Grün ist das neue Schwarz

Ein am 11. Mai veröffentlichter Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) zeigt den bemerkenswerten Ausbau der erneuerbaren Energien im Jahr 2020. „Im Jahr 2020 stieg der Jahreszuwachs an erneuerbaren Energien um 45 Prozent auf fast 280 GW – der höchste Zuwachs im Jahresvergleich seit 1999“, so heißt es, und weiter: „erneuerbare Energien haben einen Anteil von 90 Prozent am weltweiten Ausbau neuer Stromkapazitäten.“

Vor dem Hintergrund immer wieder auftretender und teils extremer Umweltkatastrophen, die keinen Kontinent verschonen (Waldbrände, Wirbelstürme, Dürren, Überschwemmungen usw.) geht man davon aus, dass erneuerbare Energiequellen und die richtigen Speicherlösungen aus altbekannten und neu entdeckten Quellen eine zuverlässige, saubere Stromversorgung sicherstellen können.

Laut einer aktuellen Marktanalyse der IEA wird erwartet, dass die erneuerbaren Energien im Jahr 2025 die Kohle als Energiequelle überholen und zur größten Stromerzeugungsquelle werden. Dabei wird Wasserkraft ca. ein Drittel des Stromes liefern und fast die Hälfte der erneuerbaren Stromerzeugung ausmachen.

Schon im Altertum, lange bevor Elektrizität überhaupt bekannt war, wurden die ältesten erneuerbaren Energiequellen – mechanische Kraft aus Wasser und Wind – in Asien, dem Nahen Osten und Europa genutzt. Seit dem Mittelalter waren in Europa Wasserräder, die die Kraft von Flüssen (oder Gezeiten) nutzten, vor allem zum Mahlen von Getreide und für einige gewerbliche Anwendungen, weit verbreitet. Windmühlen wurden hauptsächlich zum Mahlen von Getreide und zum Pumpen von Wasser verwendet. Beide waren sehr weit verbreitet: Die Gesamtzahl der Mitte bis Ende des 19. Jahrhunderts in Betrieb befindlichen Wasserräder wurde auf 500.000 geschätzt, die der Windmühlen auf etwa 200.000.

Heutzutage sind Wasser- und Windkraft, die wichtigsten Quellen erneuerbarer Energieerzeugung, ihre direkten Erben. Wasserkraft liefert fast die Hälfte aller erneuerbaren Energie, gefolgt von Wind- und Sonnenkraft.

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Die Normungsarbeit der IEC zu Wasserkraft begann im frühen 20. Jahrhundert. Das erste IEC-Referenzdokument zu Wasserkraft erschien im Januar 1913.

IEC/TC 4 (Wasserturbinen) erarbeitet internationale Normen für Wasserkraft und ist dabei „verantwortlich für die Ausarbeitung, regelmäßige Überprüfung und Aktualisierung von Normen und Technischen Berichten, die die Ausführung, Herstellung und Sanierung, Inbetriebnahme, Installation, Prüfung, den Betrieb und die Wartung hydraulischer Maschinen, Speicherpumpen und Pumpturbinen sowie zugehöriger Ausrüstung im Zusammenhang mit der Entwicklung von Wasserkraftwerken behandeln.“

Wasserkraft ist die wichtigste und die am meisten verbreitete Quelle zur Erzeugung elektrischer Energie (etwa 17 bis 20 Prozent der Gesamterzeugung) und bei weitem die bedeutendste Quelle für erneuerbare Energie und deren Speicherung. Neben Wasserkraft aus Flüssen, Seen und Staudämmen gibt es eine weitere Möglichkeit der Enegiegewinnung aus Wasser – die Meeresenergie.

Im Jahr 2008 gründete die IEC das TC 114: Meeresenergie – Meeresströmungs-, Wellen- und Gezeiten-Kraftwerke (DKE/GK 385), um Normen für eben diese Systeme zu erarbeiten. Gezeitensperrwerke und Staudammanlagen werden dabei in diesem Kontext von IEC/TC 4 behandelt, nicht von IEC/TC 114.

Meeresenergietechnik: Zertifizierung stärkt das Vertrauen in Kraftwerke und deren Bestandteile

Unser Planet ist zu über 70 Prozent mit Wasser bedeckt. Wind, Gezeiten und Meeresströmungen machen die Meere zu einem nimmermüden Energiepaket. Meeresenergie könnte auf diese Weise erheblich zum globalen Energiemix beitragen.

Mit IEC TS 62600-4 liegt seit kurzem ein Dokument vor, das die Anforderungen an den Technologie-Qualifizierungsprozess für marine erneuerbare Technologien beschreibt.

Strom kann mit Onshore- und Offshore-Windenergieanlagen sowie mit Solar-Photovoltaik- und Solarthermie-Anlagen erzeugt werden. Letztere wandeln die Solarenergie mit Hilfe verschiedener Systemen in elektrische Energie um.

Wind und Solar-PV sind aktuell der günstigste Weg, neue Energieerzeugungsquellen zu erschließen. Die IEA stellte fest, dass im Jahr 2020 der Zuwachs bei „außergewöhnlichen 90 Prozent“ für Windkraftanlagen und bei „23 Prozent für neue Solar-PV-Anlagen“ lag.

Nach Wasserkraft ist elektrische Energie aus Wind derzeit die zweitgrößte Quelle erneuerbarer Energie und wächst stetig. Offshore-Windturbinen haben ein erhebliches Potenzial, sie profitieren von besseren Windverhältnissen als ihre Pendants an Land und können so deutlich mehr Volllaststunden erreichen. Auf internationaler Ebene erarbeitet das Gremium IEC/TC 88: Windenergieanlagen (DKE/K 383) hierzu entsprechende Normen und hat 41 Veröffentlichungen bis Mai 2021 herausgegeben.

Solar-PV- und Solarthermie-Anlagen erzeugen Strom aus der Sonnenenergie. Normen zu „Solar-PV-Anlagen“ werden von IEC/TC 82 (DKE/K 373) erarbeitet. Normen zu Solarthermie-Anlagen erarbeitet das Gremium IEC/TC 117 (DKE/K 374). Solar-PV kann auf Wohnhäusern und Dächern von Gewerbegebäuden, zum Beispiel von Messehallten, Lagerhallen, Flughäfen, installiert werden. Für Solarthermie sind besondere Installationsverfahren erforderlich.

Mini-PV-Anlagen: Normung für steckerfertige Erzeugungsanlagen

Eigentlich sind sie eine gute Sache: Steckerfertige Photovoltaik (PV)-Anlagen, auch bekannt unter den Begriffen „Balkon-PV“ oder „Mini-PV“.

Diese für den Hausgebrauch konzipierten PV-Anlagen ermöglichen auch Mietern, Strom aus Solarenergie in das Hausnetz einzuspeisen und den selbst erzeugten Strom direkt zu nutzen. Warum schmücken sie dann aber nicht Deutschlands Balkone?

Wind- und Solarenergieanlagen stehen einer Anzahl „menschlicher“ und technischer Herausforderungen gegenüber.

Insbesondere Windenergieanlagen (WEA), die im Landesinneren errichtet werden, stoßen auf den Widerstand von Anwohnern. Der Grund ist vor allem in der Optik begründet: Windräder werden aufgrund ihrer Ausmaße, die auch kontinuierlich weiter zunehmen, als störend empfunden. Die meisten Menschen sind sich über die Notwendigkeit, erneuerbare Energien zu erschließen, einig, aber nicht in der Nähe ihrer Wohnungen. Dies ist auch als „Sankt-Florians-Prinzip“ bekannt und bedeutet: „Not in my Backyard“ (NIMBY).

Der Anblick von Windkraftanlagen, manchmal auch mehrerer, in der Nähe von Häusern kann zu einem Wertverlust dieser Immobilie führen. Einige Anwohner beschweren sich außerdem über die Lärmbelästigung und über angebliche gesundheitliche Beeinträchtigungen durch niederfrequenten Lärm. Das Gremium IEC/TC 88 hat mit IEC 61400-11 eine Norm zu „Schallmessverfahren“ erarbeitet. Zu den angeblichen Gesundheitsrisiken durch niedrige Frequenzen gibt es bisher keine wissenschaftliche Bestätigung.

Offshore-Anlagen stoßen, mit Ausnahme einiger Ländern, auf weniger Widerstand. In Frankreich kam es zum Widerstand der Fischereiindustrie, was in einem Stopp der Installation von Windturbinen gipfelte und zu erheblichen Verzögerungen bei deren Inbetriebnahme führte. Die Hauptargumente des Widerstands waren die Beeinträchtung der Arbeit der Trawler, des Meeresbodens und der Fisch- und Schalentierbestände.

Die Gesamtzahl angeschlossener Offshore-Windenergieanalgen in europäischen Ländern Ende 2020 veranschaulicht dies: Es gab fast 2.300 in Großbritannien, 1.500 in Deutschland, etwa 550 in Dänemark und den Niederlanden ... keine in Frankreich.

Physikalische Hinderungsgründe, wie die Tiefe des Meeresbodens in einigen Ländern, sind ein weiterer einschränkender Faktor. Eine Lösung hierfür können schwimmende Windturbinen sein, die nicht durch die Tiefe des Meeresbodens eingeschränkt sind. IEC/TC 88 hat IEC/TS 61400-3-2:2019 erarbeitet – eine Technische Spezifikation zu „Auslegungsanforderungen für schwimmende Offshore-Windenergieanlagen“.

Airborne Wind Energy: Effizienzsteigerung durch Ressourceneinsparung

Flugwindkraftwerke nutzen das Potenzial der Höhenwinde optimal aus. Ihre Bauweise erfordert im Vergleich zu klassischen Windenergieanlagen deutlich weniger Material. Gleichzeitig zeichnen sich Airborne Wind Energy Systeme durch einen wesentlich höheren Auslastungsgrad aus.

Die nationale und internationale Normungsarbeit nimmt an der Schnittstelle zwischen der Idee und Umsetzung eine wichtige Rolle ein.

Bei einigen erneuerbaren Energiequellen gibt es das Problem schwankender Verfügbarkeit. Windturbinen (hauptsächlich Onshore-Anlagen) erzeugen keinen Strom, wenn kein Wind weht, Solar-Anlagen, wenn keine Sonne scheint, einschließlich nachts. Um Versorgung und Verbrauch im Netz auszugleichen, ist es notwendig, auf Anlagen, die kurzfristig Strom liefern können, wie Wärmekraft- oder kerntechnische Anlagen und auf Energiespeicher zurückzugreifen.

Pumpspeicherung ist die wichtigste Quelle für Energiespeicherung, bei der die Energie sofort zur Verfügung steht. Die Energie wird durch Pumpspeicherturbinen erzeugt. Bei geringem Strombedarf wird Wasser aus einem niedrig gelegenen Becken in ein höher gelegenes gepumpt. Während eines hohen Strombedarfs wird das Wasser aus dem letztgenannten abgelassen und mit Hilfe von Turbinen wird Strom erzeugt. 94 Prozent der weltweit vorhandenen Speicherkapazität entfallen auf Pumpspeicher. IEC/TC 4 erarbeitet die entsprechenden Normen für Pumpspeicheranlagen.

Zunächst erforderte die Pumpspeicherung besondere Bedingungen, die eher in der Nähe von Bergen zu finden sind, mit der Möglichkeit, Becken in verschiedenen Höhenlagen zu betreiben. Neuerdings gibt es den Trend, stillgelegte Bergwerksgruben auf unterschiedlichen Höhenlagen als Pumpspeicher zu nutzen. Zuletzt wurde dies in Australien und Deutschland umgesetzt.

Eine andere wesentliche Quelle zum Speichern elektrischer Energie sind Batterien. IEC/TC 21: Akkumulatoren (DKE/K 371), erarbeitet dabei Normen für alle Arten von Batterien, die zur Energiespeicherung verwendet werden, einschließlich stationärer Batterien (Blei-Säure-Batteien, Lithium-Ionen-Batterien und NiCad/NiMH-Batterien) und Durchflussbatterien.

Mit der Einführung von Elektrofahrzeugen werden immer mehr dieser Batterien recycelt werden müssen. So steigen viele Organisationen und Unternehmen in das Thema Batterierecycling ein. IEC/TC 120: Elektrische Energiespeichersysteme (DKE/K 261), erarbeitet Normen zu netzintegrierten EES-Systemen, wobei der Schwerpunkt auf Systemaspekten liegt, weniger auf Energiespeichergeräten.

Eine weitere Möglichkeit zur Energiespeicherung sind solarthermische Anlagen, die Wärme erzeugen, die in Salzschmelzen oder einer Wärmeträgerflüssigkeit gespeichert wird. Bei hohem Bedarf wird diese Wärme zur Stromerzeugung genutzt, indem Dampfturbinen angetrieben werden. Internationale Normen hierzu erarbeitet das Gremium IEC/TC 5: Dampfturbinen.

Angesichts des sich beschleunigenden Umstiegs auf saubere Energie wird die Internationale Kommission für elektrotechnische Normung, die seit über einem Jahrhundert Normen zu erneuerbaren Energiequellen und Speicherlösungen erarbeitet, auch in den kommenden Jahrzehnten eine essenzielle Rolle spielen.

Redaktioneller Hinweis:

Der englischsprachige Originalartikel erschien erstmals auf etech.iec.ch in der Ausgabe 03/2021.
Zu finden unter: https://etech.iec.ch/issue/2021-03/green-is-the-new-black

Die im Text aufgeführten Normen können Sie beim VDE VERLAG erwerben.

In der alltäglichen und gesellschaftlichen Diskussion ist sie ein ebenso großes Thema wie in der DKE – die Rede ist von der Energie. Unsere Normungsexperten bringen ihr Wissen aber nicht nur ein, um die Energieversorgung und -verteilung zukünftig „smart“ und dezentral zu machen, sondern leisten einen ebenso hohen Beitrag für den Betrieb elektrischer Anlagen und bei der flächendeckenden Verbreitung erneuerbarer Energien. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im