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Dezentrale Energieerzeugung

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Definition: die Energieerzeugung in kleinen, in der Fläche verteilten Anlagen

Englisch: decentralized power generation

Kategorien: Energiepolitik, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 20.12.2012; letzte Änderung: 21.07.2016

Die Erzeugung von Energie – beispielsweise von elektrischer Energie oder Wärme – kann entweder zentral oder dezentral durchgeführt werden. Eine zentrale Stromerzeugung erfolgt in Großkraftwerken, z. B. in großen Kernkraftwerken, Kohlekraftwerken, Gaskraftwerken und Wasserkraftwerken. Dezentrale Energieerzeugung dagegen bedeutet, dass die Erzeuger (z. B. Kraftwerke) eher kleine Anlagen sind, die über größere Gebiete verstreut sind. In Frage kommen beispielsweise

Bisher erfolgt die Stromerzeugung in Industrieländern vorwiegend auf zentrale Weise. Die Nutzung von Kohle und Kernenergie ist auch schwer anders möglich. Die Energiewende in Deutschland bringt jedoch rasch zunehmende Beiträge von vielen dezentralen Anlagen. Diese Dezentralisierung ergibt sich vor allem dadurch, dass die Nutzung erneuerbarer Energie zur Substitution von fossilen Energieträgern und Kernenergie vorangetrieben wird und dies bei den wichtigsten Technologien dezentrale Anlagen begünstigt.

Im Wärmesektor war die dezentrale Erzeugung schon immer stark dominierend. Dies liegt einfach daran, dass Wärme nicht gut über weite Stecken transportierbar ist. Selbst Nahwärmenetze sind wegen der benötigten Leitungen nicht unbedingt wirtschaftlicher als die völlig dezentrale Wärmeerzeugung in Heizkesseln, auch wenn die Wärmeerzeugung so oft deutlich kostengünstiger und auch ökologisch vorteilhafter möglich ist.

Strittig ist, ob Dezentralisierung ein Wert an sich ist. Gerade frühe Verfechter einer Energiewende haben oft starken Wert darauf gelegt, dass die Energieversorgung viel stärker dezentral eingerichtet werden sollte, weil sie sich davon vielfältige Vorteile versprachen – nicht nur in technischer Hinsicht, sondern auch um eine große Bürgerbeteiligung und eine stärkere demokratische Kontrolle zu ermöglichen. Auf der anderen Seite stehen große Energieversorgungsunternehmen (EVU), für die Großkraftwerke die natürliche Lösung darstellt; für sie bringt eine Dezentralisierung einen möglichen Verlust an Umsatz und Bedeutung. Nun können sowohl für zentrale als auch für dezentrale Ansätze wesentliche Vor- und Nachteile vorgebracht werden, die im Folgenden differenziert betrachtet werden sollen.

Nutzung erneuerbarer Energien

Die Nutzung der Photovoltaik für die Stromerzeugung erfordert nennenswerte Flächen. Hier liegt es nahe, beispielsweise die Dächer von Gebäuden zu nutzen, anstatt Freiflächenanlagen zu bauen, die zusätzliche Flächen benötigen, welche dann nicht anders genutzt werden können. Da die Kostendegression mit zunehmender Größe der Anlagen bei der Photovoltaik nicht allzu stark ist, ergibt sich ein hoher Anteil kleiner dezentraler Anlagen, die meist von den jeweiligen Besitzern der Gebäude betrieben werden. Selbst Freiflächenanlagen sind in der Regel nicht so groß, dass sie für große EVU interessant wären; sie werden eher von Genossenschaften oder Kommunen betrieben. Allerdings gibt es auch Pläne für sehr große solarthermische Kraftwerke z. B. in Nordafrika, die eine zentrale Sonnenenergienutzung bedeuten würden.

Die Nutzung der Windenergie erfolgt ebenfalls vorwiegend auf dezentrale Weise. Die Windenergieanlagen können nicht zu eng beieinander aufgestellt werden, da sie sonst gegenseitig ihre Erträge vermindern, und die zur Verfügung stehenden zusammenhängenden Flächen sind meist begrenzt (auch wenn die anderweitige Flächennutzung nur wenig eingeschränkt wird). Eine dezentrale Nutzung hat auch den Vorteil, dass sich Schwankungen des Energieangebots von Anlagen an verschiedenen Standorten teilweise ausgleichen, da sie nicht zeitgleich erfolgen. Es gibt allerdings auch relativ große Windparks, und insbesondere im Offshore-Bereich dürften diese an Bedeutung gewinnen.

Biogas wird dezentral erzeugt, weil die Biomasse dezentral anfällt und nicht gut transportiert werden kann.

Biogas wird hergestellt aus Biomasse, die wegen ihrer begrenzten Energiedichte nicht für den Transport über weite Strecken geeignet ist. Deswegen werden Biogasanlagen dezentral eingerichtet – nahe bei der Erzeugung der Biomasse. Die erzeugte Energie in Form von elektrischer Energie oder auch Bioerdgas (auf Erdgasqualität gebrachtes Biogas) kann wesentlich besser transportiert werden als die verwendete Biomasse. Ähnliches gilt für andere Biomasse und Holzabfälle. Allerdings erfolgt teilweise auch eine zentrale Nutzung z. B. von Holz in Kohlekraftwerken (→ Mitverbrennung).

Die Wasserkraft wird vor allem in großen Wasserkraftwerken gewonnen, und zwar teils in Laufwasserkraftwerken für Grundlaststrom und teils in Wasser-Speicherkraftwerken für Spitzenlast. Auch Gezeitenkraftwerke sind große Anlagen. Die dezentrale Wasserkraftnutzung ist ebenfalls möglich, jedoch tragen z. B. in Deutschland die Kleinwasserkraftwerke mit weniger als 1 MW nur knapp 10 % der Energiemengen bei, während etwas größere Anlagen mit 1 bis 10 MW ein Mehrfaches davon erbringen und die Anlagen mit mehr als 10 MW über die Hälfte. Speicherkraftwerke sind dezentral praktisch nicht realisierbar.

Geothermie (auch die tiefe Geothermie) wird bisher in eher kleinen Anlagen genutzt, die an bestimmte geeignete Standorte gebunden sind. Auch hier ergibt sich also natürlicherweise eine dezentrale Nutzung.

Es gibt diverse Zukunftspläne für eine Wasserstoffwirtschaft, die teilweise auf eher zentrale Strukturen setzen (etwa die großtechnische Wasserstofferzeugung mit Hochtemperaturreaktoren), teilweise aber auch auf dezentrale, bei denen viele dezentrale Erzeuger in ein landesweites Wasserstoffnetz einspeisen könnten. Auch hier würde der Einsatz erneuerbarer Energie eher dezentrale Ansätze begünstigen, während die Kernenergie zu zentralen Ansätzen passt.

Insgesamt gesehen erfordert die Nutzung erneuerbarer Energien in den meisten Fällen dezentrale Anlagen, deren Standorte sich oft nach den jeweiligen natürlichen Angebot von Energie richten müssen. Jedoch ist es durchaus auch denkbar, gezielt die besten Standorte für Großanlagen auszunutzen (z. B. große Windparks oder Solarkraftwerke) und die dort gewonnene elektrische Energie mit Hilfe starker Stromnetze (etwa einem europäischen Supergrid) auch zu weit entfernten Verbrauchern zu transportieren.

Energieeffizienz

Die Kraft-Wärme-Kopplung gelingt am besten bei einem mittleren Grad von Zentralität: nicht allzu kleine Einheiten, aber keine große räumliche Ausdehnung.

Eine erhöhte Energieeffizienz der Stromerzeugung in Wärmekraftwerken ist möglich durch Kraft-Wärme-Kopplung. Diese ist im Prinzip sowohl für dezentrale als auch für zentrale Kraftwerke möglich. Jedoch ist es bei Großkraftwerken oft schwierig, im näheren Umfeld die anfallenden riesigen Wärmemengen zu nutzen. Über Fernwärmeleitungen kann der Transport über einige Dutzend Kilometer erfolgen, aber auch damit sind die Nutzungsmöglichkeiten begrenzt. Wesentlich einfacher ist es, in dezentralen, verbrauchernahen Kleinanlagen anfallende Wärme über Nahwärmenetze zu verteilen. In diesem Sektor ermöglicht also die dezentrale Stromerzeugung oft einen Gewinn an Energieeffizienz.

Allerdings ist anzumerken, dass der für die Energieeffizienz besonders wichtige elektrische Wirkungsgrad bei kleinen Anlagen in der Regel kleiner ist als bei Großkraftwerken. Wenn beispielsweise mit Erdgas betriebene Anlagen verglichen werden, erreichen moderne große Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (GuD-Kraftwerke) Wirkungsgrade von ca. 60 %, während Erdgas-Blockheizkraftwerke je nach Größe eher bei 30 bis 40 % liegen. Selbst wenn 40 % elektrisch und zusätzlich 50 % thermisch erreicht werden, der Gesamtwirkungsgrad also 90 % ist, ist die gesamte Energieeffizienz nicht höher als die des GuD-Kraftwerks. Man beachte, dass der Stromanteil z. B. dreimal stärker gewichtet werden sollte, weil damit z. B. mit Wärmepumpen ca. die dreifache Wärmemenge erzeugt werden kann. Es kommt freilich auch auf die Nutzung der elektrischen Energie an: Wenn sie für Elektroheizungen eingesetzt wird, wird die höhere Wertigkeit der elektrischen Energie nicht genutzt, so dass deren stärkere Wertung keine Praxisrelevanz mehr hat.

Bei Kohlekraftwerken sind die Verhältnisse anders als bei Erdgas-Anlagen. In Kleinanlagen ist Kohle kaum nutzbar, aber in mittelgroßen Kraftwerken mit z. B. 50 bis 100 MW elektrischer Leistung. Hier erleichtern die kleineren Kraftwerke wieder die Kraft-Wärme-Kopplung und erreichen dann tatsächlich eine wesentlich höhere Energieeffizienz als Großkraftwerke. Allerdings gilt dies nicht mehr unbedingt als ein dezentraler Ansatz.

Die Kraft-Wärme-Kopplung wird nicht nur für zu große Einheiten erschwert, sondern auch durch zu kleine. Es gibt zwar Mikro-Blockheizkraftwerke für einzelne Wohnhäuser, aber eine gute Wirtschaftlichkeit ist mit einem gewissen Grad an Zentralisierung eher möglich – etwa mit einem größeren Blockheizkraftwerk für ein kleines Wohngebiet.

Nähe zu den Verbrauchern

Dezentrale Anlagen stehen häufig nahe bei den Verbrauchern. Dies vermindert die Transportwege für die gelieferte Energie und kann damit im Strombereich im Prinzip die benötigten Kapazitäten der Stromnetze vermindern. Allerdings erfüllt sich diese Hoffnung aus zwei Gründen nicht unbedingt:

Dezentral heißt nicht unbedingt verbrauchernah!

Verbrauchernahe Erzeugung bedeutet nicht zwingend weite Transportwege für Energie!

Aus diesen Gründen führt die Energiewende trotz zunehmender Dezentralisierung sogar zur Notwendigkeit eines gewissen Ausbaus der Stromnetze, auch von Hochspannungsleitungen.

Koordination

Für die vorwiegend zentrale Stromversorgung ist ein System aus großen Energieversorgungsunternehmen (EVU) und Übertragungsnetzbetreibern (ÜNB) entstanden. Auf dieser Ebene wird bis heute die Stromversorgung koordiniert. Die ÜNB kaufen auf dem Strommarkt elektrische Energie vor allem von großen EVU ein, allerdings zunehmend auch von kleinen Produzenten. Diese sorgen für die nötigen Kapazitäten des Übertragungsnetzes, welches sie betreiben. Sie beschaffen auch die Mengen von Regelenergie, die sie für die Frequenzregelung benötigen.

Dezentrale Stromerzeuger speisen bisher ihre Energie meist in unkoordinierter Art ein: unabhängig vom jeweiligen Strombedarf im Netz und ohne Lieferung von Regelenergie. Dies ist kein Problem, solange der Anteil der dezentralen Produzenten gering ist. Es wird zukünftig aber notwendig werden, die steuerbaren Kleinerzeuger gezielt nach dem Bedarf einzusetzen, um zunehmende fluktuierende Einspeisungen nutzen zu können. Nun ist es aber kaum praktikabel, dass die großen ÜNB hierfür direkt mit vielen Kleinerzeugern kommunizieren. Eine interessante Lösung ist der Zusammenschluss vieler kleiner Produzenten zu virtuellen Kraftwerken. Dieser Ansatz sollte es ermöglichen, das Stromnetz zukünftig auch mit einem sehr hohen Anteil dezentraler Erzeugungsanlagen sicher und wirtschaftlich zu betreiben.

Umweltbelastung

Dezentrale Anlagen, die erneuerbare Energie nutzen, verursachen in aller Regel eine deutlich niedrigere Umweltbelastung als konventionelle Großkraftwerke. (Ein Sonderfall sind Kernkraftwerke, die zwar im Normalbetrieb umweltfreundlich sind, aber diverse Risiken verursachen.) Ansonsten bedeutet dezentral aber nicht grundsätzlich eine höhere Umweltfreundlichkeit:

Die Kontrolle der Einhaltung von Umweltvorschriften ist bei dezentralen Anlagen schwieriger.

Um Umweltbelastungen v. a. bei Verwendung von Biomasse zu minimieren, ist eine staatliche Kontrolle nötig: Die Einhaltung von Umweltvorschriften und von Bedingungen für eine finanzielle Förderung müssen kontrolliert werden. Naturgemäß ist dies bei vielen kleinen dezentralen Anlagen schwieriger als bei Großkraftwerken. Dies führt beispielsweise zu dem Problem, dass vermutlich viele Biogasanlagen erhebliche Methanlecks aufweisen (z. B. durch nicht richtig abgedeckte Gärrestlager, durch Methanschlupf von Maschinen, etc.), die nicht leicht aufzuspüren sind.

Wirtschaftlichkeit

Die Kostendegression spricht im Prinzip für Großanlagen. Es gibt aber auch andere wirtschaftliche Aspekte.

Großanlagen weisen häufig eine Kostendegression auf: Die spezifischen Investitions- und Betriebskosten (z. B. in Euro pro Kilowatt) sind häufig niedriger als bei kleineren Anlagen derselben Art. Dies ist ein gewichtiger Grund für den Betrieb von Großkraftwerken. Allerdings ist die Stärke dieser Kostendegression stark von der jeweiligen Technologie abhängig und teilweise auch von den konkreten Umständen. Beispielsweise wirken die Kosten für Reservekapazitäten oder für ein Fernwärmenetz der Kostendegression entgegen, und bei Kernkraftwerken ist ein “inhärent sicherer” Betrieb eher bei kleineren Einheiten realisierbar, so dass große Kraftwerke teure Sicherheitsmaßnahmen anderer Art benötigen. Ein anderes Beispiel sind Blockheizkraftwerke mit Leistungen von wenigen Megawatt, die trotz viel geringerer Leistung ähnlich niedrige spezifische Investitionskosten aufweisen können wie große Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke.

Der Vergleich der Wirtschaftlichkeit von Großkraftwerken mit dezentralen Kraftwerken ganz anderer Art ist schwierig. Hierbei müssen viele Details berücksichtigt werden, beispielsweise die Verbrauchernähe, die Verfügbarkeit, die nötigen Reservekapazitäten, Erweiterungen oder Einschränkungen der Flexibilität für zukünftige Änderungen, sowie nicht zuletzt die oft schwer bezifferbaren Kostenrisiken für Brennstoffe. Hinzu kommen externe Kosten durch Umweltbelastungen und direkte wie indirekte Subventionen.

Besitzverhältnisse

Die Betreiber dezentraler Anlagen sind in aller Regel Privatleute oder kleine Firmen und Genossenschaften, oft auch Kommunen. Der Betrieb durch große Energieversorgungsunternehmen ist zwar möglich, bietet aber meist keine spezifischen Vorteile. Im Gegenteil entstehen eher Vorteile dadurch, dass die lokalen Verhältnisse von kleinen Betreibern besser berücksichtigt werden können.

Die Dezentralisierung der Energieerzeugung bewirkt damit einen Verlust der großen EVU an Umsatz und Bedeutung, während kleine Betreiber in ihrer Summe sehr an Bedeutung gewinnen. Dies hat vielfältige Implikationen. Eine demokratische Kontrolle ist auf dieser Ebene eher realisierbar. Beispielsweise können Stadtwerke eine dezentrale Energieversorgung so aufbauen, dass die lokalen Interessen gut berücksichtigt werden. Dagegen erfolgte in der Vergangenheit häufig weniger eine Kontrolle der großen EVU durch die Energiepolitik als umgekehrt die Steuerung der Politik gemäß den Interessen großer Konzerne. Ein anderer Aspekt ist, dass in erheblichem Umfang Investitionskapital für die Energiewende aufgebracht werden kann, wenn beispielsweise Bürgergenossenschaften aktiv werden.

Kombinierter Einsatz zentraler und dezentraler Anlagen

Ein Verwendung ausschließlich von zentralen Anlagen oder umgekehrt eine komplett dezentrale Energieversorgung wäre wenig praktikabel. Sinnvoll ist häufig die Nutzung der Technologie, die den jeweiligen Umständen am besten angemessen ist: beispielsweise dezentrale Windenergieanlagen an windgünstigen Standorten in der Umgebung größerer Verbraucher, zusätzliche große Windparks in besonders windgünstigen Gegenden, große Wasser-Speicherkraftwerke an dafür gut geeigneten Standorten und dezentrale Photovoltaikanlagen auf sonst nicht weiter nutzbaren Dachflächen. Hierbei können sich unterschiedliche Technologien oft gut gegenseitig ergänzen:

Diese Synergieeffekte kommen am besten zum Tragen, wenn ein ausgewogener Mix von Kraftwerken verwendet wird.

Siehe auch: Kraftwerk, Großkraftwerk, Energiewende, Energieeffizienz, Kraft-Wärme-Kopplung, virtuelles Kraftwerk, Supergrid
sowie andere Artikel in den Kategorien Energiepolitik, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

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