Energieversorgung von morgen

Die Zukunft der Energieversorgung

Das weltweite Energiesystem ist alles andere als nachhaltig. Die zunehmende Ressourcenknappheit, eine oftmals instabile Versorgung und der Klimawandel machen das deutlich. Ehrgeizige Pläne sollen das ändern – vor allem mithilfe dezentraler Energieerzeugung und der Digitalisierung. Ihr Ziel: die Abkehr von fossilen Energieträgern.

Der Think Tank „Global Footprint Network“, eine weltweit angesehene Denkfabrik, die sich mit den Fragen einer ressourcenbeschränkten Welt beschäftigt, hat es jüngst wieder angemahnt: Der Mensch verbraucht heute bereits 50 Prozent mehr Ressourcen, als die Erde überhaupt zur Verfügung stellen kann. Gleichzeitig lässt der hohe CO2-Ausstoß das Welt-Thermometer langsam, aber stetig steigen.

Das Gebot der Stunde: Nachhaltigkeit

Wenn wir hier nicht aktiv werden, steht die Welt vor einem Kollaps. Die Herausforderungen zu meistern funktioniert nur mit einem massiven Umbau des Wirtschafts- und Energiesystems hin zu mehr Nachhaltigkeit. Dies erfordert auf der einen Seite eine verstärkte Wiederverwendung von Rohstoffen, Recycling und Kreislaufwirtschaft und auf der anderen Seite eine deutliche Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien. Zugleich müssen Stromerzeugung und -nutzung wesentlich effizienter werden.

 

Utopie? Nicht unbedingt. Wie ein solches nachhaltiges Energiesystem aussehen könnte, zeichnet sich bereits in Deutschland ab. Als erstes Land der Welt hat sich die Bundesrepublik mit der sogenannten Energiewende hochgesteckte Ziele für eine solche nachhaltige Energieversorgung gesetzt. Zusammengefasst lauten diese: Ausstieg aus der Kernenergie bis zum Jahr 2022, 80 Prozent Anteil der Erneuerbaren an der Stromerzeugung bis 2050 und 80 Prozent weniger Treibhausgase bis 2050 (im Vergleich zu 1990).

Deutschlands Energiewende – ein Vorbild?

Es ist ein ehrgeiziges Vorhaben, und es wird gar als Jahrhundertprojekt tituliert. Wie Deutschland den Umbau seines laufenden Energiesystems angeht und umsetzt, wird dabei vom Ausland ganz genau beobachtet. Denn mittlerweile haben viele Nationen die Notwendigkeit erkannt, dem Klimawandel und der Ressourcenverknappung mit eigenen Maßnahmen zu begegnen. Und sie haben erkannt, dass die Bewältigung dieser Herausforderung eine Stromversorgung auf Basis erneuerbarer Energien voraussetzt, bei stets garantierter Verfügbarkeit.

 

Hierfür sind erhebliche technologische Fortschritte und Innovationen in der Energielandschaft erforderlich. Und zwar in vielen Bereichen – etwa bei der Energieeffizienz sowie bei der Übertragung, Erzeugung oder Speicherung von Strom. Insgesamt sind es elf Handlungsfelder, auf denen diese Maßnahmen umgesetzt werden müssen (siehe Feature unten). Erst dann kann ein nachhaltiges Energiesystem entstehen. Die gute Nachricht: Dafür muss das Technologie-Rad nicht neu erfunden werden. Viele der hierfür notwendigen Lösungen stehen bereits zur Verfügung oder werden derzeit entwickelt.

Abkehr von fossilen Energieträgern bis zum Jahr 2100

Zusätzlich gibt es Anschub vonseiten der Politik: Um dieses neue Stromzeitalter einzuläuten, haben die Regierungschefs auf dem G7-Gipfel 2015 im süddeutschen Elmau ein klares Ziel formuliert: die Abkehr von fossilen Energieträgern bis zum Jahr 2100 und die Nutzung von Strom als universellem Energieträger und somit eine vollständige Dekarbonisierung. Schließlich wurde auf der UN-Klimakonferenz in Paris im Dezember 2015 eine neue Klimaschutzvereinbarung in Nachfolge des Kyoto-Protokolls verabschiedet. Das ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung. Doch nicht zuletzt die Grafiken zeigen: Selbst, um das das so genannte 2-Grad-Ziel beim Klimawandel mit einer Trendumkehr bei den Emissionen bis 2020 zu erreichen, bedarf es noch großer Anstrengungen. Das birgt Herausforderungen, aber auch Chancen für Mensch, Natur und Wirtschaft. Gehen wir es an!

Energienutzung

Energie sparen und besser nutzen

Die sauberste Energie ist die Energie, die gar nicht benötigt wird. Das Einsparpotenzial ist riesig, vor allem in Gebäuden, in der Industrie und im Verkehr. Energie sparen und effizient nutzen sind die zwei Hauptfaktoren beim Aufbau einer nachhaltigen, zukunftsweisenden Energieversorgung. Dies kann durch Kontrollieren des Energieverbrauchs und die Integration energiesparender Produkte und Lösungen in Gebäude, in die Industrie und in Verkehrssysteme erreicht werden. Elektromotoren machen nahezu zwei Drittel der in der Industrie genutzten elektrischen Energie aus, beispielsweise für Fördertechnik oder Pumpen. Mit optimierten Lösungen kann der Energieverbrauch von Industrieantrieben um bis zu 30 Prozent gesenkt werden. Weltweit werden ca. 40 Prozent der Energie von Gebäuden verbraucht. Auch hier lässt sich eine Menge erreichen: durch Wärmedämmung und Pumpen, intelligente Gebäudetechnik oder effiziente Beleuchtung.

40%
des weltweiten
Energieverbrauchs
entfällt auf Gebäude
21%
der Treibhausgas-
emissionen kommen
aus Gebäuden
Bis zu 40%Energieeinsparung kann durch
intelligente Gebäudeautomation erzielt werden

Energiespeicherung

Einbindung erneuerbarer Energiequellen

Der heutige Energiemix führt zu sich rasch verändernden Ungleichgewichten zwischen Erzeugung und Last mit negativen Auswirkungen auf Netzstabilität und Stromqualität. Die Batteriespeicherung kann sowohl als Verbraucher wie auch als Erzeuger von Energie fungieren. Diese Kombination hilft, die Netzstabilität zu verbessern, und ermöglicht eine stärkere Einbindung erneuerbarer Energiequellen. Das Netz kann dadurch mehr verfügbare Energie nutzen. 

Als Alternative kann überschüssiger Strom in eine Elektrolyseanlage eingespeist werden, die Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und dabei Wärme erzeugt. Der gewonnene Wasserstoff kann gespeichert und als Brennstoff in einer Gasturbine und in verschiedenen Industrieprozessen genutzt werden.

Da die Stromversorgung aus Wind nicht stetig
ist, müssen Systeme für Stromspeicherung
und -umwandlung bereitgestellt werden.
BatteriespeicherungWasserstoffspeicherung

Erneuerbare

Unendliches Potenzial für nachhaltige Energie

Wind, Photovoltaik und kleine Wasserkraftwerke leisten einen maßgeblichen Beitrag zur Deckung des Energiebedarfs und zur Förderung des Umweltbewusstseins. Insbesondere Offshore-Windkraftanlagen mit einer installierten Erzeugungskapazität im dreistelligen Megawattbereich sind bereits in Betrieb und liefern große Mengen an Strom mit hoher Kontinuität. Eine wachsende Zahl von Onshore-Windparks wird aber auch in Regionen mit mittleren bis niedrigen Windgeschwindigkeiten errichtet. Deshalb bieten wir eine neue Generation von Windenergieanalgen, die eine maximale Energieausbeute aus niedrigen bis mittleren Windgeschwindigkeiten erzielen. 

Auch die Sonnenenergie bietet ein großes Potenzial und ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Als zuverlässige Langzeit-Energiequelle liefert die Sonne eine riesige Jahresenergiemenge. Dank des technologischen Fortschritts der letzten Jahre und der Entwicklung des Photovoltaik-Marktes sind PV-Systeme nun bereit für die Stromerzeugung in großem Stil. Und wenn wir Wasser in Energie umwandeln wollen, haben sich auch kleine Wasserkraftwerke als nachhaltige Energiequelle bewährt.

Beispiel Deutschland: „2030 wird es 44,100 Windenergieanlagen sowie
3,000,000 PV-Systeme geben.”

Zentrale Stromerzeugung

Hocheffiziente Stromerzeugung

Wenn Wolken die Sonne verdunkeln oder der Wind abflaut, müssen Stromschwankungen rasch ausgeglichen werden. Gasbefeuerte Kraftwerke, die rasch angefahren werden können, sind hierfür ideal. In Kombination mit einer Dampfturbine kann das Kraft-Wärmekopplungs- (KWK-) Kraftwerk von Siemens mit dem höchsten Wirkungsgrad ca. 61,5 Prozent der Primärenergie aus Erdgas in Strom umwandeln. Dank seines Kraft-Wärmekopplungs-Konzepts steigt die Brennstoffausnutzung auf 85 Prozent.

Das Optimum herausholen:

Weltrekorde im Block
„Fortuna“ des Kraftwerks
Lausward in Düsseldorf

Stromerzeugung
603,8 MW(el)
Nettowirkungsgrad des Kraftwerks ~ 61,5 ProzentAusgekoppelte
Fernwärme 300 MW(th)

Finanzierung

Intelligente Finanzierungslösungen

Wenn Städte und Gebäude nach Technologien zur Verringerung ihres Energieverbrauchs suchen, sind zur Überwindung der Mittelknappheit oft intelligente Finanzierungslösungen gefragt. Wenn es gelingt, Lösungen für die technische Realisierung mit denen für die Finanzierung zusammenzuführen, können Gebäude ein gewaltiges Energiesparpotenzial erschließen – beim Verbrauch ebenso wie bei den Kosten. Ein gutes Beispiel hierfür ist das Energiespar-Contracting für Gebäudetechnologien – eine Kombination aus Beratungs- und Modernisierungsleistungen und kundenspezifisch angepasster Finanzierung. Damit brauchen die Kunden keine Anfangsinvestitionen zu tätigen, sondern können ihre Raten einfach mit den eingesparten Energiekosten bezahlen.

Weltweit hat Siemens auf diese Weise mehr als 5.200 Gebäude modernisiert, dabei mehr als 1 Mrd. € gespart und mehr als zehn Tonnen CO2 vermieden.

ermöglichenEinsparungenfinanzierenInvestitionenSich selbst
finanzierender
Kreislauf

Energiespar-Contracting:
ein sich selbst finanzierender Kreislauf

Microgrid

Intelligente Stromnetze

In Zukunft werden nicht nur große Kraftwerke, sondern auch Millionen kleiner und mittlerer Energieerzeuger Strom ins Netz einspeisen. Akteure, die bislang nur Energie verbraucht haben, werden immer mehr selbst zu Erzeugern. Dieser Umstand und die schwankenden Einspeisungen aus erneuerbaren Energien erfordern intelligente Stromnetze für die Stromverteilung. Mit „Smart Grids“ wie diesen hilft Siemens, die richtige Balance zwischen Erzeugung von und Nachfrage nach Strom zu erreichen – weltweit und hier in Deutschland.

5-mal mehr Strom
erzeugt als verbraucht

Das Dorf
Wildpoldsried erzeugt
5-mal mehr Strom aus
erneuerbaren Quellen
als es verbraucht.

Erdgas

Ein wichtiger Pfeiler für die weltweite Energieversorgung

Erdgas deckt rund 25 % des weltweiten Energiebedarfs. Dank Tiefsee-Exploration und nicht-konventioneller Ressourcen erklimmen die nachgewiesenen Reserven neue Hochstände. Als sauberste fossile Energiequelle wird Erdgas seinen Anteil am weltweiten Energiemix weiter erhöhen und bis 2035 um 1,8 % pro Jahr steigern. Gas wird hauptsächlich in Form von Flüssiggas (Liquefied Natural Gas, LNG) gehandelt und durch Pipelines transportiert. Die erfolgsentscheidende Technologie von Siemens macht den gesamten Prozess von der Gasgewinnung über den Transport bis zur Stromerzeugung sicherer und effizienter.

Erdgas gewinnt
weltweit an Bedeutung

Primärenergie (Anteil)Quelle: BP Energy Outlook 2016 (Basisfall)

Stromübertragung

Verlustarme Energieübertragung

Energie sollte hauptsächlich dort genutzt werden, wo sie im Überfluss vorhanden ist: Solarenergie in sonnenreichen Gegenden und Windenergie auf dem offenen Meer. Deshalb müssen Fernnetze über Landesgrenzen hinweg weiter ausgebaut werden, entweder mit klassischen Überlandleitungen, Kabeln oder gasisolierten Leitungen. Neben den klassischen Hochspannungs-Wechselstromverbindungen können für sehr weite Entfernungen hocheffiziente Stromautobahnen mit HGÜ-Technik (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) zum Einsatz kommen. 

Beispielsweise hat Siemens in einem Projekt mit HGÜ-Technologie in China demonstriert, dass rund 95 Prozent des Stroms bei den Verbrauchern ankommt, sogar über eine Entfernung von 1.400 Kilometern und mit einer Übertragungskapazität von 5.000 Megawatt.

Strom genau dorthin liefern, wo er gebraucht wird.

Stromverteilung

Immer gut versorgt

Die Anforderungen an die Stromverteilung und damit an Mittel- und Niederspannungsnetze steigen kontinuierlich. Wechselnde Lastflussrichtungen, Last- und Spannungsschwankungen, die insbesondere durch die stark wachsende Zahl von Stromversorgungsanlagen aus volatilen Energiequellen wie z. B. Photovoltaik-/Biogasanlagen und Windparks verursacht werden, führen dazu, dass die heutigen Verteilnetze bis an ihre Kapazitätsgrenzen gehen müssen. Die Lösung liegt in einem aktiven Verteilnetz mit intelligenten Transformator-Schaltanlagen als Schlüsselkomponenten. Sie tragen zu einem aktiven Lastmanagement im Verteilnetz bei und ermöglichen im Fall von Störungen eine automatische und schnelle Fehlerbehebung.

Wie kann die mittlere Nichtverfügbarkeit von Stunden auf Sekunden verkürzt werden?

Selbstheilendes Netz des Netzbetreibers Stedin im Hafenbezirk von Rotterdam, Niederlande

Neustart des Systems
in weniger als einer
Minute

Leittechnik und Anwendungen für Stromnetze

Die Informationstechnik ist unverzichtbar, um Stromzähler- und Verbrauchsdaten in das System zu integrieren, damit wir den Verbrauch messen und daraus die nötigen Schlüsse ziehen können. Die Automatisierungstechnik sorgt dafür, dass Stromzählerdaten für das Ausfallmanagement und Ausfallmessungen in den Netzen verfügbar sind. An dieser Stelle verschmelzen Betriebstechnik und Informationstechnik zu einer Einheit. Alle erfassten Daten werden im Interesse einer stabilen und effizienten Stromversorgung gespeichert und analysiert.

Die entscheidende Voraussetzung für alle bereichsübergreifenden Lösungen von Siemens ist ein „smartes“ Netz, das ein intelligentes Energiemanagement ermöglicht.

Von „Big Data“ zu „Smart Data“
voraussichtlich
680.000.000
intelligente Stromzähler
weltweit installiert
generieren Daten von
280
Petabyte pro Jahr
Speicherkapazität von
22.400.000
BluRay-Discs

Erdöl

Versorgung mit Erdöl, der marktbeherrschenden Primärenergiequelle

Der Ölverbrauch wird voraussichtlich weiter wachsen, und Rohöl bleibt in den nächsten 20 Jahren die marktbeherrschende Primärenergiequelle. Besonders stark ausgeprägt ist die beherrschende Stellung von Öl bei Kraftstoffen für den Verkehr, die geringe Bedeutung für die Stromerzeugung wird noch weiter abnehmen. Die Ölreserven sind ausreichend, nicht zuletzt dank der Exploration und Produktion in Tiefseeregionen und der Erschließung neuer Ressourcen wie Ölsande. Darüber hinaus ermöglichen verbesserte Technologien zur Ölrückgewinnung für reife Ölfelder, mehr aus einem Feld herauszuholen. Die innovative Technologie von Siemens macht Produktion, Transport und Verarbeitung effizienter und umweltverträglicher.

Weltweiter Ölbedarf nach Bereichenmboe/d = Millionen Barrel Öläquivalent pro Tag
  • Stromerzeugung
  • Haushalte/Gewerbe/
         Landwirtschaft
  • Sonstige Branchen
  • Petrochemie
  • Verkehr
Quelle: OPEC World Oil Outlook 2015; Referenzfall

„Wir brauchen die Ratifizierung des Pariser Klimaabkommens“

image

Befinden wir uns am Rande einer Klimakatastrophe?

Chu: Der Klimawandel ist eine reale Gefahr. Die entscheidende Frage ist: Was passiert, wenn sich die Temperatur um zwei, vier oder sechs Grad Celsius