Zentral, dezentral, egal? Lokalisierte und verteilte Energieversorgung

Highway 401 in Toronto bei Nacht, Quelle Wikipedia – CC-BY 2.0.

Energieflussdichtenvisualisierung: Wohngebiete kühlblau bei zehn, zwanzig, fünfzig Watt pro Quadratmeter. Transportnetze, Straßen, Bahnhöfe, stilleilige Maglevmodule in Röhren, Flughäfen: Tausend, zweitausend, zehntausend Watt pro Quadratmeter. Industriewerke, Stahlküchen, Walzwerke, kristallhelle Plasmabögen, Rohre und kühlstille Tanks turmhoch in der Nacht voller Synfuel, kosmisch heiße Laser, Pulvermetallurgie, Roboter – insektoide Titanen in menschenleeren Fabriken: hundert fünfhundert tausend Kilowatt, und höher hinauf: multimegawattlodernder Maschinenfeueratem zersetzt die Materie und fügt sie neu, zu Flugzeugen, Raumschiffen, Lokomotiven, Computern, Schreibtischlampen, Marmeladengläsern. Die Entropie flüchtet tief in den interstellaren Raum, Carmen und Alexa haben sie fortgetanzt.
— Fabian Herrmann: „Projekt Kardaschow“

Was die Techno-Urbane Gesellschaft vor allen anderen Zivilisationsformen auszeichnet ist die hohe Konzentration menschlicher Aktivität. Wer in einer Stadt, insbesondere einer Großstadt mit über einer Million Einwohner lebt, sollte nun kurz die Lektüre unterbrechen, aus dem Fenster sehen und darüber nachdenken, welche Aktivitäten allein innerhalb seines Blickfeldes ablaufen: Vermutlich drängen sich Fahrzeuge, Autos, Busse, Lastwagen, in engen Reihen über Hauptverkehrsadern und Nebenstraßen. Vielleicht ist auch eine Bahnlinie im Blick, auf der Nahverkehrs- oder Fernzüge ihren Zielbahnhöfen entgegendonnern? Zieht ein Flugzeug in geringer Höhe über den Himmel? Sind Fabriken, Kraftwerke, Baustellen zu sehen? Was ist mit kulturellen Einrichtungen die den Menschen die Erschaffung, Vervielfältigung und Weitergabe von Wissen und Kunst ermöglichen – Universitäten, Theater, Bibliotheken, Studios, Forschungsinstitute? Banken, Einkaufszentren, U-Bahnhöfe, Wohnblocks, Hochhäuser, Tankstellen, Restaurants, Rechenzentren, Zeitungskioske, Elektronik- und Blumenläden…?

Ich wohne in einem Außenbezirk der Stadt Jena in einem mehrgeschossigen Wohnblock. Wenn ich aus der Haustür trete, schaue ich direkt auf eine Straßenbahnlinie, eine Tankstelle, eine Eisenbahntrasse, ein Freizeitbad und – am auffälligsten – ein regionales Gaskraftwerk.

Je stärker eine Gegend urbanisiert ist, desto mehr menschliche Aktivitäten finden pro Quadratkilometer statt, und desto mehr Leistung, Material und Information wird pro Flächeneinheit umgesetzt, wie der oben zitierte Ausschnitt aus meinem Roman „Projekt Kardaschow“ poetisch veranschaulicht.

In letzter Zeit taucht häufig der Vorschlag auf, man solle die Energieerzeugung „dezentral“ bewerkstelligen. Was heißt das genau? Der Begriff umfasst zwei sehr verschiedene Konzepte:

  • Lokalisierte Energieerzeugung für den Verbrauch vor Ort
  • Verteilte Energieerzeugung in miteinander vernetzten Aggregaten

Bei der ersten Variante („lokalisiert“) wird die Energie genau da erzeugt, wo sie benötigt wird. Überlandleitungen und sonstige Vorrichtungen zum Ferntransport von Energie sind unnötig.

Bei der zweiten Variante („verteilt“) werden Energiequellen im ganzen Land miteinander vernetzt, so dass Verbraucher immer von dort Strom geliefert bekommen, wo gerade welcher zur Verfügung steht. Weht in einer Gegend starker Wind, wird von dort Energie herbeigeleitet, scheint woanders die Sonne, dann Solarstrom von dort, usw.

Dezentralität wird (in der Regel ohne dass spezifiziert wird, welches der beiden Konzepte gemeint ist) meist mit Erneuerbaren in Zusammenhang gebracht. Schließlich – so oder ähnlich geht dabei der Gedankengang – kommt überall Sonnenlicht vom Himmel, der Wind weht auch an allen Ecken und Enden, Grünschnitt fällt in jeder Parkanlage an usw., daher lassen sich Erneuerbare überall in irgendeiner Form nutzen, so dass einer Energieerzeugung mittels da und dort aufgebauter kleinteiliger Systeme nichts im Wege steht.

Ich werde nun untersuchen, unter welchen Bedingungen jedes der beiden Dezentralitätskonzepte Sinn ergibt, und welche Energiequellen dafür geeignet sind. Zur Veranschaulichung soll eine fiktive Insel namens Doria dienen, auf der sich die Entwicklung von der prä-industriellen zur Techno-Urbanen Gesellschaft im Zeitraffer vollzieht.

Phase 1: Einsame Ansiedlungen
Kleine Dörfer, Weiler, Bauernhöfe sind mit großem Abstand zueinander auf der Insel verstreut. Die Siedlungsdichte ist gering und es existiert kaum Industrie. Dies entspricht den Lebensbedingungen in weiten Teilen der Erde vor dem 18. Jahrhundert. Heutzutage ist dieser Zustand noch in vielen Regionen Afrikas und Südasiens anzutreffen.

Die Insel Doria vor der Entstehung von Großstädten und Industriezentren. Kleine Dörfer versorgen sich autark mit ein wenig Elektrizität aus Wind- und Solarenergie.

Unter diesen Bedingungen ist lokalisierte Energieversorgung mit Erneuerbaren möglich. Die geringe Bevölkerungsdichte und das Vorhandensein großer Freiflächen außen um jedes Dorf herum machen Wind- und in geeigneten Gegenden auch Solarkraft zu guten Optionen für eine anfängliche Elektrifizierung. Daher können diese Energiequellen auch sinnvoll zur „Energie-Schnellhilfe“ in Afrika eingesetzt werden: Einige Solarpanels auf den LKW gepackt und ab damit in eine entlegene Region! Zur Industrialisierung reicht dies zwar nicht, aber es kann bereits eine entscheidende Steigerung des Lebensstandards erreicht werden.

Phase 2: Urbanisierung
Die erste Stadt, die ersten Industriebetriebe sind entstanden. Wie kann die Energieversorgung nun bewerkstelligt werden? Lokalisierte Versorgung mit Wind und Solar ist in der Stadt nicht möglich: Die Häuser bremsen den Wind stark ab, und es finden sich auch kaum geeignete Stellplätze für die Anlagen. Die für Solarpanels zur Verfügung stehende Dachfläche pro Person ist in urbanisierten Regionen sehr gering, da in jedem Gebäude zahlreiche Menschen wohnen. Darüberhinaus ist der Energieverbrauch nun deutlich gestiegen gegenüber Phase 1 – höherer Lebensstandard, industrielle Produktion und Mobilität benötigen mehrere kW pro Mensch.

Aus diesem Grunde wird zuweilen vorgeschlagen, nun die zweite Variante der dezentralen Energieerzeugung einzusetzen: verteilt, mit vernetzten Aggregaten – weit und breit werden Energiequellen miteinander verkabelt, so dass die Stadt sich immer gerade dort, wo Energie zur Verfügung steht, ihren Bedarf „herausziehen“ kann.

In der Mitte der Insel wurde eine Großstadt und ein Industriezentrum errichtet. Ist verteilt-dezentrale Energieversorgung möglich?
(Quelle Wolkenkratzerbild)

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass nach dem Ausbau der Wasserkraft die Hauptexpansion der Erneuerbaren von Wind- und Solarenergie kommen muss, da Biomasse zu ineffzient ist und Gezeiten und Geothermie nur an geeigneten Stellen genutzt werden können.

„Es macht doch nichts, dass die Energieflussdichte der Erneuerbaren niedrig ist; wenn man nur genügend Anlagen miteinander kombiniert und die Leistung aufaddiert, steht letztlich für jede Anwendung genug zur Verfügung!“ – dies sagen viele in diesem Zusammenhang, und verweisen darauf, dass selbst eine Großstadt mit zahlreichen Industriebetrieben, Transportnetzen und sonstigen Energieverbrauchern ihren Bedarf stillen kann, sofern sie nur über ein weitausgreifendes Netz mit hinreichend vielen Windkraftanlagen, Solarparks, Biomassebrennereien u. ä. verbunden wird.

Bezüglich der Energie die der Endverbraucher an der Steckdose abgreift ist natürlich kein Unterschied zu bemerken, ob die Elektrizität ursprünglich auf die eine oder andere Art, aus einer großen oder kleinen Materialmenge, auf einer großen oder kleinen Fläche erzeugt wurde. Mein Computer verhält sich nicht unterschiedlich, je nachdem ob er Atom- oder Windstrom aufnimmt. Aber Strom kommt nunmal nicht aus der Steckdose!

Eine Techno-Urbane Gesellschaft, die versucht, sich aus diffusen Energiequellen zu speisen, kollidiert über kurz oder lang mit dem Problem, dass sie einen überproportionalen Anteil ihrer Gesamtaktivität (Mensch-Arbeitsstunden, Material, Transport- und Organisationskapazitäten und damit letztlich auch Geldmittel) in die relativ banale Aufgabe der Energieerzeugung investieren muß.

Was die Techno-Urbane Gesellschaft zu einer so guten Lebensform für Menschen macht ist unter anderem, dass durch den technischen Fortschritt immer weniger Menschen für den Grunderhalt des Ganzen benötigt werden. Landwirtschaft, Bau und Instandhaltung der Infrastruktur und vor allem Energieerzeugung (auf der alles andere fußt) zählen dazu. Je weniger Menschen sich damit beschäftigen müssen, desto mehr stehen für Kultur, Wissenschaft, soziale Arbeit, Bildung, Gesundheitswesen, technologische Weiterentwicklung und ähnliche Tätigkeiten zur Verfügung, die die eigentliche Substanz der menschlichen Zivilisation ausmachen.

Rein auf dem Papier wäre es durchaus möglich, eine Großstadt über ein weitverzweigtes Energienetz aus hunderten oder tausenden von diffusen Energiequellen, die weit in der Landschaft verstreut sind, zu versorgen. Dies hätte jedoch zur Folge, dass man quasi eine „Energiebauernkaste“ von Arbeitern bräuchte, die sich ständig um Bau und Wartung des Netzes, der Energiesammler (Windparks, Solaranlagen, etc.) und der Zwischenspeicher kümmert! Letztere sind auch bei einem verzweigten Netz nötig, da selbst in einer größeren Region Wind und Sonne gerne mal gemeinsam über mehrere Tage ausfallen.

Kirk Sorensen vermutet, dass bei Rückfall auf diffuse Energiequellen erneut Sklaverei eingeführt werden könnte. Die Tatsache, dass es auch heute noch sklavereiähnliche Beschäftigungsverhältnisse gibt und diese überwiegend in Ländern mit niedriger Energieflussdichte anzutreffen sind, lässt dies nicht implausibel erscheinen.

Die Bewohner der ersten Stadt auf Doria könnten auf den Einfall kommen, die Landbewohner aus den anderen Regionen als Energieerzeugungssklaven zu missbrauchen. Da sie als Nachfahren stolzer Seefahrer jedoch einen starken Freiheitsdrang verspüren, lassen sie das nicht mit sich machen – sie revoltieren und bauen ebenfalls eine Techno-Urbane Gesellschaft auf.

Phase 3: Entwickelte Techno-Urbane Gesellschaft
Zur Energieversorgung einer Gesellschaft mit hoher Flussdichte ist es optimal, wenn die Energie bereits sehr konzentriert erzeugt werden kann – denn je konzentrierter die Quellen sind, desto weniger Gesamtaufwand ist nötig, um im Endeffekt eine hohe Flussdichte zu erhalten! Es ist sogar eine dezentrale Versorgung im Sinne von „lokalisiert“ möglich.

Überall auf Doria sind moderne Großstädte entstanden. Jede wird lokal mit Kernenergie versorgt.
(Quelle Kernkraftwerksbild)

Im Umfeld jeder Stadt wird ein Cluster von Kernkraftwerken gebaut zur Versorgung des Ballungsgebietes. Moderne Reaktorvarianten sind dabei sogar lastfolgefähig. Alternativ kann ein Teil der erzeugten Energie zur Synthese chemischer Kraftstoffe abgezweigt werden, die dann in Gasturbinenkraftwerken zum Abfahren von Lastspitzen verstromt werden. Für Industriebetriebe können kleine modulare Kernreaktoren optimal sein – solcherart kann sich selbst ein Stahlwerk lokalisiert, auf dem eigenen Gelände, mit Energie versorgen! Man überlege sich, welche endlosen Fluten von Solarpanels, welche landschaftsbedeckenden Wälder von Windkraftanlagen nötig währen, wollte man den Bedarf der energieintensiven Metallindustrie aus diesen Quellen decken.

Fassen wir also zusammen:

  • Zur lokalisiert-dezentralen Versorgung von dörflichen Gesellschaften mit niedriger Bevölkerungs- und Energieflussdichte sind Erneuerbare geeignet. Sie sind daher auch sinnvoll für Entwicklungshilfeprojekte z. B. in Afrika, da sie ohne viel Infrakstruktur und Know-how rasch installiert werden können und somit einen unkomplizierten ersten Schritt zu höherem Lebensstandard ermöglichen.
  • Zur lokalisiert-dezentralen Versorgung von Techno-Urbanen Gesellschaften, d.h. Großstädte und Industriezentren, sind Kernkraftwerke geeignet. Falls Flüsse bzw. hochenthalpe Gesteinsschichten zur Verfügung stehen können übrigens Wasser- und Geothermiekraftwerke eine ähnliche Rolle spielen, doch dies ist eben nur an bestimmten Orten möglich.
  • Auf den ersten Blick scheint auch eine verteilt-dezentrale Versorgung mit einem weit verzweigten Energienetz eine Option für Techno-Urbane Gesellschaften zu sein, doch dies scheitert an dem überproportional hohen wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Aufwand, den die Erschaffung und Instandhaltung eines solchen Netzes mit sich bringen würde.

Eine interessante Frage ist, ob letztere Schlussfolgerung nicht durch Fortschritte in Robotik und künstlicher Intelligenz ausgehebelt werden könnte: Wenn das Energienetz nämlich fast ausschließlich von vollautomatischen Maschinen aufgebaut und betrieben wird, saugt es nicht mehr unzählige Mensch-Arbeitsstunden auf. Dies ist ein recht komplexes Thema und eventuell Stoff für einen weiteren Artikel. Vorläufig sei jedoch bemerkt, dass auch wenn die Arbeit von Robotern übernommen wird, immer noch riesige Materialmengen (und Landflächen) benötigt werden, so dass es sinnvoller erscheint, in robotisierten Fabriken Kernreaktoren in Serie bauen zu lassen und so aus einem Bruchteil des Materials um Größenordnungen mehr Energie zu ziehen.

Bezüglich eines möglichen Solarenergie-Nutzungsszenarios in tropischen Ländern siehe meinen Artikel: Wenn Energie auf der Strasse liegt.

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