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Wie nutzt man erneuerbare Energien?

Energie Weg von der Kernenergie, hin zur Nutzung erneuerbarer Energien. Dieses Credo ist ein Element der Energiestrategie 2050. Damit das gelingen kann, stellen Industrie und Forschung schon heute wichtige Weichen. «Energie und Umwelt» schaute einigen über die Schulter.

Miriam Dibsdale

Wie soll die Schweizer Bevölkerung künftig mit elektrischer Energie versorgt werden? An sich handelt es sich dabei um ein sehr technisches Thema, das aber auch emotional diskutiert wird. Auf der einen Seite finden sich die Befürworter des Atomausstiegs, die mit der Gefährlichkeit nuklearer Technologien und dem Nachhaltigkeitsgedanken argumentieren. Auf der anderen Seite halten Kritiker des Ausstiegs dagegen, dass der Verzicht auf Atomstrom in der Praxis nicht funktioniert. Dies, weil erneuerbare Energien nicht die gleiche Versorgungssicherheit gewährten wie Kernenergie. Welchem Lager man auch angehören mag, Tatsache bleibt, dass die Schweiz sich vor vier Jahren zum Ausstieg bekannt hat – und seither grosse Anstrengungen unternommen werden, alternative Energiequellen zu erschliessen.

Dass diese Umstellung nicht reibungslos ablaufen wird, zeigen aktuelle Projekte, wie etwa das geplante Solarprojekt am Walensee. In einem stillgelegten Steinbruch in Quinten sollen die Felswände mit Solarpanels bestückt werden. Von der Lage am Walensee versprechen sich die Betreiber neben der direkten Sonneneinstrahlung auch einen positiven Effekt der Reflexion des Wasserspiegels, was der Produktion des Solarstroms zugute kommen soll. Klingt perfekt? Nicht wenn man Naturschützer fragt, wie etwa den Verein Pro Natura, der das Projekt ablehnt, aus Gründen des Landschaftsschutzes. Dieser Konflikt zeigt: Die Energiewende wird ihre Spuren hinterlassen, wortwörtlich.

Ideen für die Zukunft

Eine der entscheidenden Innovationstreiber im Bereich der Nutzung von erneuerbaren Energien sind die Schweizer Bildungsinstitutionen – allen voran die Fachhochschulen. Sie ermöglichen es Studierenden, sich mit realen Fragestellungen und Problemen auseinanderzusetzen. Die dadurch gewonnen Erkenntnisse werden nicht nur für die Industrie genutzt, sondern oft auch in Zusammenarbeit mit Unternehmen gezielt gefördert.

Eine dieser Bildungsstätten ist die School of Engineering der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW). Im Studiengang «Energie- und Umwelttechnik» forschen Studenten im Rahmen ihrer Abschlussarbeiten an markt- und systemrelevanten Ansätzen. Zum Beispiel wird in einer Arbeit der Ansatz analysiert, Energie aus Windparks in Tiefgewässern zu generieren – das Verfahren trägt den Namen «Deep Water Wind Farming». Die Idee: Ein schwimmender Offshore- Windpark soll effizient Energie liefern, dank Vernetzung der einzelnen Windturbinen. Die Aufgabestellung der Studentenarbeit beinhaltete unter anderem eine detaillierte Standortabklärung, die geeignete Gebiete für den schwimmenden Windpark aufzeigen soll. Andererseits sollte ein vereinfachtes Simulationsprogramm mit einem geeigneten Programm entwickelt werden, welches die auf das Netzwerk wirkenden Kräfte darstellt und somit eine allfällige «Achillesferse» der Idee offenlegt.

Wohin nun mit dem Windpark?

Als potenzielle Standorte für eine Installation eines schwimmenden Windparks – mit einer Wassertiefe von mindestens 200 Metern – kristallisierten sich die Atlantikküste Englands und Irlands, sowie die Westküste der Vereinigten Staaten heraus. Das Simulationsprogramm zur Abklärung der technischen Machbarkeit einer Windfarm mit 22 Windturbinen (Total 50.6 MW Leistung) beinhaltet momentan noch Vereinfachungen. Das Resultat liefert dennoch erste Anhaltspunkte und soll in einer weiterführenden Studie unter dynamischeren Bedingungen und komplexeren Kopplungen der 22 Windturbinen weiter untersucht werden. Bei normalen  Wetterverhältnissen (Wind 10 m/s, mittlere Wellenhöhe 1 m) werden die Taue und Anker des Netzwerks der Windturbinen mit Kräften von bis zu 60kN belastet. Je grösser der Windpark dimensioniert wird (Anzahl Windturbinen), desto mehr kommen die Vorzüge der Idee der Deep Water Windfarm zum Vorschein.

Die Generierung von erneuerbarem Strom ist aber nur ein Teil der Gleichung. Auf dem Weg hin zu einer nachhaltigeren Gesellschaft stellt sich auch die Frage, wie Schwankungen in der Verfügbarkeit ausgeglichen werden sollen. Denn die Nutzung von erneuerbaren Energien bringt oftmals eine Über-, bzw. Unterversorgung mit sich, insbesondere wenn ein Grossteil des Stroms durch Photovoltaik (PV) bereitgestellt wird. In einer weiteren Arbeit an der ZHAW wird darum ein kombiniertes Energieversorgungs- und Speicherkonzept untersucht. Dabei sollen PV-Anlagen entlang von Autobahnen und Fernverkehrsstrassen einerseits direkt elektrische Energie in die elektrischen Netze einspeisen und andererseits nahegelegene Elektrotankstellen versorgen. In Zeiten eines Überangebotes an Elektroenergie wird die erzeugte Energie durch Elektrolyse und Methanisierung in den chemischen Energieträger Methan umgewandelt. Das für die Methanisierung benötigte Kohlendioxid kann von Biogasanlagen bezogen werden. Wahlweise ist es nun möglich, das erzeugte Methan in das Erdgasnetz einzuspeisen oder direkt als Treibstoff an einer Tankstelle (kombinierte Gas-/Elektrotankstelle) abzugeben. Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des Projektes ist die konsequente Minimierung des Transportaufwandes für die Energieträger, was die Zahl möglicher Standorte einschränkt.

Im Rahmen der Arbeit wurden die geographische Lage der Verkehrswege, Biogasanlagen sowie Strom- und Erdgasverbundnetze gegenübergestellt. Dabei wurde deutlich, dass – wie vermutet – Verkehrswege und Verbundnetze meist parallel verlaufen müssten. Interessant ist, dass über 60 Prozent der untersuchten Landwirtschaftlichen Biogasanlagen innerhalb einer für die geplante Erschliessung wirtschaftlichen Distanz zu den Versorgungsstrecken von unter einem Kilometer angesiedelt sind. Alleine daraus ergibt sich ein wirtschaftlich nutzbares Potenzial von derzeit fünf Millionen Kubikmeter Methan pro Jahr, welches durch Umwandlung von elektrischer Energie für den Betrieb von Erdgasautos verwendet werden kann.