Will man im grossen Stil Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne oder Wind gewinnen, gibt es einige naturbedingte Einschränkungen. Dort, wo die meisten Menschen leben und den Strom brauchen, ist das Potenzial für Windkraft oder Solarenergie nicht immer so gross. Anders ist die Situation in Wüstenregionen wie der Sahara. Dort scheint zwar stets die Sonne, sodass auf einer relativ kleinen Fläche genug Energie erzeugt werden könnte, um die gesamte Menschheit mit Strom zu versorgen. Ähnlich verhält es sich mit der Windenergie. Zonen, wo konstant starker Wind weht, liegen meist in unwirtlichen Winkeln dieser Welt, wie Patagonien oder der Arktis. In beiden Fällen stellt sich die Frage, wie der Strom dorthin transportiert werden kann, wo er effektiv gebraucht wird?

Eine Lösung sehen Göran Andersson, ETH-Professor für Elektrische Energiesysteme, sein Doktorand Spyros Chatzivasileiadis sowie Damien Ernst von der Université de Liège in einem «Global Grid». Dazu haben sie ein Konzept erarbeitet, das soeben in der Fachzeitschrift «Renewable Energy» erschienen ist. Dieses liefert eine Vorstellung davon, wo die grössten Potenziale für Wind- und Sonnenenergie zu finden sind und wie ein weltumspannendes Übertragungsnetz angelegt werden müsste, damit der Strom zu den Verbrauchern gelangt.

Windenergie aus Grönland

Die Forscher identifizierten unter anderem die Gebiete der Erde, wo die Sonneneinstrahlung besonders hoch ist oder wo konstant hohe Winde vorherrschen. In ihrem Modell platzierten sie Sonnen- oder Windkraftwerke, die sie an bestehende Stromnetze anbinden. Daraus resultierte eine grobe Vorstellung wie das «Global Grid», das globale Übertragungsnetz, die Menschheit künftig mit sauberer Energie aus Wind- oder Solarkraftwerken versorgen könnte.

Als erstes Puzzleteil im Gesamtbild des globalen Stromnetzes setzen die drei Studienautoren einen Offshore-Windpark vor der Ostküste Grönlands. Dort sind die Bedingungen für ein grosses Windkraftwerk ideal: Durchschnittlich bläst ein Wind mit über 30 Stundenkilometern und das Meer ist wenig tief. Die drei Energieforscher gehen von einem Offshore-Windpark mit drei Gigawatt Leistung aus. Über Seekabel würde der Strom via Island und die Färöer-Inseln nach Schottland aufs Festland geführt werden. Bereits heute diskutieren die Regierungen Islands und Grossbritanniens darüber, diese Stromleitung zu realisieren, um geothermisch erzeugten Strom von Island auf die britischen Inseln zu transportieren.

Lieber lange Leitung als Stausee

Möglicherweise könnte der grönländische Windpark über eine weitere Tiefseeleitung von Grossbritannien aus auch mit dem Nordosten Kanadas und der USA verknüpft werden. Länge dieser Leitung: über 3200 Kilometer; ein Drittel davon wären Seekabel. Dies würde die Kosten pro gelieferte Kilowattstunde um bis zu einem Viertel erhöhen, hätte aber einen bedeutenden Vorteil: Die Zeiten des Spitzenverbrauchs in den USA sind gegenüber denjenigen Europas um mehrere Stunden verschoben. Damit wäre es möglich, beide Spitzenzeiten abzudecken, ohne dass die Windenergie in einem Pumpspeicherwerk wie zum Beispiel einem Stausee  «zwischengelagert» werden muss. Beginnt in den USA der Tag und setzt der Spitzenverbrauch ein, sinkt in Europa aufgrund der Tageszeit der Verbrauch bereits wieder ab. Dadurch könnte die Windenergie aus Grönland meist zu einem teureren Tarif verkauft werden, was die Anlage rentabler macht.

Gemäss ersten Schätzungen dürften die Durchleitungskosten für den Windstrom aus dem hohen Norden nicht viel höher liegen als bei Strom aus konventionellen Kraftwerken. Die Autoren schätzen, dass es im Jahr 2020 die USA teurer zu stehen kommt, wenn sie ihren eigenen Strom aus konventionellen Kraftwerken brauchen als den erneuerbaren Strom aus Europa, der im ostgrönländischen Windpark generiert werden könnte.

Technisch machbar

Technisch, sagt Spyros Chatzivasileiadis, sei das globale Stromnetz und die dazu gehörenden Kraftwerke grundsätzlich machbar. So gibt es bereits Technologien, die Strom mit niedrigen Verlusten über mehrere 1000 Kilometer transportieren. Das Verlegen von Seekabeln sei etabliert, schwimmende Offshore-Ölplattformen sind die technische Grundlage für den Bau von Offshore-Windkraftwerken.

Für die Stromübertragung über weite Distanzen wurde die Hochspannungs-Gleichstrom-Technologie (HVDC) entwickelt, die im grossen Stil bereits in China, aber auch in Brasilien, den USA und teilweise in Europa eingesetzt wird. Besonders in China werden sehr hohe Leistungen mit dieser Technologie übertragen. Dank ihr können die Übertragungsverluste – ungefähr drei Prozent pro 1000 Kilometer – minimiert werden.

Teures Geld gut investiert

Den Einwand, dass es viel zu teuer wäre, das globale Stromnetz zu realisieren, lässt ETH-Professor Andersson nicht gelten. Auch wenn Milliarden von Dollars nötig seien, um nur schon einen einzelnen Sektor des Netzes zu erstellen, seien die Investitionen vergleichbar mit denjenigen, die derzeit für den Auf- und Ausbau der Stromversorgung getätigt werden. Vorsichtige Schätzungen gehen davon aus, dass der Bau des Seekabelnetzes zur Übertragung des Stroms aus zahlreichen Windfarmen der Nordsee 70 bis 90 Milliarden Euro kosten wird.

Andersson rechnet aber damit, dass allfällige Investitionen in das «Global Grid» relativ rasch wieder eingespielt werden könnten. Die untermeerische Stromverbindung zwischen Norwegen und Holland, die seit 2008 in Betrieb ist, erzielte in den ersten beiden Betriebsmonaten einen Ertrag von 50 Mio. Euro, was einem Achtel des investierten Kapitals entspricht.

Anschluss nicht verpassen

Die ETH-Forscher sind auch zuversichtlich, dass gewisse technische Lücken, die derzeit die Realisierung des «Global Grid» erschweren würden, in den kommenden Jahren gefüllt werden können. So braucht es zum Beispiel noch ein 800-Kilovolt-Seekabel und einen Schalter, mit dem Gleichstrom von hoher Leistung unterbrochen werden kann. Für diese Probleme erwarten die Forscher aber demnächst Lösungen von der Industrie.

Was es aber vor allem noch braucht, sind mutige Investoren und eine grosse internationale Organisation, wie zum Beispiel OECD oder die Weltbank, die ein «Global Grid» unterstützt.

In ihrem Paper schlagen sie deshalb die Bildung einer Arbeitsgruppe vor, welche die Pläne des «Global Grid» weiterverfolgt. Die Vorteile eines «Global Grid» mit erneuerbaren Energien, aber auch die Risiken müssen gegeneinander abgewogen werden. So ist beispielsweise ein Solarkraftwerk in der Sahara derzeit politisch nicht machbar, da die Region im Kriegszustand ist.

«Es lohnt sich, das Thema breit zu diskutieren», findet Andersson. «Wenn wir in 50 Jahren saubere Energie wollen, dann müssen wir es heute anpacken.» Das europäische Stromnetz werde jetzt umgebaut, und die Integration der alternativen Energien dürfe nicht verpasst werden. Andersson und seine Mitarbeiter hoffen, dass sie mit ihrer Arbeit die Diskussion um ein globales Netz, das mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen gespeist wird, lancieren können.

Literaturhinweis

Chatzivasileiadis S, Ernst D, Andersson G. The Global Grid. Renewable Energy 2013. DOI: 10.1016/j.renene.2013.01.032