aufgaben mit Elektrizität ausgehen, dann geht es noch mit mehr oder deutlich weniger.

Wenn wir sie auf diese Weise definieren, dann geht es bei der Versorgungssicherheit nicht nur darum, die Versorgung mit elektrischem Strom zu gewährleisten, sondern auch darum, die Resilienz der Gesellschaft zu erhöhen, damit diese ihre Abhängigkeit von einer unterbrechungsfreien Stromversorgung verringert. Dies schließt die Resilienz der Menschen ein (haben sie die Fähigkeiten, um ohne Elektrizität auszukommen?), ebenso die Resilienz von Geräten und technischen Systemen (wie kommen diese mit Unterbrechungen klar?), und schließlich auch die Resilienz von Institutionen (was bedeutet es rechtlich, ein Versorgungsnetz zu betreiben, welches nicht immer verfügbar ist?). Abhängig vom Grad der Resilienz der Gesellschaft kann eine Unterbrechung der Stromversorgung in mehr oder weniger ausgeprägter Weise zu einer Unterbrechung von Energiediensten und von bestimmten Aspekten des täglichen Lebens führen.

Obwohl zum Beispiel unser System der Lebensmittelverteilung von Kühlketten abhängt, welche eine unterbrechungsfreie Stromversorgung erfordern, gibt es auch viele Alternativen dazu. Wir könnten Kühlgeräte besser isolieren, um sie an eine weniger zuverlässige Stromversorgung anzupassen. Wir könnten wieder Kühl- und Eiskeller nutzen (welche Lebensmittel auch ohne Stromversorgung frisch halten). Wir können auch ältere Methoden der Lebensmittelkonservierung wie zum Beispiel Fermentierung stärker nutzen. Wir können auch darauf hinwirken, den Menschen wieder das Kochen mit frischen Nahrungsmitteln nahezubringen; einen Wechsel hin zur Ernährung ohne Tiefkühlkost oder sogar ganz ohne Lebensmittel, die Kühlung benötigen. Auch der häufigere, lokale Einkauf von Lebensmitteln könnte gegenüber dem Wocheneinkauf in großen Supermärkten bevorzugt werden.

Um die Versorgungssicherheit zu erhöhen, müssen wir die Verfügbarkeit der Infrastrukturen verringern.

Wenn wir das Konzept der Versorgungssicherheit in einer ganzheitlicheren Weise angehen und dabei sowohl Angebot als auch Nachfrage betrachten, wird rasch klar dass die Versorgungssicherheit in industrialisierten Ländern tatsächlich abnimmt. Wir delegieren mehr und mehr Aufgaben an Maschinen, Computer und großflächige Infrastrukturen und erhöhen so unsere Abhängigkeit von der Stromversorgung. Darüberhinaus wird das Internet genauso essenziell wie das Stromnetz, und Trends wie Cloud Computing, das Internet der Dinge und autonomes Fahren basieren allesamt auf mehreren, miteinander verbundenen Lagen von unterbrechungsfreien Infrastrukturen.

Image: Ein verlassener Strommast. Miura Paulison.

Da Nachfrage und Angebot einander beeinflussen, kommen wir zu einer Schlussfolgerung, die der Intuition zu widersprechen scheint: um die Versorgungssicherheit zu erhöhen, müssen wir die Verfügbarkeit des Stromnetzes verringern. Dadurch würden die Resilienz und die Nutzung von Ersatztechnologien gefördert, und auf diese Weise könnte die Verwundbarkeit industrialisierter Gesellschaften gegenüber Versorgungsausfällen verringert werden. Coutard und Shove argumentieren: “es wäre sinnvoll, den Innovationspotenzialen mehr Beachtung zu schenken, die sich ergeben wenn große Netzwerke geschwächt und aufgegeben werden, oder wenn ihre Zuverlässigkeit sinkt”. Sie fügen noch hinzu, dass die Erfahrung von Menschen, die selbstgewählt in Inselnetzen leben “verschiedene Einsichten in die Konfigurationen bieten, um die es geht”. ³⁰

Für eine weniger verfügbare Energieversorgung zu argumentieren, löst natürlich Kontroversen aus. “Die Lichter anlassen” ist eine Phrase, die gern verwendet wird um Energiereformen wie den Neubau oder die Verlängerung der Lebenszeit von Atomkraftwerken über ihre geplante Lebensdauer hinaus zu begründen. Um aber wirkliche Versorgungssicherheit zu erreichen, sollte “Die Lichter anlassen” durch Sätze wie “Manche Lichter anlassen”, “welches Licht schalten wir als nächstes aus?” oder vielleicht auch “was kann ein bisschen mehr Dunkelheit uns schon schaden?” zu ersetzen. ³¹ Offensichtlich würde eine weniger verfügbare Stromversorgung auch fundamentale Veränderungen an Routinen und Technologien bedeuten, gleich ob es um Haushalte, Fabriken, Transportsysteme oder auch Kommunikationsnetzwerke geht – aber das ist genau der springende Punkt. Die derzeitige Lebensweise in den industrialisierten Ländern ist einfach nicht nachhaltig.

Kris De Decker. Dieser Artikel wurde ursprünglich für das UK Demand Centre geschrieben.

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