LOW←TECH MAGAZINE Deutsch

Wie entkommt man der Eisenzeit?

Fri, 06 Sep 2024 00:00:00 +0000

Bild: Stahlbewehrung für das Betonfundament einer Windkraftanlage in Gilliam County, USA. Foto von Goose Chap, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Gefangen in der Eisenzeit

Im Jahr 1836 unterschied der dänische Antiquar und Kurator Christian Jürgensen Thomsen drei prähistorische Epochen auf der Grundlage der vorherrschenden Materialien für Waffen und Schneidewerkzeuge: die Steinzeit, die Bronzezeit und die Eisenzeit.¹ Thomsens Klassifizierung bezieht sich zwar auf die Vergangenheit, aber folgte man heute seinen Kriterien, hätten wir uns nie über die Eisenzeit hinaus entwickelt. Auch im 21. Jahrhundert ist Eisen immer noch das vorherrschende Material, nicht nur für Waffen und Schneidewerkzeuge, sondern für fast alle modernen Technologien.

Heute verwenden wir das meiste Eisen in Form von Stahl. Nach den Kriterien von Thomsen kann man jedoch nicht von einem “Stahlzeitalter” sprechen. Erstens ist Stahl lediglich eine Legierung aus Eisen (>98%) und Kohlenstoff (<2%). Zweitens hat der Mensch seit dem Beginn der Eisenzeit Stahl hergestellt. Diese Tatsache ist in der westlichen Welt kaum bekannt, da die Stahlproduktion erst im neunzehnten Jahrhundert mit Hilfe fossiler Brennstoffe in Gang kam. Asiatische und afrikanische Metallurgen entwickelten jedoch schon viel früher hochwertige Stähle, und dieses Wissen ermöglichte es den Europäern schließlich, dasselbe zu tun - und zwar in einem viel größeren Maßstab.²

Bis 2021 wird die weltweite Eisen- und Stahlproduktion 1.950 Millionen Tonnen (Mt) erreichen. Das ist 22 Mal mehr als die kombinierte Aluminium- und Kupferproduktion (88 Mio. t). Die globale Eisen- und Stahlproduktion entspricht dem Fünffachen der globalen Kunststoffproduktion (391 Mio. t) und stellt die weltweite Produktion von Silizium (8,5 Mio. t) und Lithium (0,1 Mio. t) in den Schatten.³⁴ Stahl ist das grundlegende Material der Industriegesellschaften. Ohne Kunststoffe, Lithium oder Silizium würden wir uns immer noch in einer Industriegesellschaft befinden. Ohne Eisen und Stahl würden wir 3.000 Jahre in die Bronzezeit zurückgeworfen werden.

Wo steckt der ganze Stahl?

Die massive Präsenz von Stahl in der Industriegesellschaft ist nicht so offensichtlich.⁵ Im Haushalt finden wir verschiedene Stahlgeräte wie Kühlschrank, Waschmaschine, Wasserkocher, Badewanne sowie Koch-, Heiz- und Kühlgeräte. Allerdings werden nur 2-3 % der gesamten Stahlproduktion für Haushaltsgeräte verwendet.⁶⁷⁸ Im Freien sehen wir viel Stahl in Form von Fahrzeugen. Dabei handelt es sich vor allem um Personenkraftwagen, die weltweit etwa 10 % des gesamten Stahls verbrauchen (20 % in den reichen Ländern). Busse, Lastwagen, Züge und Schiffe tragen weitere 4-5 % bei. Alles in allem sind das immer noch weniger als 20 % der weltweiten Stahlproduktion.

Der meiste Stahl ist in andere Materialien eingebettet, befindet sich unter der Erde oder weit entfernt von Wohngebieten.

Der meiste Stahl ist in andere Materialien eingebettet, befindet sich unter der Erde oder weit entfernt von Wohngebieten. Mehr als die Hälfte der weltweiten Stahlproduktion wird für den Bau von Gebäuden (Wohn-, Geschäfts- und Industriegebäude) und Infrastruktur verwendet (Brücken, Tunnel, Häfen, Kanäle, Start- und Landebahnen, Ölplattformen, Raffinerien, Pipelines, Kraftwerke, Übertragungsleitungen, Eisenbahnen, U-Bahnen usw.). Ein großer Teil dieses Stahls ist in Beton eingebettet. Stahlbeton ist das wichtigste Baumaterial der Welt, und Beton ist das einzige Material, das mit der Produktion von Stahl mithalten kann (1.819 Mio. Tonnen im Jahr 2021).

Etwa 15 % der weltweiten Stahlproduktion werden für die Herstellung von Maschinen verwendet, darunter Werkzeugmaschinen, Industrieausrüstungen, elektrische Geräte sowie Bau-, Bergbau- und Landwirtschaftsmaschinen. Auch Produkte aus anderen Materialien - wie andere Metalle, Kunststoffe und Holz - werden mit Stahlwerkzeugen geformt.⁵ Die letzten 15 % der Stahlproduktion landen in einer Vielzahl von Gegenständen, von Schrauben über Lebensmittelverpackungen bis hin zu Möbeln und Schiffscontainern.⁶⁷⁸

Bild: Stahlbeton ist das wichtigste Baumaterial der Welt. Loch auf der Interstate 84, US. Foto von Tony George, Oregon Department of Transportation, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Der ökologische Fußabdruck der Stahlindustrie

Stahl wird oft als einer der nachhaltigsten Werkstoffe dargestellt. Im Gegensatz zu Kunststoffen kann Stahl ohne Qualitätseinbußen recycelt werden. Die Stahlindustrie hat große Fortschritte bei der Energieeffizienz gemacht, größere als viele andere Branchen. Für die Herstellung einer Tonne Rohstahl werden heute durchschnittlich etwa 20 Gigajoule (GJ) Primärenergie benötigt - dreimal weniger als 1950⁹, was im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie Aluminium (175 GJ/t), Kunststoffen (80-120 GJ/t) oder Kupfer (45 GJ/t) sehr günstig ist.⁷ Im Gegensatz zu Kunststoffen ist Stahl biologisch abbaubar.¹⁰ Und schließlich ist Eisenerz nicht knapp. Es macht 5 % der Erdkruste aus und Eisen steht in der Reihe der Häufigkeit nach Massenanteil an vierter Stelle unter den Elementen.¹¹ Zum Vergleich: Kupfer macht nur 0,01 % aus.⁵

Trotz all dieser Vorteile verbraucht die Eisen- und Stahlindustrie weltweit mehr Energie und erzeugt mehr Kohlenstoffemissionen als jede andere Branche. Der gesamte Primärenergieverbrauch der Rohstahlerzeugung lag im Jahr 2021 bei 39 Exajoule (EJ), was 7 % der gesamten in diesem Jahr weltweit verbrauchten Energie entspricht (595 EJ). Die Treibhausgasemissionen sind sogar noch höher, da etwa 75 % des Energieverbrauchs aus Kohle stammen - dem Brennstoff mit den höchsten Kohlenstoffemissionen. Im Jahr 2021 verursachte die Eisen- und Stahlindustrie 3,3 Gt Kohlenstoffemissionen, was etwa 9 % der weltweiten Emissionen (36,3 Gt) entspricht.¹² Die Betonindustrie folgt mit 8 % dicht dahinter.

Die Eisen- und Stahlindustrie verbraucht mehr Energie und erzeugt mehr Kohlenstoffemissionen als jede andere Industrie.

Die obigen Schätzungen stammen von der World Steel Association und der Internationalen Energieagentur. Diese Daten sind für alle Metalle verfügbar und wurden über einen langen Zeitraum dokumentiert, so dass historische Vergleiche möglich sind. Sie beziehen sich jedoch nur auf die Verhüttung des Metalls. Sie enthalten nicht den Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen für den Abbau und den Transport von Eisenerz, Kohle, Kalkstein, Schrott und Stahlprodukten. Auch die Energie und die Emissionen für die Koksproduktion und die Erzaufbereitung, die für den Stahlherstellungsprozess unerlässlich sind, werden nicht berücksichtigt.⁷

Wissenschaftliche Studien, die die Effekte aus der Eisen- und Stahlindustrie höher veranschlagen, kommen zu dem Schluss, dass die Energiekosten der Stahlproduktion um 50 % bis 100 % höher zu veranschlagen sind.¹³ Ein Bericht kommt zu dem Schluss, dass allein die Methanemissionen aus der metallurgischen Kohleförderung die Emissionen um 27 % erhöhen könnten. Eine andere Studie schätzt, dass der Transport von Eisenerz und Stahl auf dem Seeweg 10-15 % zusätzliche Emissionen verursacht.¹⁴¹⁵ Die Eisen- und Stahlproduktion verursacht auch andere Umweltprobleme, wie hohen Wasserverbrauch, die Erzeugung fester Abfälle und eine erhebliche Luft- und Wasserverschmutzung.

Der Kohlenstoff-Fußabdruck der Eisen- und Stahlindustrie ist mit den derzeitigen Bestrebungen, die Netto-Kohlenstoffemissionen bis 2050 zu eliminieren, unvereinbar, zumal die Stahlproduktion höchstwahrscheinlich weiter steigen wird. Die Stahlproduktion hat sich seit 1950 verzehnfacht und zwischen 2000 und 2020 verdoppelt und ist damit schneller gewachsen, als viele Forscher vorhergesagt hatten.¹⁶ Außerdem sind die Effizienzgewinne zurückgegangen, und es besteht ein wissenschaftlicher Konsens darüber, dass die derzeitigen Technologien ihre thermodynamischen Grenzen erreicht haben.⁷⁹¹⁷ In den letzten zwei Jahrzehnten lag der durchschnittliche Energieverbrauch für die Produktion von einer Tonne Stahl bei etwa 20 GJ/t.⁹¹⁸

Wie kann man Stahl ohne fossile Brennstoffe herstellen?

Es gibt zwei Arten der Stahlerzeugung, von denen die eine wesentlich nachhaltiger ist als die andere.¹⁹ Zum einen gibt es den Hochofen, heute mit dem Sauerstoffblasverfahren, in dem Stahl aus Eisenerz und Kohle hergestellt wird. Diese Technologie ist - in ihrer wesentlichen Form - 2000 Jahre alt. Auf der anderen Seite gibt es den Elektrolichtbogenofen, in dem Stahl aus Stahlschrott und Strom hergestellt wird. Der Elektrolichtbogenofen, eine relativ neue Technologie, verbraucht viel weniger Energie als der Hochofen, nutzt eine wiederverwertbare Ressource (es muss kein Eisenerz abgebaut werden) und arbeitet ohne den direkten Einsatz von Kohle oder anderen fossilen Brennstoffen (der Strom kann durch Sonnen-, Wind- oder Atomkraft erzeugt werden).

Die energieeffizientesten Elektrolichtbogenöfen verbrauchen heute weniger als 300 Kilowattstunden Strom pro Tonne produzierten Stahls.⁹²⁰ Hätten wir hypothetisch den gesamten Stahl im Jahr 2021 (1.950 Mio. t) in solchen Öfen produziert, hätte der gesamte Stromverbrauch der globalen Eisen- und Stahlindustrie nur 585 Terawattstunden (TWh) betragen. Das entspricht gerade einmal einem Drittel der gesamten Stromerzeugung durch Windkraftanlagen weltweit im selben Jahr (1.848 Twh). Leider wurden mehr als 70 % der weltweiten Stahlproduktion in Hochöfen hergestellt, die mit Kohle und Eisenerz beschickt wurden.⁹²⁰ Ein Hochofen verbraucht zwanzigmal mehr Energie und kann nicht mit Strom betrieben werden, da Kohle sowohl der Brennstoff als auch das chemische Reduktionsmittel ist. Bei der Verbrennung von Kohle entsteht Kohlenmonoxid, das das Eisen aus dem Erz reduziert.⁷

Nicht genug Schrott vorhanden

Die Lösung scheint auf der Hand zu liegen, wir sollten den gesamten Stahl in Elektrolichtbogenöfen herstellen. Doch das ist unmöglich. Es gibt nicht genug Schrott: Das kontinuierliche Wachstum der weltweiten Stahlproduktion macht einen Kreislauf der Ressourcen unmöglich.²¹ Es dauert Jahrzehnte, bis der meiste Stahl für das Recycling zur Verfügung steht. So lagern beispielsweise 543 Mio. t Stahl in Schiffen.²² Der im Jahr 2021 für das Recycling verfügbare Schrott entspricht dem Produktionsniveau von 1965, als die weltweite Stahlproduktion weniger als ein Viertel der heutigen betrug (450 Mio. t).⁹¹⁰¹⁵²³ Folglich müssen die anderen drei Viertel in Hochöfen mit Kohle und frisch abgebautem Eisenerz hergestellt werden.

Bild: Autos zum Abwracken im Hafen von Cardiff. Gareth James via Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0).

Heutzutage produziert China etwa die Hälfte des weltweiten Stahls, und zwar fast ausschließlich (>90 %) in Hochöfen unter Verwendung von Kohle und Eisenerz. Viele andere stahlerzeugende Länder haben einen höheren Anteil an Elektrolichtbogenöfen. Es macht jedoch wenig Sinn, mit dem Finger auf China zu zeigen. Erstens haben die USA und Europa seit den 2000er Jahren viele ihrer Industrien nach China ausgelagert, ein Trend, der der wachsenden Stahlproduktion in diesem Land genau entspricht. Außerdem wurde in China vor zwanzig bis vierzig Jahren kaum Stahl verwendet. Folglich gibt es fast keinen Schrott mehr. China hat keine andere Wahl als den Einsatz von Hochöfen.²⁴

Immer hochwertigere Stahlsorten

Ein zweites Hindernis ist die kontinuierliche Entwicklung hochwertigerer Stahlsorten. Inzwischen gibt es über 2.500 verschiedene Stahlsorten mit unterschiedlichen Eigenschaften, z. B. erhöhter Festigkeit, Toleranz gegenüber hohen Temperaturen oder Korrosionsbeständigkeit.⁷⁹²³²⁵ Diese höherwertigen Stähle können zwar in Elektrolichtbogenöfen hergestellt werden, aber sie werden nicht aus Schrott gewonnen und haben einen wesentlich höheren Energiebedarf.

Der für das Recycling verfügbare Stahl besteht aus einer Mischung von Stahlsorten. Diese Mischung eignet sich für die Herstellung von unlegiertem Stahl, nicht aber für hochlegierte Stähle, für die Schrott mit ähnlichen Eigenschaften erforderlich ist. Dieser Schrott ist jedoch nicht verfügbar. Bei Edelstahl, der meistproduzierten Spezialstahlsorte, liegt die Recyclingquote beispielsweise bei nur 15 %. Im Jahr 2021 wurden fast 60 Mio. Tonnen rostfreier Stahl hergestellt, 1980 waren es nur 4 Mio. Tonnen.²⁶ Traditionell wurde rostfreier Stahl für Besteck, chirurgische Werkzeuge sowie medizinische und lebensmittelverarbeitende Geräte verwendet. Inzwischen wird er jedoch auch beim Bau von Tunneln und Außenmöbeln, bei der Abwasserbehandlung, der Meerwasserentsalzung, der Kerntechnik und der Herstellung von Biokraftstoffen verwendet.⁷

Die geringe Recyclingrate und die Notwendigkeit der Gewinnung zusätzlicher Elemente wie Chrom und Nickel machen die Herstellung höherer Stahlsorten energieintensiver. Für die Herstellung von rostfreiem Stahl werden beispielsweise fast 80 GJ pro Tonne benötigt, das ist viermal mehr als für die Herstellung von normalem Kohlenstoffstahl.⁷²³ Die kontinuierliche Entwicklung höherwertiger Stähle wird durch Umweltvorschriften (wie die Verwendung von leichterem Stahl in Autos) und durch die Konkurrenz anderer Materialien, vor allem Aluminium und Kunststoffverbundwerkstoffe, gefördert.⁷⁹²³²⁵ Ironischerweise führt die Konkurrenz mit diesen Materialien, die noch mehr Energie verbrauchen, dazu, dass Stahl immer weniger nachhaltig ist.

Stahl und erneuerbare Energie

Die Stahlindustrie ist in hohem Maße von der Energieversorgung abhängig, aber die Energieversorgung ist auch in hohem Maße von der Stahlindustrie abhängig. Fast 10 % der weltweiten Stahlproduktion fließen in den Aufbau und die Instandhaltung der Energieversorgungsinfrastruktur. Diese Menge entspricht der gesamten Stahlproduktion des Jahres 1950. Ein großer Teil dieses Stahls geht in die Gas- und Ölinfrastruktur.²⁷ Für die Förderung, Produktion und den Transport von Öl und Gas wird Stahl für Offshore-Bohrinseln, Pipelines, Raffinerien, Tanker und Lagertanks benötigt. Der Kohlebergbau ist auf Stahl für Schrämmaschinen, Lader, Förderbänder, Bagger und Lastwagen angewiesen.⁷

Leider wird die geplante Umstellung auf kohlenstoffarme Energiequellen und die Elektrifizierung von Heiz- und Verkehrstechnologien unsere Abhängigkeit von der Stahlindustrie nicht verringern - im Gegenteil. Ein kohlenstoffarmes Stromnetz erfordert viel mehr Stahl (und andere Materialien) als eine auf fossilen Brennstoffen basierende Infrastruktur. Wind- und Sonnenenergie sind im Vergleich zu fossilen Brennstoffen sehr diffuse Energiequellen. Daher wird viel mehr Material (und Land) benötigt, um die gleiche Energie zu erzeugen. Im Fachjargon haben Wind- und Solarenergie eine geringe “Volumenleistungsdichte” oder eine hohe “Materialintensität”.²⁸²⁹³⁰³¹³².

Ein kohlenstoffarmes Stromnetz benötigt viel mehr Stahl als eine auf fossilen Brennstoffen basierende Infrastruktur.

Die “Stahlintensität” thermischer Gas- und Kohlekraftwerke liegt zwischen 50 und 60 Tonnen Stahl pro Megawatt installierter Leistung.³³ Wasserkraftwerke haben mit 20-30 Tonnen Stahl pro MW eine geringere Stahlintensität.⁷³³ Die Stahlintensität der Atomkraft ist mit 20 bis 40 Tonnen Stahl pro installiertem MW ebenfalls geringer.³³³⁴ Andererseits erfordert die Photovoltaik zwischen 40 und 170 Tonnen Stahl pro installiertem MW.³³³⁵ Obwohl die Solarmodule selbst wenig oder gar keinen Stahl enthalten, ist er für die Strukturen, die sie tragen, das Material der Wahl.

Stahl und Windkraft

Die mit Abstand stahlintensivste Energiequelle ist die moderne Windkraftanlage. Die Stahlintensität einer Windturbine hängt von ihrer Größe ab. Eine einzelne große Windturbine benötigt deutlich mehr Stahl pro Megawatt installierter Leistung als zwei kleinere Windturbinen.³⁶ Eine 3,6-MW-Windturbine mit einem 100 Meter hohen Turm benötigt beispielsweise 335 Tonnen Stahl (83 Tonnen/MW), während eine 5-MW-Windturbine mit einem 150 Meter hohen Turm 875 Tonnen Stahl (175 Tonnen/MW) benötigt.³⁷ Der Trend geht zu höheren Windturbinen und einer höheren Stahlintensität.

Bild: Stahltürme für Windkraftanlagen im Hafen von Rotterdam. Foto: Melle Smets.

Der Stahlverbrauch steigt bei Offshore-Windturbinen weiter an. Während Onshore-Windkraftanlagen für ihre Fundamente auf Stahlbeton angewiesen sind, benötigen Offshore-Windturbinen massive Stahlkonstruktionen wie Monopiles und Jackets.³⁸ Die Stahlintensität von Offshore-Windturbinen wird auf rund 450 Tonnen pro MW für eine 5-MW-Turbine berechnet - achtmal höher als die Stahlintensität eines Wärmekraftwerks.³⁶ Je höher die Windturbinen werden und je weiter sie in tiefere Gewässer vordringen, desto höher ist ihr Stahlverbrauch.

Die derzeit gängigste Offshore-Windturbine hat eine Leistung von 7 MW, während die größten eine Leistung von 14 MW haben.³⁶ Bei einer vorsichtigen Schätzung auf der Grundlage der obigen Daten (die Stahlintensität verdoppelt sich bei jeder Verdoppelung der Leistung) würde eine 14-MW-Offshore-Windturbine 1.300 Tonnen Stahl pro MW oder insgesamt 18.200 Tonnen erfordern. Eine solche Windturbine verbraucht also 24-mal mehr Stahl als ein Kohle- oder Gaskraftwerk mit der gleichen Leistung.

Kürzere Lebensdauer

Der Unterschied zwischen erneuerbaren Energiequellen und fossilen Brennstoffen wird noch größer, wenn die Stahlintensität pro Energieeinheit und nicht pro Leistung berechnet wird (MWh statt MW). Im Gegensatz zu Kohle- und Gaskraftwerken ist die Leistung von Wind- und Solarkraftwerken wetterabhängig, und sie erreichen nicht immer ihre maximale Leistung. Daher erfordert der Ersatz von 1 MW fossiler Stromerzeugungskapazität die Installation von (durchschnittlich) 4 MW Solarenergie oder 2 MW Windkraft.³⁹ Eine 14-MW-Offshore-Windturbine hat somit eine Stahlintensität, die für jede erzeugte Kilowattstunde Strom fast 50 Mal höher ist als die eines fossilen Kraftwerks.⁴⁰

Bei einer 14-MW-Offshore-Windturbine ist die Stahlintensität für jede erzeugte Kilowattstunde Strom fast 50 Mal höher als bei einem fossilen Kraftwerk.

Solar- und Windkraftanlagen haben auch eine kürzere Lebensdauer (20-30 Jahre) als Wärmekraftwerke (30-60 Jahre)³¹, was sich zwar nicht auf die Stahlintensität pro MW installierter Leistung auswirkt, aber die Stahlintensität pro erzeugter Energieeinheit im Laufe der Zeit erhöht. Dies führt nicht immer zu einer Verdoppelung des Stahleinsatzes, da Fundamente für Offshore-Windturbinen und Strukturen für Solarpaneele eine längere Lebensdauer haben können als die Energiequellen, die sie tragen, und somit wiederverwendet werden können.⁴¹

Infrastruktur für die Energieübertragung

Die oben genannten Daten umfassen nur den in den Kraftwerken selbst verwendeten Stahl. Bei Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, ist der Stahl, der in Pipelines, Bohrinseln, Kohlebaggern und dergleichen verwendet wird, nicht berücksichtigt. Das Gleiche gilt aber auch für die kohlenstoffarmen Energiequellen. Da sie viel mehr Ressourcen benötigen als Wärmekraftwerke (Stahl, aber auch andere Metalle und Materialien), sind sie auf eine globale Bergbau- und Transportinfrastruktur angewiesen, die ebenso stahlintensiv ist wie die Lieferkette für fossile Brennstoffe.

Da es sich bei den Kraftwerken für erneuerbare Energie um eher diffuse Energiequellen mit unregelmäßiger und unvorhersehbarer Stromerzeugung handelt, die oft weit von den Energieverbrauchszentren entfernt sind, ist der Ausbau der Übertragungsinfrastruktur erforderlich. Diese Infrastruktur basiert ebenfalls auf Stahl - von Schaltanlagen über Türme bis hin zu Leitungskabeln.²⁸²⁹³⁰³¹³²⁴²

Schließlich haben kohlenstoffarme Energiequellen auch einen hohen Bedarf an speziellen Stahlsorten, deren Herstellung energieintensiver ist. Der Stahl für Offshore-Windturbinen muss korrosionsbeständig sein, und für die Trägerstrukturen von Solarpaneelen wird zunehmend rostfreier Stahl verwendet.⁴³ Elektrischer Lamellenstahl (Eisen-Silizium) ist für Transformatoren im Stromnetz unverzichtbar.⁷ Kernkraftwerke haben zwar eine relativ geringe Stahlintensität, bestehen aber vollständig aus energieintensiven Spezialstählen. So wird zum Beispiel für die Ummantelung der Brennelemente, die spaltbares Uran enthalten, Zirkoniumstahl benötigt, während alle Strukturelemente aus austenitischem Edelstahl bestehen.⁷⁴⁴

Kohlenstoffarme Netze können nicht aus recyceltem Stahl hergestellt werden

Die hohe Stahlintensität kohlenstoffarmer Energiequellen konfrontiert uns mit einem Dilemma, einer Situation, in der es scheinbar keinen Ausweg aus einem Problem gibt, egal was wir tun. Wir brauchen viel mehr Stahl, wenn wir Wärmekraftwerke durch erneuerbare Kraftwerke ersetzen. Da nicht genügend Stahlschrott zur Verfügung steht, können wir diesen zusätzlichen Stahl nur aus Eisenerz in Hochöfen herstellen, die fossile Brennstoffe verbrennen. Um den Klimawandel zu bekämpfen, müssen wir schnell und in großer Zahl kohlenstoffarme Energiequellen schaffen. Um jedoch zirkuläre Materialflüsse zu erreichen und kohlenstoffarme Energiequellen aus Schrott und erneuerbarem Strom zu schaffen, müssten wir das Gegenteil tun: den Aufbau eines kohlenstoffarmen Stromnetzes verlangsamen.

Bild: Stahlfundamente für off-shore Windturbinen. Foto von Glen Wallace, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Eine viel zitierte Studie aus dem Jahr 2013 kam zu dem Schluss, dass bei einer Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie von 25.000 TWh - was dem gesamten weltweiten Strombedarf im Jahr 2021 entspricht - allein für den Bau der Kraftwerke etwa 3.200 Mio. t Stahl benötigt werden.³³⁴⁵ 2050 wird der weltweite Strombedarf voraussichtlich auf 52.000 bis 71.000 Terawattstunden steigen, was den zusätzlichen Stahlbedarf auf 6.400 bis 8.960 Mio. t erhöhen würde.⁴⁶ Über die Lebensdauer von Solarzellen und Windturbinen (25 Jahre) verteilt, müssten wir 256 bis 358 Mio. Tonnen Stahl pro Jahr zusätzlich produzieren, um Windturbinen und Solarzellenstrukturen herzustellen - vergleichbar mit dem Stahlbedarf für Personenkraftwagen (195 Mio. Tonnen) und andere Verkehrsträger (98 Mio. Tonnen) zusammen.

Das ist immer noch eine sehr optimistische Schätzung. Der Strombedarf macht nur etwa 20 % des gesamten Energiebedarfs aus. Wenn der gesamte Energiebedarf (177.000 Twh im Jahr 2021) durch Wind- und Solarenergie gedeckt würde, bräuchten wir 22.400 Mio. t Stahl. Das sind zusätzliche 896 Mio. t Stahl pro Jahr - so viel wie die weltweite Produktion in den frühen 2000er Jahren. Man könnte argumentieren, dass Strom effizienter genutzt werden kann als fossile Brennstoffe, zum Beispiel in Autos und Heizungsanlagen. Gleichzeitig wird jedoch erwartet, dass die Gesamtenergienachfrage weiter ansteigt, was die Gewinne aus der Steigerung der Energieeffizienz zunichte macht.

Die Hightech-Lösungen

Die Stahlindustrie setzt auf technologische Lösungen, um die Stahlproduktion kohlenstoffneutral zu gestalten. Eine Möglichkeit besteht darin, Kohle durch Gas zu ersetzen, ein Ansatz, der im Nahen Osten und in Nordamerika bereits üblich ist. Die Stahlerzeugung mit Gas führt zu etwas geringeren Kohlenstoffemissionen, die aber immer noch viel höher sind als beim Elektrolichtbogenofen. Daher gilt die meiste Aufmerksamkeit dem Wasserstoff, der gereinigte Kohle (Koks) als Reduktionsmittel in einem Direktreduktionsschachtofen ersetzen kann.⁴⁷ Die wasserstoffbasierte Stahlerzeugung bietet jedoch keinen Ausweg aus der Zwickmühle, da sie den Bedarf an einer stahlintensiven Infrastruktur weiter erhöht.

Die Herstellung von Wasserstoff ist sehr energieintensiv. Für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff werden 50-55 Kilowattstunden und für die Herstellung von 1 Tonne Stahl 60 kg Wasserstoff benötigt.⁴⁷ Für die Herstellung von 1 Tonne Stahl aus Wasserstoff werden also 3.000 kWh Strom verbraucht, was zehnmal höher ist als der Stromverbrauch eines Elektrolichtbogenofens, der Stahl aus Schrott herstellt. Folglich werden für die wasserstoffbasierte Stahlerzeugung etwa zehnmal mehr Windturbinen und Solarpaneele benötigt als für die Stahlerzeugung aus Schrott - und damit zehnmal mehr Stahl. Hinzu kommt noch der Stahl für den Bau der Pipelines und Speichertanks, die Teil der Wasserstoffinfrastruktur sind.

Bild: Arbeiter in einem Hochofen. Bundesarchiv, B 145 Bild-F079044-0020 / CC-BY-SA 3.0.

Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung, bei der die Kohlenstoffemissionen von Stahlwerken abgeschieden und dann unterirdisch gelagert werden, steht vor denselben Problemen. Sie erfordert eine Stahlinfrastruktur und zusätzliche Energie und erhöht damit indirekt den Verbrauch fossiler Brennstoffe. Die Rückkehr zu älteren, vorindustriellen Stahlherstellungsprozessen ist ebenfalls keine Lösung. Der heutige Hochofen ist im Wesentlichen immer noch der Hochofen aus früheren Jahrhunderten, nur viel energieeffizienter.⁷

Die Lowtech-Lösungen

Das oben gezeichnete Bild scheint wenig Hoffnung auf eine kohlenstoffneutrale Stahlerzeugung und Stromproduktion zu machen. Es gibt jedoch eine Low-Tech-Lösung, die dies erreichen könnte. Wir könnten die Stahlproduktion an das verfügbare Schrottangebot anpassen, sowohl was die Menge als auch die Qualität betrifft. Das würde es uns ermöglichen, den gesamten Stahl aus Schrott in Elektrolichtbogenöfen zu produzieren, was den Energieverbrauch drastisch reduzieren und fast alle Kohlenstoffemissionen eliminieren würde. Natürlich darf es nicht darum gehen, Stahl durch Kunststoffverbundwerkstoffe und Aluminium zu ersetzen, da deren Herstellung noch energieintensiver ist. Die einzige Lösung besteht darin, den Materialeinsatz insgesamt zu reduzieren.

Wir könnten die Stahlproduktion sowohl quantitativ als auch qualitativ an das verfügbare Schrottangebot anpassen

Eine Verringerung der Stahlproduktion und die Verwendung gängigerer Stahlsorten würde uns nicht in die Bronzezeit zurückversetzen. Wie bereits erwähnt, waren im Jahr 2021 weltweit etwa 450 Mio. Tonnen Altmetallschrott verfügbar, mit denen wir etwa ein Viertel der derzeitigen Stahlproduktion herstellen könnten. Darüber hinaus wird das Schrottangebot in den nächsten 40 Jahren weiter ansteigen, so dass wir jedes Jahr mehr und mehr emissionsarmen Stahl produzieren können. Bis 2050 wird das Schrottangebot voraussichtlich auf etwa 900 Mio. t ansteigen, was fast der Hälfte der heutigen weltweiten Stahlproduktion entspricht.⁴⁸ All dieser zusätzliche Stahl könnte in den Ausbau des kohlenstoffarmen Stromnetzes investiert werden, ohne zunächst die Emissionen zu erhöhen.

Es gibt viel Spielraum, um die Stahlintensität der modernen Gesellschaft zu verringern. Alle unsere Grundbedürfnisse - und mehr - könnten mit viel weniger Stahl gedeckt werden. Wir könnten zum Beispiel Autos leichter machen, indem wir sie kleiner bauen. Das würde Energieeinsparungen mit sich bringen, ohne dass energieintensiver Edelstahl benötigt wird. Wir könnten Autos durch Fahrräder und öffentliche Verkehrsmittel ersetzen, so dass sich mehr Menschen weniger Stahl teilen. Solche Veränderungen würden auch den Bedarf an Stahl im Straßennetz, in der Energieinfrastruktur und in der verarbeitenden Industrie verringern. Wir würden weniger Werkzeugmaschinen, Schiffscontainer und Stahlbetongebäude benötigen. Wann immer die Stahlintensität verringert wird, wirken sich die Vorteile kaskadenartig auf das gesamte System aus. Die Vermeidung von Korrosion und die Herstellung von Stahl aus lokalen Ressourcen würde auch den Energieverbrauch und die Emissionen senken.¹⁰¹⁴

Das kontinuierliche Wachstum der Stahlproduktion - die zunehmende Stahlintensität der menschlichen Gesellschaft - macht eine nachhaltige Stahlproduktion unmöglich. Keine Technologie kann daran etwas ändern, denn es ist kein technologisches Problem. So wie die Forstwirtschaft nur dann nachhaltig sein kann, wenn die Holznachfrage das Holzangebot nicht übersteigt, hängt die Nachhaltigkeit von Stahl vom Gleichgewicht zwischen (Schrott-)Angebot und (Stahl-)Nachfrage ab. Vielleicht können wir dem Eisernen Zeitalter nicht entkommen, aber wir haben die Möglichkeit, dem Dilemma zu entkommen, das die Stahlproduktion untrennbar mit fossilen Brennstoffen verbindet.⁴⁹

Thomsen, Christian Jürgensen. “Cursory View of the Monuments and Antiquities of the North.” Guide to Northern Archaeology by the Royal Society of Northern Antiquaries of Copenhagen (1848): 25-104. See also: Eskildsen, Kasper Risbjerg. “Christian Jürgensen Thomsen (1788–1865): Comparing Prehistoric Antiquities.” History of Humanities 4.2 (2019): 263-267. And: Briggs, C. Stephen. “From Genesis to Prehistory: the archaeological Three Age System and its contested reception in Denmark, Britain, and Ireland. By Peter Rowley-Conwy. 226mm. Pp xix+ 362, 55 b&w ills. Oxford: Oxford University Press, 2007. ISBN 9780199227747.£ 65 (hbk).” The Antiquaries Journal 88 (2008): 474-478. ↩︎
Geplanter Artikel, Kris De Decker, Low-tech Magazine. Abonnieren sie den Newsletter von Low-tech Magazine. ↩︎
Idoine, N. E., et al. “World mineral production 2017-21.” (2023). https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/534316/1/WMP_2017_2021_FINAL.pdf ↩︎
Katz-Lavigne, Sarah, Saumya Pandey, and Bert Suykens. “Mapping global sand: extraction, research and policy options.” (2022). https://repository.uantwerpen.be/docman/irua/1428b3/183490cc.pdf ↩︎
Colás, Rafael, and George E. Totten, eds. Encyclopedia of iron, steel, and their alloys (Online version). CRC Press, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://www.steelonthenet.com/consumption.html. Meanwhile the data on this page have been updated for 2023. ↩︎ ↩︎
Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Steel in buildings and infrastructure”, World steel association. https://worldsteel.org/steel-topics/steel-markets/buildings-and-infrastructure/ ↩︎ ↩︎
Conejo, Alberto N., Jean-Pierre Birat, and Abhishek Dutta. “A review of the current environmental challenges of the steel industry and its value chain.” Journal of environmental management 259 (2020): 109782. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Zwischen 25 und 33% der jährlichen Stahlproduktion wird nach Beginn der Nutzung durch Verrosten zerstört. Siehe: Iannuzzi, M., and G. S. Frankel. “The carbon footprint of steel corrosion.” npj Materials Degradation 6.1 (2022): 101. https://www.nature.com/articles/s41529-022-00318-1.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Iron”, Encyclopedia Britannica ↩︎
The potential of hydrogen for decarbonising steel production. European Parliament: https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/BRIE/2020/641552/EPRS_BRI(2020)641552_EN.pdf ↩︎
Lenzen, Manfred, and Christopher Dey. “Truncation error in embodied energy analyses of basic iron and steel products.” Energy 25.6 (2000): 577-585. & Oda, Junichiro, et al. “International comparisons of energy efficiency in power, steel, and cement industries.” Energy Policy 44 (2012): 118-129. Both found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
“Pedal to the metal”, Caitlin Swalec, Global Energy Monitor, June 2022. https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/06/GEM_SteelPlants2022.pdf ↩︎ ↩︎
Yellishetty, Mohan, P. G. Ranjith, and A. Tharumarajah. “Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable?.” Resources, conservation and recycling 54.12 (2010): 1084-1094. ↩︎ ↩︎
Siehe zum Beispiel: Hatayama, Hiroki, et al. “Outlook of the world steel cycle based on the stock and flow dynamics.” Environmental science & technology 44.16 (2010): 6457-6463. This paper predicted steel demand to reach 1.8 billion tonnes only by around 2025. ↩︎
De Beer, Jeroen. Potential for industrial energy-efficiency improvement in the long term. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013. ↩︎
Wang, R. Q., et al. “Energy saving technologies and mass-thermal network optimization for decarbonized iron and steel industry: A review.” Journal of Cleaner Production 274 (2020): 122997. ↩︎
Etwa 5% des Stahls weltweit wird mit einer dritten Methode produziert: Gasbasierte direkte Eisenreduktion. Diese Öfen verwenden Gas anstelle von Kohle und haben daher geringere Kohlenstoffemissionen. Allerdings sind die Emissionen immer noch viel höher als beim Elektrolichtbogenofen. Die gasbasierte Stahlerzeugung findet hauptsächlich im Nahen Osten und in Nordamerika statt. ↩︎
He, Kun, and Li Wang. “A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 70 (2017): 1022-1039. This source gives a value of 1-1.5 GJ/ton of crude steel. ↩︎ ↩︎
Dies ist auch bei vielen anderen Materialien der Fall. Siehe: “How circular is the circular economy?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, November 2018. https://qelnixcor.cloud/2018/11/how-circular-is-the-circular-economy/ ↩︎
Kong, Xianghui, et al. “Steel stocks and flows of global merchant fleets as material base of international trade from 1980 to 2050.” Global Environmental Change 73 (2022): 102493. ↩︎
ODPADKA, PROIZVODNJA JEKLA IZ JEKLENEGA. “Scrap-based steel production and recycling of steel.” Materiali in tehnologije 34.6 (2000): 387. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Im Westen vollzog sich die Ausweitung der Stahlverwendung über einen Zeitraum von 150 Jahren, parallel zur technologischen Entwicklung. Im Gegensatz dazu hat China diese technologische Entwicklung in nur wenigen Jahrzehnten komprimiert: Schifffahrt und Eisenbahn, Elektrifizierung, Stahlgebäude, Auto und Flugzeug, Internet und erneuerbare Energietechnologien. Es gibt immer noch große Teile der Welt, in denen die Stahlintensität der Gesellschaft sehr gering ist, wie in Indien und Afrika. Es gibt also noch viel Raum für das Wachstum der Stahlproduktion. Quelle: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
AHHS Application Guidelines, WorldAutoSteel. ahssinsights.org/news/intro ↩︎ ↩︎
Sverdrup, Harald Ulrik, and Anna Hulda Olafsdottir. “Assessing the long-term global sustainability of the production and supply for stainless steel.” BioPhysical Economics and Resource Quality 4 (2019): 1-29. ↩︎
Conseil, Laplace. “Impacts of energy market developments on the steel industry.” 74th Session of the OECD Steel Committee, Paris, France (2013). Found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Deetman, Sebastiaan, et al. “Projected material requirements for the global electricity infrastructure–generation, transmission and storage.” Resources, Conservation and Recycling 164 (2021): 105200. ↩︎ ↩︎
How (Not) to Run a Modern Society on Solar and Wind Power Alone, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. https://qelnixcor.cloud/2017/09/how-not-to-run-a-modern-society-on-solar-and-wind-power-alone/ ↩︎ ↩︎
Kleijn, René, et al. “Metal requirements of low-carbon power generation.” Energy 36.9 (2011): 5640-5648. ↩︎ ↩︎
Weißbach, Daniel, et al. “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants.” Energy 52 (2013): 210-221. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chen, Zhenyang, Rene Kleijn, and Hai Xiang Lin. “Metal requirements for building electrical grid systems of global wind power and utility-scale solar photovoltaic until 2050.” Environmental Science & Technology 57.2 (2022): 1080-1091. ↩︎ ↩︎
Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Energy”, American Iron and Steel Institute. https://www.steel.org/steel-markets/energy/ ↩︎
“Steel is the power behind renewable energy”, Arcelor Mittal. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy#:~:text=Steel%3A%20a%20key%20material%20in%20a%20less%20carbon%2Dintensive%20world&text=Without%20steel%2C%20none%20of%20the,Schrijver%2C%20CEO%20of%20ArcelorMittal%20Projects. ↩︎
Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Gervásio, Helena, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 2: Life cycle analysis.” Engineering structures 74 (2014): 292-299. & Rebelo, Carlos, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 1: Structural design.” Engineering structures 74 (2014): 283-291. ↩︎
Assessing the significance of steel to the global wind industry, S&P Global, Commodity Insights. December 2021. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/research-analysis/assessing-the-significance-of-steel-to-the-global-wind-industry.html ↩︎
Bolson, Natanael, Pedro Prieto, and Tadeusz Patzek. “Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources.” Proceedings of the National Academy of Sciences 119.52 (2022): e2205429119. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205429119 ↩︎
Dieses Ergebnis stimmt gut überein mit Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎
Bei Offshore-Windturbinen wird die Lebensdauer der Fundamente auf 100 Jahre geschätzt, so dass sie im Prinzip für Ersatz-Windturbinen der gleichen Größe dienen könnten. Andererseits ist es nicht selbstverständlich, dass diese Stahlfundamente irgendwann recycelt werden. Erstens können durch das Recycling des Metalls nur etwa 10 % der Stilllegungskosten wieder hereingeholt werden, was bedeutet, dass es wirtschaftlich und vielleicht sogar energetisch nicht interessant ist, dies zu tun. Zweitens hat sich in einigen Fällen das Meeresleben um die Fundamente herum entwickelt. Die vier Offshore-Windparks, die 2019 stillgelegt wurden, waren 15, 18, 20 und 26 Jahre in Betrieb. Quelle: Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎
https://www.fedsteel.com/insights/steels-role-in-the-us-power-infrastructure/ ↩︎
https://industry.arcelormittal.com/products-solutions/Products_in_the_spotlight/magnelis ↩︎
Maziasz, Philip J., and Jeremy T. Busby. Properties of austenitic stainless steels for nuclear reactor applications. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2012. ↩︎
Ein Teil davon ist bereits gebaut worden. Die Forscher gehen von der Solar- und Windstromproduktion im Jahr 2013 aus, die 400 TWh betrug, während beide Stromquellen im Jahr 2021 2.894 TWh produzierten. ↩︎
Electricity consumption worldwide from 2000 to 2022, with a forecast for 2030 and 2050, by scenario. Statista. https://www.statista.com/statistics/1426308/electricity-consumption-worldwide-forecast-by-scenario/#:~:text=According%20to%20a%20recent%20forecast,on%20the%20energy%20transition%20scenario ↩︎
Bhaskar, Abhinav, et al. “Decarbonizing primary steel production: Techno-economic assessment of a hydrogen based green steel production plant in Norway.” Journal of Cleaner Production 350 (2022): 131339. ↩︎ ↩︎
Scrap use in the steel industry, World Steel Association. May 2021. https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-on-scrap_2021.pdf ↩︎
Eine weitere Motivation, die Stahlintensität der modernen Gesellschaft zu verringern, ist die Begrenzung der Folgen geopolitischer Konflikte. Je mehr Stahl wir für friedliche Zwecke produzieren, desto mehr Stahl wird für Krieg und Zerstörung verfügbar. Es ist bemerkenswert, dass die Produktion von Rüstungsgütern in den modernen Stahlstatistiken nicht vorkommt, und wenn sie erwähnt wird, ist ihr Anteil sehr gering. In Kriegszeiten stellen die Stahlwerke jedoch auf die Produktion von Stahl für militärische Zwecke um. Die Stahlindustrie kann also jederzeit in eine Waffenindustrie umgewandelt werden, und es stehen heute viel mehr Stahlproduktionskapazitäten zur Verfügung als je zuvor in der Geschichte. ↩︎

Manche Lichter anlassen: eine Neudefinition der Sicherheit der Energieversorgung

Sun, 09 Dec 2018 00:00:00 +0000

Es ist unmöglich, eine stetige Versorgung mit einem endlichen Gut dauerhaft aufrechtzuerhalten.Image: [Camilla MP](https://www.flickr.com/photos/dieknochenblume/8454004839/in/photolist-nJrNa3-z9St6d-vicpX8-bjNYMa-CNWajb-PKUbFu-8TqWZX-qzaoch-r3Gb3J-28jYUV3-p3gMD1-snwVj-2chyArN-4ehCVH-cWuLz-dT3Z78-pnFKK9-5qGDSP-hxU2d7-24uoKVs-f7CoCe-93ZqZQ-jPMVaK-T4yoN-4HiX59-97Kq68-23hFdSw-jE59uD-9aFpr7-68DbEo-NvymKZ-335BtT-8RtT65-a6Jut4-nt2zNy-qrkSGP-HPM9ee-bcdyA2-5Fy731-FGSpvq-eqKSpH-8jGFmq-qcFSw4-6USSog-dJEYby-jk3JQ2-7BMzWV-jetX2F-hLnHJy-5SHzAW).

Während eine Gesellschaft für ihr tägliches Funktionieren mehr und mehr von Energiequellen abhängt, wird sie für Unterbrechungen der Energieversorgung anfälliger. Diese offensichtliche Tatsache wird in den aktuellen Strategien zur Sicherheit der Energieversorgung ignoriert, was diese Strategien kontraproduktiv macht.

Was bedeutet „Sicherheit der Energieversorgung“?

Was bedeutet es für eine Gesellschaft, einen Zustand der “sicheren Energieversorgung” zu erreichen? Obwohl es mehr als vierzig verschiedene Definitionen dieses Konzepts gibt, haben sie alle das grundsätzliche Kriterium gemein, dass das Angebot an Energieversorgung immer die Nachfrage nach Energie erfüllen sollte. Das impliziert auch, dass die Energieversorgung konstant sein soll - es darf keine Versorgungsunterbrechungen geben. ¹ ² ³ ⁴ Die internationale Energieagentur (IEA, international energy agency) definiert Sicherheit der Energieversorgung beispielsweise als “die ununterbrochene Verfügbarkeit von Energiequellen zu einem günstigen Preis”; das US-Ministerium für Energie und Klimawandel (DECC, department of energy and climate change) definiert das Konzept durch die Bedeutung, dass “die Risiken der Unterbrechung der Energieversorgung niedrig” sein sollen; und die EU definiert sie über eine “stabile und üppige Versorgung mit Energie”. ⁵ ⁶ ⁷

Historisch wurde eine Sicherheit der Energieversorgung über die Sicherung des Zugangs zu Wäldern und Torfmooren für thermische Energie, und zu Menschen-, Tier-, Wind- oder Wasserkraft als Quellen für mechanische Energie hergestellt. Mit dem Beginn der industriellen Revolution verschob sich der Begriff der Sicherheit der Energieversorgung zur Versorgung mit fossilen Brennstoffen. Als theoretisches Konzept ist die Sicherheit der Energieversorgung am engsten verbunden mit den Ölkrisen der 1970er Jahre, als Embargos und Preismanipulationen die Verfügbarkeit von Ölprodukten in westlichen Staaten begrenzten. Es ist eine Folge dieser Zeit, dass die meisten Industriestaaten immer noch Ölreserven in Höhe eines mehrmonatigen Verbrauchs vorhalten.

Obwohl das Öl für industrialisierte Länder vor allem für den Transport- und Agrarsektor so wichtig ist wie in den 1970ern, hat man inzwischen erkannt, dass Sicherheit der Energieversorgung in modernen Gesellschaften auch mit anderen Infrastrukturen zu tun hat, zum Beispiel denen zur Versorgung mit Gas, Strom und sogar Daten. Darüberhinaus sind diese Infrastrukturen in zunehmendem Maße verbunden und hängen voneinander ab. Gas ist zum Beispiel ein wichtiger Brennstoff zur Stromgewinnung, während Stromversorgung zum Betrieb von Gaspipelines notwendig ist. Das Stromnetz ist eine Voraussetzung zum Betrieb von Datennetzen, und Datennetze sind nötig, um Stromnetze zu verwalten.

Das Stromnetz ist eine Voraussetzung zum Betrieb von Datennetzen, und Datennetze sind nötig, um Stromnetze zu verwalten.

Dieser Artikel untersucht das Konzept der Sicherheit der Energieversorgung mit einem schwerpunktmäßigen Blick auf das Stromnetz, welches für industrialisierte Gesellschaften genauso lebenswichtig geworden ist wie Öl. Die Elektrifizierung wird außerdem als ein Weg gesehen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren - man denke nur an Elektroautos, Wärmepumpen und Windkraftwerke.

Die “Sicherheit” oder “Zuverlässigkeit” eines Stromnetzes kann mit Indikatoren der Kontinuität genau bestimmt werden, so wie zum Beispiel der Wahrscheinlichkeit des Lastverlusts (LOLP, loss-of-load probability) und dem Index für durchschnittliche Systemunterbrechungsdauer (SAIDI, system average interruption duration index). Mithilfe dieser Indikatoren kann man nur zum Schluss kommen, dass die Stromnetze in industrialisierten Ländern sehr sicher sind. In Deutschland beispielsweise ist elektrische Energie 99,996% der Zeit verfügbar, das bedeutet eine Unterbrechung der Versorgung für weniger als eine halbe Stunde pro Kunde pro Jahr. ⁸ Selbst die Länder mit der schlechtesten Verfügbarkeit in Europa (Lettland, Polen, Litauen) haben Versorgungsunterbrechungen von nur acht Stunden pro Kunde pro Jahr, was einer Verfügbarkeit von 99,90% entspricht. ⁸ Das Stromnetz der USA liegt zwischen diesen beiden Werten, mit Unterbrechungen von weniger als vier Stunden pro Kunde pro Jahr (99,96% Verfügbarkeit). ⁹

Wie sicher ist ein Stromnetz mit erneuerbaren Energien?

So wie die Infrastrukturen derzeit betrieben werden, leben wir mit der Vorstellung, dass Kunden Zugang zu soviel Strom, Gas, Öl, Daten oder Wasser haben können und auch sollen, wie sie möchten, wann sie möchten, und wie lange sie möchten. Die einzige Bedingung ist, dass sie die Rechnung bezahlen. Wenn wir uns den Versorgungssektor anschauen, ist diese Vision von Sicherheit der Energieversorgung aus verschiedenen Gründen ziemlich problematisch. Zunächst einmal sind die meisten Quellen, auf denen sich die Stromversorgung aufbaut, endlich - und es ist natürlich nicht möglich, eine stetige Versorgung mit einem endlichen Gut auf Dauer aufrechtzuerhalten. Auf lange Sicht muss diese Strategie zur Aufrechterhaltung eine sicheren Energieversorgung versagen. Auf kürzere Sicht kann sie das Klima schädigen und bewaffnete Konflikte herbeiführen.

Die internationale Energieagentur (IEA), welche nach der ersten Ölkrise in den frühen 1970er Jahren gegründet wurde, fördert den Einsatz von erneuerbaren Energiequellen, um die Energieversorgung zu diversifizieren, also auf mehrere Beine zu stellen, und langfristig so ihre Sicherheit zu verbessern. Ein Stromnetz mit erneuerbaren Energien ist weder abhängig von Energieimporten aus dem Ausland, noch empfindlich gegenüber Manipulationen der Treibstoffpreise - welche in einer Infrastruktur basierend auf fossilen Brennstoffen zu den Hauptsorgen gehören. Solarpanels und Windkraftwerke haben natürlich eine begrenzte Lebensdauer und müssen hergestellt werden, wozu auch Ressourcen erforderlich sind, welche aus dem Ausland kommen oder die selbst irgendwann erschöpft sein können. Sobald sie installiert sind, sind erneuerbare Energiesysteme aber “sicher” auf eine Weise und für eine Zeitspanne, wie das für fossile Brennstoffe (und auch für Atomenergie) nicht der Fall ist.

Erneuerbare Energiequellen bedeuten grundsätzliche Herausforderungen für das aktuelle Verständnis von Sicherheit der Energieversorgung

Darüberhinaus bieten Solar- und Windenergie mehr Sicherheit gegen Systemausfälle und Sabotage, und dies sogar noch mehr, wenn die Systeme dezentralisiert sind. Kraftwerke für erneuerbare Energie haben niedrigere laufende CO2-Emissionen als fossil betriebene. Durch den Klimawandel verursachte Extremwetterereignisse bedrohen selbst auch die Sicherheit der Energieversorgung. Trotz all dieser Vorteile bedeuten erneuerbare Energiequellen aber auch grundsätzliche Herausforderungen für das aktuelle Verständnis der Versorgungssicherheit. Am wichtigsten dabei ist die Feststellung, dass die Energiequellen mit dem größten Potenzial - Sonne und Wind - nur mit Unterbrechungen verfügbar sind und außerdem vom Wetter und den Jahreszeiten abhängen. Das bedeutet, dass Sonnen- und Windenergie nicht das Kriterium erfüllen, welches alle Definitionen von Sicherheit der Energieversorgung für essenziell halten: die Notwendigkeit ununterbrochener und unbegrenzter Verfügbarkeit von Energie.

Image: [Eduard Bezembinder](https://www.flickr.com/photos/bezembinder/3560945758/in/photolist-6qEM7w-7urQui-iSeKZ-8VjqeD-dUgKQ-e4ybCy-eke2Zk-ekeCdc-eke4NV-qBE1z-6Dfw5n-68EJKh-ekk6Rs-qBE2V-NqkS-oWp8Du-psYQc1-pCDop-5JSFFH-9fr321-oguPbE-6pZ6MT-dZ9YLx-vhpHJb-3oeLdu-69J2h1-7hatWp-d26CpQ-27dVzAC-5BEpZz-sUBfz-7B8zeq-HkygG-bHhG5R-2UoYjD-bRCZnx-o1e2oL-4LcBmy-69vhwD-ekz9ec-bLqreV-5jtvAp-2GUCLK-GpCny7-s36gn-dy6aBU-8moRHP-8rrRxd-5BJJyC-8KdmGR).

Die Zuverlässigkeit eines Stromnetzes mit hohem Anteil von Solar- und Windenergie läge signifikant niedriger als die heutigen Standards zur Verfügbarkeit. ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ ¹⁴ In einem solchen erneuerbaren Stromnetz könnte eine Stromversorgung rund um die Uhr nur zu sehr hohen Kosten gewährleistet werden, da dazu eine umfangreiche Infrastruktur für Energiespeicherung, -Übertragung und Spitzenlastkapazität nötig wären. Durch diese zusätzliche Infrastruktur könnte die Nachhaltigkeit eines erneuerbaren Stromnetzes zunichte gemacht werden, denn oberhalb einer bestimmten Schwelle werden für den Aufbau, die Installation und Wartung dieser Infrastruktur größere Mengen an fossiler Energie aufgewendet, als durch den Betrieb der Solarpanels und Windkraftwerke über ihre Lebendauer eingespart werden können.

Quellen erneuerbarer Energie wie Wind und Sonne haben Vorteile, die von den gängigen Definitionen von Sicherheit der Energieversorgung nicht erfasst werden

Unterbrechungen sind nicht der einzige Nachteil erneuerbarer Energiequellen. Obwohl viele Medien und Umweltorganisationen ein Bild von Solar- und Windenergie als hochverfügbare Energiequellen zeichnen (“die Sonne strahlt in einer Stunde mehr Energie auf die Erde, als auf der ganzen Welt in einem Jahr verbraucht wird”), ist die Wirklichkeit komplexer. Die Brutto-Verfügbarkeit von Sonnen- und Windenergie ist in der Tat enorm. Aufgrund ihrer niedrigen Energiedichte werden aber um Größenordnungen mehr Material und Fläche gebraucht als bei fossilthermischen Kraftwerken, um diese Energie nutzbar zu machen, und zwar selbst dann noch, wenn der Bergbau und Transport der fossilen Brennstoffe diesen zugerechnet wird. ¹⁵ Daher kann ein erneuerbares Stromnetz selbst bei optimalen Wetterbedingungen nicht garantieren, dass Verbraucher Zugang zu soviel elektrischer Energie erhalten wie sie wollen.

Wie sicher ist ein Inselnetz?

Die heutigen Regeln für Energieversorger versuchen, drei Ziele unter einen Hut zu bringen: eine ununterbrochene und unbegrenzte Stromversorgung, günstige Verbraucherstrompreise und Nachhaltigkeit. Ein Stromnetz, welches hauptsächlich auf fossilen Brennstoffen und Atomenergie aufgebaut ist, kann das Nachhaltigkeitsziel nicht erreichen, und es kann die anderen Ziele nur solange erreichen, wie ausländische Zulieferer die Versorgung aufrechterhalten und die Preise der Grundstoffe konstant halten (oder solange, bis die nationalen oder internationalen Reserven erschöpft sind).

Ein Stromnetz basierend auf erneuerbaren Energiequellen kann diese drei Ziele aber genausowenig in Einklang bringen. Um eine uneingeschränkte 24/7-Verfügbarkeit zu erreichen, muss die Infrastruktur überdimensioniert werden, wodurch sie teuer und weniger nachhaltig wird. Ohne eine solche Infrastruktur könnte ein erneuerbares Stromnetz zwar günstig und nachhaltig Strom liefern, aber es könnte niemals eine uneingeschränkte Verfügbarkeit rund um die Uhr bieten. Wenn wir also eine Infrastruktur zur Stromlieferung wollen, die günstig und nachhaltig ist, müssen wir das Konzept der Sicherheit der Energieversorgung neu definieren - und das Kriterium der unbegrenzten und unterbrechungsfreien Energieversorgung hinterfragen.

Wenn wir uns jenseits der typischen, großen, zentralisierten Infrastrukturen in industrialisierten Ländern umsehen, dann wird es klar, dass keineswegs alle Versorgungssysteme eine unbegrenzte Menge an Ressourcen liefern können. Mikroerzeugung in Inselnetzen - die lokale Erzeugung und Speicherung von elektrischer Energie mit Batterien und Solarpanels oder Windgeneratoren - ist ein Beispiel. Im Prinzip können Inselsysteme ohne Netzanschluss so dimensioniert werden, dass sie “immer an” sind. Dafür kann man sich an der “Methode des schlechtesten Monats” orientieren, wodurch die Erzeugungs- und Speicherkapazität zum Beispiel bei einer Solaranlage so überdimensioniert wird, dass das Energieangebot den Verbrauch auch an den kürzesten und dunkelsten Tagen des Jahres abdecken kann.

Wenn die Stromerzeugung zu allen Zeiten dem Verbrauch angepasst wird, wird ein Inselnetz dadurch sehr teuer und verliert seine Nachhaltigkeit, besonders in Klimazonen mit ausgeprägten Jahreszeiten

Genau wie es bei einem imaginären großen erneuerbaren Stromnetz der Fall wäre, wird ein Inselnetz sehr teuer, wenn die Stromerzeugung zu allen Zeiten nach dem maximalen Verbrauch dimensioniert wird, besonders in Klimazonen mit ausgeprägten Jahreszeiten. ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸ Daher werden die meisten Inselsysteme ohne Netzanschluss nach einer Methode skaliert, die auf einen Kompromiss zwischen Zuverlässigkeit, wirtschaftlichem Aufwand und Nachhaltigkeit abzielt. Die “Bemessungsmethode nach Wahrscheinlichkeit des Lastausfalls” spezifiziert eine Anzahl von Tagen pro Jahr, an welchen die Versorgung die Nachfrage nicht abdeckt. ¹⁹ ²⁰ ²¹ Mit anderen Worten: das System wird nicht nur nach einer vorhergesagten Energienachfrage skaliert, sondern auch nach dem verfügbaren Budget und Bauraum.

Image: [Stephen Yang / The Solutions Project](https://www.flickr.com/photos/149368236@N06/33068752693/in/photolist-Sob15v-bBnpyx-keyKG-cuaVX3-nuP1zk-U2eVh7-cuaWEf-pskKMf-cuaswE-p27cJW-cu9SQu-cuaMky-mCLFCt-ajiCfB-4AFrsp-943usV-TyoqrN-pu9HK-erKVcJ-aYHgDT-7zrUXc-tQv77b-6xot6g-baF4gg-Xjymka-qHgAkg-ii2jys-9eD7tj-9fJDFi-Ge2Mn-guUowg-amvdKB-cvDZ15-79wfLn-c6XjSS-ddFjjF-9KYuQV-8Zp8z6-guV3wK-9P1nHp-q5c2cz-9RCRVu-cD8w4d-9YDNzC-7ehy1e-4obYkG-8tkNMS-cvDZru-4obYtN-23Aqhr).

Wenn ein System ohne Netzanschluss auf diese Weise bemessen wird, führt das zu einer signifikaten Kosteneinsparung, selbst wenn der Parameter Verfügbarkeit nur wenig zurückgefahren wird. Die Kalkulation für ein Inselnetz in einem Haus in Spanien zeigt zum Beispiel, dass durch das Zurückfahren der Verfügbarkeit von 99,75% auf 99,0% die Anschaffungskosten um 60% geringer ausfallen, mit entsprechendem Nutzen für die Nachhaltigkeit durch geringeren Materialeinsatz. Die Versorgung wäre für 87,6 Stunden pro Jahr unterbrochen, verglichen mit 22 Stunden für das System mit höherer Verfügbarkeit. ¹⁶

Gemäß dem derzeitigen Verständnis der Versorgungssicherheit gelten Inselnetze, welche auf diese Art skaliert sind, als Versager: die Verfügbarkeit der Energieversorgung deckt nicht immer die Nachfrage. Tatsächlich scheinen Menschen, die Inselnetze betreiben, sich aber nicht über Energiemangel zu beklagen - ganz im Gegenteil. Dafür gibt es einen einfachen Grund: sie passen ihre Nachfrage einer begrenzten und manchmal unterbrochenen Versorgung an.

In ihrem Buch Off-the-Grid: Re-Assembling Domestic Life aus dem Jahr 2015 dokumentieren Phillip Vannini und Jonathan Taggart ihre Reise durch Kanada, auf der sie Menschen in etwa 100 Haushalten ohne Netzanschluss befragt haben. ²² Mit eine ihrer wichtigsten Beobachtungen ist es, dass Menschen mit Energieversorgung im Inselnetz insgesamt weniger Strom verbrauchen und routinemäßig ihre Energienutzung dem Wetter und den Jahreszeiten anpassen.

Menschen in einer selbstgewählten Inselsituation nutzen insgesamt weniger Strom und passen routinemäßig ihre Energienutzung dem Wetter und den Jahreszeiten an.

Waschmaschinen, Staubsauger, Elektrowerkzeuge, Toaster oder Spielkonsolen werden entweder gar nicht genutzt, oder aber nur während Phasen sehr guter Energieversorgung, wenn die Speicherbatterien bereits voll aufgeladen sind. Bei bedecktem Himmel ändern Menschen in Inselnetzen ihr Nutzungsverhalten, um weniger Leistung zu verbrauchen und so noch Energie für den folgenden Tag übrig zu haben. Vannini und Taggart beobachten ebenfalls, dass Inselnutzer sich mit einem Niveau von Beleuchtung und Heizung zufriedengeben, welches von den typischen Standards abweicht, die viele Menschen in der westlichen Welt inzwischen voraussetzen. Dies zeigt sich oft daran, dass Aktivitäten bewusst um zentrale Quellen von Wärme und Licht herum verlagert werden. ²²

Ähnliche Beobachtungen kann man an Orten machen, wo die Menschen unfreiwillig von Infrastrukturen abhängen, die nicht immer in Betrieb sind. Wenn in weniger industrialisierten Ländern Wasser-, Strom- und Datennetze vorhanden sind, dann weisen diese oft mehr oder weniger häufige Versorgungsausfälle auf. ²³ ²⁴ ²⁵ Trotz der niedrigen Zuverlässigkeit dieser Infrastrukturen - jedenfalls gemäß den typischen Indikatoren der Versorgungssicherheit - geht das Leben weiter. Die täglichen Haushaltsroutinen werden um Versorgungsunterbrechungen herum organisiert, welche als normal und als akzeptierter Teil der Lebensrealität gesehen werden. Wenn zum Beispiel Strom, Wasser oder Internet nur zu bestimmten Stunden des Tages verfügbar sind, werden Hausarbeiten entsprechend für diese Zeit geplant. Insgesamt verbrauchen die Menschen auch weniger Energie: die Infrastruktur erlaubt einfach keinen ressourcenintensiven Lebensstil. ²³

Verfügbarer, aber weniger sicher?

Die sehr hohe Verfügbarkeit der Energieversorgungsnetze in industrialisierten Gesellschaften wird begründet durch eine Bewertung mit dem “Wert des Lastverlusts” (value of lost load). Dieser setzt finanzielle Verluste durch Energiemangel in Beziehung zu den zusätzlichen Investitionen, die nötig wären um diesen Mangel zu verhindern. ¹¹⁰ ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹ Allerdings hängt der Wert des Lastverlusts stark davon ab, wie eine Gesellschaft organisiert ist. Je höher die Abhängigkeit von der Stromversorgung, desto höher werden die finanziellen Folgen von Stromausfällen sein.

Aktuelle Definitionen der Versorgungsssicherheit gehen davon aus, dass die Versorgungs- und die Nachfrageseite nicht voneinander abhängen, und fokussieren sich fast ausschließlich darauf, die Energieversorgung zu sichern. Alternative Formen von Infrastrukturen wie die oben beschriebenen zeigen aber, dass Menschen ihre Erwartungen einer begrenzten und nicht immer verfügbaren Energieversorgung anpassen können. Mit anderen Worten: es ist nicht nur möglich, die Versorgungssicherheit zu verbessern indem man die Verfügbarkeit erhöht, sondern auch indem man die Abhängigkeit von Energie reduziert.

Image: Erdgasterminal. [Jason Woodhead](https://www.flickr.com/photos/woodhead/7150825737/in/photolist-bTTRmV-85JomL-jysSQn-fw7gTZ-5Jkm2T-eDueWy-ohYc4x-fFxZCm-eD8VG8-eDfhqy-8pCnxZ-qPTdqx-22WNtVf-fFybmb-fFxRVG-fFyhCf-mGNU1p-24mDPG2-8efS2s-fFguSX-nN4pMi-fFgpjT-6br69i-hVGdgU-9DSQQ5-cDwVt-EqVP-dp7vJX-fwmwQh-oHAfHH-fFy6QS-fFgvS8-aaCofJ-fFxW5L-agEkAL-eDfonE-fFgrrn-eD9m9a-PLLffy-fFggcX-fFgka6-nRdzs-fFgwFH-88JrU8-nN4epz-2atchc9-nN523B-24mDNL4-2atciAb-GFzRM).

Auch in 24/7-Stromversorgungsnetzen hängen Nachfrage und Versorgung voneinander ab und beeinflussen einander - aber mit dem gegenteiligen Effekt. Genauso, wie “unzuverlässige” Inselnetze einen Lebensstil fördern, der weniger von der Energieversorgung abhängt, so fördern “zuverlässige” Infrastrukturen einen Lebensstil, der über die Zeit immer mehr von der Energieversorgung abhängt.

Industrialisierte Gesellschaften mit “zuverlässigen” Stromnetzen sind bei Stromausfällen am schwächsten und zerbrechlichsten

In ihrem Buch Infrastructures and Practices: the Dynamics of Demand in Networked Societies aus dem Jahr 2018 argumentieren Olivier Coutard und Elizabeth Shove, dass eine unbegrenzte und unterbrechungsfreie Stromversorgung es den Menschen in industrialisierten Gesellschaften ermöglicht hat, eine Vielzahl von Technologien einzusetzen, die von Stromversorgung abhängen. Waschmaschinen, Klimaanlagen, Kühlschränke, automatische Türen, rund um die Uhr verfügbarer Internetzugang sind “normal” und zentrale Bestandteile des täglichen Lebens geworden. Gleichzeitig sind alternative Lösungen für diese Aufgaben - das Wäschewaschen mit der Hand, die Lagerung von Lebensmitteln ohne Elektrizität, Raumkühlung ohne Klimaanlage, Navigation und Kommunikation ohne Smartphones - immer seltener geworden oder schon verschwunden. ³⁰

Als Ergebnis ist die Versorgungssicherheit in Inselnetzen und “unzuverlässigen” zentralen Versorgungsinfrastrukturen tatsächlich höher, während industrialisierte Gesellschaften mit “zuverlässigen” Stromnetzen bei Stromausfällen am schwächsten und zerbrechlichsten sind. Was allgemein als Nachweis der Versorgungssicherheit gesehen wird - eine unbegrenzte und unterbrechungsfreie Stromversorgung - macht im Grunde die industriellen Gesellschaften immer verwundbarer gegenüber Stromausfällen: die Menschen verlernen die Fähigkeiten und den Gebrauch der Technologien, mit denen sie ohne kontinuierliche Stromversorgung auch recht gut leben könnten.

Versorgungssicherheit neu definieren

Um eine brauchbarere Definition der Versorgungssicherheit zu erhalten, muss sie über Energiedienste, sozialen Nutzen oder Grundbedürfnisse definiert werden, und nicht über Massengüter wie Kilowattstunden Strom. ¹ Menschen benötigen keinen Strom. Sie müssen Lebensmittel lagern, Wäsche waschen, Türen öffnen und schließen, miteinander kommunizieren, von A nach B gelangen, im Dunkeln sehen und so weiter. All diese Dinge können sowohl mit als auch ohne Elektrizität bewältigt werden. Selbst wenn wir von einer Lösung der Aufgaben mit Elektrizität ausgehen, dann geht es noch mit mehr oder deutlich weniger.

Wenn wir sie auf diese Weise definieren, dann geht es bei der Versorgungssicherheit nicht nur darum, die Versorgung mit elektrischem Strom zu gewährleisten, sondern auch darum, die Resilienz der Gesellschaft zu erhöhen, damit diese ihre Abhängigkeit von einer unterbrechungsfreien Stromversorgung verringert. Dies schließt die Resilienz der Menschen ein (haben sie die Fähigkeiten, um ohne Elektrizität auszukommen?), ebenso die Resilienz von Geräten und technischen Systemen (wie kommen diese mit Unterbrechungen klar?), und schließlich auch die Resilienz von Institutionen (was bedeutet es rechtlich, ein Versorgungsnetz zu betreiben, welches nicht immer verfügbar ist?). Abhängig vom Grad der Resilienz der Gesellschaft kann eine Unterbrechung der Stromversorgung in mehr oder weniger ausgeprägter Weise zu einer Unterbrechung von Energiediensten und von bestimmten Aspekten des täglichen Lebens führen.

Obwohl zum Beispiel unser System der Lebensmittelverteilung von Kühlketten abhängt, welche eine unterbrechungsfreie Stromversorgung erfordern, gibt es auch viele Alternativen dazu. Wir könnten Kühlgeräte besser isolieren, um sie an eine weniger zuverlässige Stromversorgung anzupassen. Wir könnten wieder Kühl- und Eiskeller nutzen (welche Lebensmittel auch ohne Stromversorgung frisch halten). Wir können auch ältere Methoden der Lebensmittelkonservierung wie zum Beispiel Fermentierung stärker nutzen. Wir können auch darauf hinwirken, den Menschen wieder das Kochen mit frischen Nahrungsmitteln nahezubringen; einen Wechsel hin zur Ernährung ohne Tiefkühlkost oder sogar ganz ohne Lebensmittel, die Kühlung benötigen. Auch der häufigere, lokale Einkauf von Lebensmitteln könnte gegenüber dem Wocheneinkauf in großen Supermärkten bevorzugt werden.

Um die Versorgungssicherheit zu erhöhen, müssen wir die Verfügbarkeit der Infrastrukturen verringern.

Wenn wir das Konzept der Versorgungssicherheit in einer ganzheitlicheren Weise angehen und dabei sowohl Angebot als auch Nachfrage betrachten, wird rasch klar dass die Versorgungssicherheit in industrialisierten Ländern tatsächlich abnimmt. Wir delegieren mehr und mehr Aufgaben an Maschinen, Computer und großflächige Infrastrukturen und erhöhen so unsere Abhängigkeit von der Stromversorgung. Darüberhinaus wird das Internet genauso essenziell wie das Stromnetz, und Trends wie Cloud Computing, das Internet der Dinge und autonomes Fahren basieren allesamt auf mehreren, miteinander verbundenen Lagen von unterbrechungsfreien Infrastrukturen.

Image: Ein verlassener Strommast. [Miura Paulison](https://www.flickr.com/photos/paulisson_miura/10318768955/in/photolist-gHQovz-kCLi9r-82pqq6-f4539G-6i3Aih-5m5G9b-6RkZvr-6V6k85-2b9wdNP-4DvxJx-WfvmJT-5CGLgF-5C1ojh-eANWrM-kjDG4Z-9QKWz-DnnTH9-ntvKWL-82sxbf-UssMS3-deJRBD-d6qh1S-5C1ooU-tkcYLj-MpbqCB-84zF9u-5CM5d7-5CM51J-82ppX6-a1H2sr-Rd9o59-a1LEed-6W3He9-VCD56X-bg3vgT-5BW5CT-82sxDb-2b1hTxi-6hpZ1g-8d19tj-qm9Cy-cgpx3-gszM15-eANtbt-MpbCWK-98h2dj-7HyrGe-5md8aD-d9fLdq-2cyGoSv).

Da Nachfrage und Angebot einander beeinflussen, kommen wir zu einer Schlussfolgerung, die der Intuition zu widersprechen scheint: um die Versorgungssicherheit zu erhöhen, müssen wir die Verfügbarkeit des Stromnetzes verringern. Dadurch würden die Resilienz und die Nutzung von Ersatztechnologien gefördert, und auf diese Weise könnte die Verwundbarkeit industrialisierter Gesellschaften gegenüber Versorgungsausfällen verringert werden. Coutard und Shove argumentieren: “es wäre sinnvoll, den Innovationspotenzialen mehr Beachtung zu schenken, die sich ergeben wenn große Netzwerke geschwächt und aufgegeben werden, oder wenn ihre Zuverlässigkeit sinkt”. Sie fügen noch hinzu, dass die Erfahrung von Menschen, die selbstgewählt in Inselnetzen leben “verschiedene Einsichten in die Konfigurationen bieten, um die es geht”. ³⁰

Für eine weniger verfügbare Energieversorgung zu argumentieren, löst natürlich Kontroversen aus. “Die Lichter anlassen” ist eine Phrase, die gern verwendet wird um Energiereformen wie den Neubau oder die Verlängerung der Lebenszeit von Atomkraftwerken über ihre geplante Lebensdauer hinaus zu begründen. Um aber wirkliche Versorgungssicherheit zu erreichen, sollte “Die Lichter anlassen” durch Sätze wie “Manche Lichter anlassen”, “welches Licht schalten wir als nächstes aus?” oder vielleicht auch “was kann ein bisschen mehr Dunkelheit uns schon schaden?” zu ersetzen. ³¹ Offensichtlich würde eine weniger verfügbare Stromversorgung auch fundamentale Veränderungen an Routinen und Technologien bedeuten, gleich ob es um Haushalte, Fabriken, Transportsysteme oder auch Kommunikationsnetzwerke geht – aber das ist genau der springende Punkt. Die derzeitige Lebensweise in den industrialisierten Ländern ist einfach nicht nachhaltig.

Dieser Artikel wurde ursprünglich für das UK Demand Centre geschrieben.

Winzer, Christian. “Conceptualizing energy security.” Energy policy 46 (2012): 36-48. https://www.repository.cam.ac.uk/bitstream/handle/1810/242060/cwpe1151.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩︎ ↩︎ ↩︎
Sovacool, Benjamin K., and Ishani Mukherjee. “Conceptualizing and measuring energy security: A synthesized approach.” Energy 36.8 (2011): 5343-5355. https://relooney.com/NS4053-Energy/00-Energy-Security_1.pdf ↩︎
Kruyt, Bert, et al. “Indicators for energy security.” Energy policy37.6 (2009): 2166-2181. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421509000883 ↩︎
Cherp, Aleh, and Jessica Jewell. “The concept of energy security: Beyond the four As.” Energy Policy 75 (2014): 415-421. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421514004960 ↩︎
Energy security, International Energy Agency. https://www.iea.org/topics/energysecurity/ ↩︎
Lucas, Javier Noel Valdés, Gonzalo Escribano Francés, and Enrique San Martín González. “Energy security and renewable energy deployment in the EU: Liaisons Dangereuses or Virtuous Circle?.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 62 (2016): 1032-1046. https://www.researchgate.net/profile/Javier_Valdes4/publication/303361228_Energy_security_and_renewable_energy_deployment_in_the_EU_Liaisons_Dangereuses_or_Virtuous_Circle/links/5a536f45458515e7b72eab26/Energy-security-and-renewable-energy-deployment-in-the-EU-Liaisons-Dangereuses-or-Virtuous-Circle.pdf ↩︎
Strambo, Claudia, Måns Nilsson, and André Månsson. “Coherent or inconsistent? Assessing energy security and climate policy interaction within the European Union.” Energy Research & Social Science 8 (2015): 1-12. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221462961500047X ↩︎
CEER Benchmarking Report 6.1 on the Continuity of Electricity and Gas Supply. Data update 2015/2016. Ref: C18-EQS-86-03. 26-July-2018. Council of European Energy Regulators. https://www.ceer.eu/documents/104400/-/-/963153e6-2f42-78eb-22a4-06f1552dd34c ↩︎ ↩︎
Average frequency and duration of electric distribution outages vary by states. U.S. Energy Information Administration (EIA). April 5, 2018. https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=35652 ↩︎
Röpke, Luise. “The development of renewable energies and supply security: a trade-off analysis.” Energy policy 61 (2013): 1011-1021. https://www.econstor.eu/bitstream/10419/73854/1/IfoWorkingPaper-151.pdf ↩︎ ↩︎
“Evolutions in energy conservation policies in the time of renewables”, Nicola Lablanca, Isabella Maschio, Paolo Bertoldi, ECEEE 2015 Summer Study – First Fuel Now. https://www.eceee.org/library/conference_proceedings/eceee_Summer_Studies/2015/9-dynamics-of-consumption/evolutions-in-energy-conservation-policies-in-the-time-of-renewables/ ↩︎
“How not to run a modern society on solar and wind power alone”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. here. ↩︎
Nedic, Dusko, et al. Security assessment of future UK electricity scenarios. Tyndall Centre for Climate Change Research, 2005. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.461.4834&rep=rep1&type=pdf ↩︎
Zhou, P., R. Y. Jin, and L. W. Fan. “Reliability and economic evaluation of power system with renewables: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 58 (2016): 537-547. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136403211501727X ↩︎
Smil, Vaclav. Power density: a key to understanding energy sources and uses. MIT Press, 2015. https://mitpress.mit.edu/books/power-density ↩︎
Landeira, Cristina Cabo, Ángeles López-Agüera, and Fernando Núñez Sánchez. “Loss of Load Probability method applicability limits as function of consumption types and climate conditions in stand-alone PV systems.” (2018). https://www.researchgate.net/profile/Cristina_Cabo2/publication/324080184_Loss_of_Load_Probability_method_applicability_limits_as_function_of_consumption_types_and_climate_conditions_in_stand-alone_PV_systems/links/5abca9fa45851584fa6e1efd/Loss-of-Load-Probability-method-applicability-limits-as-function-of-consumption-types-and-climate-conditions-in-stand-alone-PV-systems.pdf ↩︎ ↩︎
Singh, S. Sanajaoba, and Eugene Fernandez. “Method for evaluating battery size based on loss of load probability concept for a remote PV system.” Power India International Conference (PIICON), 2014 6th IEEE. IEEE, 2014. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7117729 ↩︎
How sustainanle is stored sunlight? Kris De Decker, Low-tech Magazine. here. ↩︎
Chapman, R. N. “Sizing Handbook for Stand-Alone Photovoltaic.” Storage Systems, Sandia Report, SAND87-1087, Albuquerque (1987). https://prod.sandia.gov/techlib-noauth/access-control.cgi/1987/871087.pdf ↩︎
Posadillo, R., and R. López Luque. “A sizing method for stand-alone PV installations with variable demand.” Renewable Energy33.5 (2008): 1049-1055. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096014810700184X ↩︎
Khatib, Tamer, Ibrahim A. Ibrahim, and Azah Mohamed. “A review on sizing methodologies of photovoltaic array and storage battery in a standalone photovoltaic system.” Energy Conversion and Management 120 (2016): 430-448. https://staff.najah.edu/media/published_research/2017/01/19/A_review_on_sizing_methodologies_of_photovoltaic_array_and_storage_battery_in_a_standalone_photovoltaic_system.pdf ↩︎
Vannini, Phillip, and Jonathan Taggart. Off the grid: re-assembling domestic life. Routledge, 2014. http://lifeoffgrid.ca/off-grid-living-the-book/ ↩︎ ↩︎
“Materialising energy and water resources in everyday practices: insights for securing supply systems”, Yolande Strengers, Cecily Maller, in “Global Environmental Change 22 (2012), pp. 754-763. http://researchbank.rmit.edu.au/view/rmit%3A17990/n2006038376.pdf ↩︎ ↩︎
Pillai, N. “Loss of Load Probability of a Power System.” (2008). https://mpra.ub.uni-muenchen.de/6953/1/MPRA_paper_6953.pdf ↩︎
Al-Rubaye, Mohannad Jabbar Mnati, and Alex Van den Bossche. “Decades without a real grid: a living experience in Iraq.” International Conference on Sustainable Energy and Environment Sensing (SEES 2018). 2018. https://biblio.ugent.be/publication/8566224 ↩︎
Telson, Michael L. “The economics of alternative levels of reliability for electric power generation systems.” The Bell Journal of Economics (1975): 679-694. https://www.jstor.org/stable/3003250?seq=1#page_scan_tab_contents ↩︎
Schröder, Thomas, and Wilhelm Kuckshinrichs. “Value of lost load: an efficient economic indicator for power supply security? A literature review.” Frontiers in energy research 3 (2015): 55. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2015.00055/full ↩︎
Ratha, Anubhav, Emil Iggland, and Goran Andersson. “Value of Lost Load: How much is supply security worth?.” Power and Energy Society General Meeting (PES), 2013 IEEE. IEEE, 2013. https://www.ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/itet/institute-eeh/power-systems-dam/documents/SAMA/2012/Ratha-SA-2012.pdf ↩︎
De Nooij, Michiel, Carl Koopmans, and Carlijn Bijvoet. “The value of supply security: The costs of power interruptions: Economic input for damage reduction and investment in networks.” Energy Economics 29.2 (2007): 277-295. https://s3.amazonaws.com/academia.edu.documents/40102922/The_Value_of_Supply_Security_The_Costs_o20151117-24458-1eo081r.pdf?AWSAccessKeyId=AKIAIWOWYYGZ2Y53UL3A&Expires=1544213977&Signature=d01qoyIcopj1rE5HpSWkCGcQzRk%3D&response-content-disposition=inline%3B%20filename%3DThe_value_of_supply_security.pdf ↩︎
Coutard, Olivier, and Elizabeth Shove. “Infrastructures, practices and the dynamics of demand.” Infrastructures in Practice. Routledge, 2018. 10-22. https://www.routledge.com/Infrastructures-in-Practice-The-Dynamics-of-Demand-in-Networked-Societies/Shove-Trentmann/p/book/9781138476165 ↩︎ ↩︎
Demand Dictionary of Phrase and Fable, seventeenth edition. Jenny Rinkinen, Elizabeth Shove, Greg Marsden, The Demand Centre, 2018. http://www.demand.ac.uk/wp-content/uploads/2018/07/Demand-Dictionary.pdf ↩︎

Langsame Elektrizität: Die Rückkehr des Gleichstroms?

Wed, 27 Apr 2016 00:00:00 +0000

Abbildung: Elektrizitätswerk Brighton, 1887. Stationäre Dampfmaschinen treiben Gleichstromgeneratoren über Lederriemen an. [Quelle](http://www.makingthemodernworld.org.uk/stories/the_second_industrial_revolution/05.ST.01/?scene=7).

Bei den heutigen Photovoltaik-Systemen wird der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt, so dass er mit dem Verteilnetz eines Gebäudes kompatibel ist. Da viele moderne Geräte intern mit Gleichstrom (DC) betrieben werden, wird der Wechselstrom (AC) durch den Adapter des jeweiligen Geräts wieder in Gleichstrom umgewandelt.

Diese doppelte Energiewandlung, die bis zu 30 % der Energieverluste verursacht, kann vermieden werden, wenn das Verteilnetz des Gebäudes auf Gleichstrom umgestellt wird. Die direkte Kopplung von Gleichstromquellen mit Gleichstromverbrauchern kann ein Photovoltaik-System günstiger und nachhaltiger machen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen jedoch einige wichtige Bedingungen erfüllt werden.

Elektrische Energie kann mit Wechselstrom oder Gleichstrom erzeugt und verteilt werden. Bei Wechselstrom wechselt der Strom periodisch die Richtung, während sich die Spannung im gleichen Takt ihr Vorzeichen ändert. Bei Gleichstrom fließt der Strom in eine Richtung und die Spannung bleibt konstant. Als die elektrische Energieübertragung im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts eingeführt wurde, konkurrierten Wechsel- und Gleichstromsystem darum, das Standard-Stromverteilungssystem zu werden — eine Periode in der Geschichte, die als “Stromkrieg” bekannt ist.

Der Wechselstrom hat sich vor allem wegen seiner höheren Effizienz bei der Übertragung über lange Strecken durchgesetzt. Die elektrische Leistung (in Watt) ist gleich dem Strom (in Ampère) multipliziert mit der Spannung (in Volt). Folglich kann eine bestimmte Leistung durch eine niedrige Spannung mit einem höheren Strom oder durch eine hohe Spannung mit einem niedrigeren Strom erzeugt werden. Allerdings ist der Leistungsverlust aufgrund des Widerstands proportional zum Quadrat des Stroms. Daher sind hohe Spannungen der Schlüssel zu einer energieeffizienten Stromübertragung über größere Entfernungen. ¹

Die Erfindung des Wechselspannungstransformators Ende des 19. Jahrhunderts ermöglichte es, die Spannung auf einfache Weise zu erhöhen, um elektrische Energie über große Entfernungen zu transportieren, und sie dann für den lokalen Gebrauch wieder zu verkleinern. Gleichspannung hingegen konnte bis in die 1960er Jahre nicht effizient in hohe Spannungen umgewandelt werden. Folglich war es unmöglich, elektrische Energie in einem Gleichspannungsnetz effektiv über große Entfernungen (>1-2 km) zu übertragen.

Abbildung: Die Dynamos der Energiezentrale von Brush Electric Company speisten [Bogenlampen für die Außenbeleuchtung](https://qelnixcor.cloud/2009/01/moonlight-towers-light-pollution-in-the-1800s/) in New York. Der Betrieb startete im Dezember 1880 in 133 West Twenty-Fifth Street, es wurde ein 2 Meilen (3.2 km) langer Stromkreis gespeist. Quelle: [Wikipedia Commons](https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_electric_power_transmission)

Ein Gleichspannungsnetz erforderte die Installation von relativ kleinen Kraftwerken in jedem Viertel. Dies war ungünstig, da die Effizienz der Dampfmaschinen, die die Dynamos antrieben, von ihrer Größe abhing — je größer eine Dampfmaschine, desto effizienter wird sie. Außerdem waren Dampfmaschinen laut und verursachten Luftverschmutzung und die geringe Transporteffizienz von Gleichspannung schloss die Nutzung von weiter entfernten, sauberen Wasserkraftquellen aus.

Mehr als hundert Jahre später bildet die Wechselspannung immer noch die Grundlage unserer Energieinfrastruktur. Obwohl Hochspannungs-Gleichstromübertragung für die Energieübertragung über weite Entfernungen an Bedeutung gewonnen hat, basiert die gesamte Energieverteilung in Gebäuden auf Wechselspannung, entweder mit 110 V oder 220 V. Niederspannungs-Gleichstromsysteme haben in Autos, Lastwagen, Wohnmobilen, Wohnwagen und Booten sowie in Telekommunikationsbüros, abgelegenen Forschungsstationen und Notunterkünften überlebt. In den meisten dieser Beispiele werden die Geräte mit Batterien betrieben, die mit 12 V, 24 V oder 48 V Gleichspannung arbeiten.

Das Interesse am Gleichstromsystem lebt wieder auf

In jüngster Zeit haben zwei in die gleiche Richtung wirkende Entwicklungen das Interesse an der Gleichstrom-Verteilung verstärkt. Erstens haben wir jetzt bessere Alternativen für die dezentrale Stromerzeugung, wobei die wichtigste davon die Photovoltaik ist. Sie verursachen keine Umweltverschmutzung und ihre Effizienz ist unabhängig von ihrer Größe. Da Solarmodule genau dort aufgestellt werden können, wo der Energiebedarf besteht, ist eine Energieübertragung über große Entfernungen nicht erforderlich. Außerdem erzeugen Solarmodule “natürlicherweise” Gleichstrom, und das gilt auch für elektrochemische Batterien, die die praktischste Speichertechnologie für PV-Systeme sind.

Solarmodule produzieren sowieso Gleichstrom, und ein wachsender Anteil unserer elektrischen Geräte arbeitet intern mit Gleichstrom.

Zweitens wird ein wachsender Teil unserer Elektrogeräte intern mit Gleichstrom betrieben. Dies gilt für Computer und alle anderen elektronischen Geräte ebenso wie für Festkörper-Beleuchtung (LEDs), Flachbildfernseher, Stereoanlagen, Mikrowellenherde und eine zunehmende Anzahl von Geräten, die mit Gleichstrommotoren mit variabler Drehzahl betrieben werden (Ventilatoren, Pumpen, Kompressoren und Antriebssysteme). In den nächsten 20 Jahren könnte der Gleichstromverbrauch bis zu 50 % der Gesamtlast in den Haushalten ausmachen. ²

Stromerzeugung mit Gleichstrom in der Pferderennbahn in Paris. Eine Dampfmaschine treibt mehrere Dynamos an, die Bogenlampen versorgen. Quelle unbekannt.

In einem Gebäude, das PV-Solarstrom erzeugt, diesen aber über ein Wechselstromnetz im Haus verteilt, wird zwei Mal Energie gewandelt. Zunächst wird der Gleichstrom aus dem Solarmodul mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom gewandelt. Anschließend wird der Wechselstrom durch die Adapter von Gleichstromgeräten wie Computern, LEDs und Mikrowellengeräten wieder in Gleichstrom gewandelt. Mit diesen Energieumwandlungen sind Leistungsverluste verbunden, die vermieden werden könnten, wenn ein solarbetriebenes Gebäude mit einer Gleichstrom-Verteilung ausgestattet wäre. Mit anderen Worten: Ein Gleichstromsystem könnte eine PV-Solaranlage energieeffizienter machen.

Mehr Solarstrom für weniger Geld

Da die Betriebsenergie und die Betriebskosten einer PV-Anlage gleich Null sind, führt eine höhere Energieeffizienz zu niedrigeren Investitionskosten. Es werden im Vergleich weniger Solarmodule benötigt, um eine bestimmte Menge Strom zu erzeugen. Außerdem muss kein Wechselrichter installiert werden, ein kostspieliges Gerät, das mindestens einmal während der Lebensdauer einer PV-Anlage ersetzt werden muss. Geringere Kapitalkosten bedeuten auch eine geringere verkörperte Energie: Wenn weniger Solarmodule und kein Wechselrichter erforderlich sind, wird weniger Energie für die Herstellung der PV-Anlage benötigt, was entscheidend für die Verbesserung der Nachhaltigkeit der Technologie ist.

Es werden weniger Solarmodule benötigt, um eine bestimmte Menge elektrischer Energie zu erzeugen

Ein ähnlicher Vorteil würde für elektrische Geräte gelten. In einem Gebäude mit Gleichstrom-Verteilung können elektrische Geräte, die intern mit Gleichstrom arbeiten, auf alle Komponenten verzichten, die für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom erforderlich sind. Das macht sie einfacher, billiger, zuverlässiger und weniger energieintensiv in der Herstellung. Die AC/DC-Adapter (die in einem externen Netzteil oder im Gerät selbst untergebracht sein können) sind oft die lebensbegrenzende Komponente von Geräten, die intern mit Gleichstrom arbeiten, und sie sind ziemlich groß. ³

Abbildung: Netzteil für eine LED-Leuchte mit 35W. [^3] Die Teile, die für die Wandlung von Wechsel- auf Gleichstrom erforderlich sind, sind markiert.

Bei einer LED-Leuchte beispielsweise werden etwa 40 % der Leiterplatte von Komponenten belegt, die für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom erforderlich sind. ³ Netzteile haben weitere Nachteile. Als Ergebnis einer zweifelhaften kommerziellen Strategie sind sie in der Regel gerätespezifisch, was zu einer Verschwendung von Ressourcen, Geld und Platz führt. Außerdem verbraucht ein Adapter auch dann Energie, wenn das Gerät nicht in Betrieb ist, und sogar noch dann, wenn das Gerät nicht angeschlossen ist.

Die Verteilung von Gleichstrom würde Geräte einfacher, günstiger, zuverlässiger machen und ihre Produktion wäre weniger energiehungrig

Nicht zuletzt liegen Niederspannungs-Gleichstromnetze (bis zu 24 V) unter der Berührspannung, sodass Elektriker eine relativ einfache Verdrahtung ohne Erdung oder metallische Anschlussdosen und ohne Schutz vor direktem Berühren vornehmen können. ⁴⁵⁶ Dies führt zu weiteren Kosteneinsparungen und ermöglicht es einem, eine Solaranlage ganz allein zu installieren. Wir demonstrieren ein solches DIY-System im nächsten Artikel, wo wir auch erklären, wie man Gleichstromgeräte erhält oder Wechselstromgeräte in Gleichstromgeräte umwandelt.

Wie viel Energie kann eingespart werden?

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Effizienzvorteil eines Gleichstromnetzes nicht zwingend entsteht. Die Energieeinsparungen können beträchtlich sein, aber sie können auch sehr gering sein oder sogar ins Negative umschlagen. Ob Gleichstrom eine gute Wahl ist, hängt hauptsächlich von fünf Faktoren ab: den spezifischen Umwandlungsverlusten in den AC/DC-Adaptern aller Geräte, dem Zeitpunkt der “Last” (des Energieverbrauchs), der Verfügbarkeit von elektrischen Speichern, der Kabellänge und dem Stromverbrauch der Elektrogeräte.

Den Wechselrichter wegfallen zu lassen führt zu recht vorhersehbaren Energieeinsparungen. Es handelt sich nur um eine Komponente mit einem relativ festen Wirkungsgrad (+90 % — obwohl der Wirkungsgrad bei geringer Last auf etwa 50 % sinken kann). Von Gleichrichtern kann man jedoch nicht das Gleiche sagen. Nicht nur gibt es so viele Adapter wie Geräte mit internem Gleichstrombetrieb, auch ihre Wirkungsgrade variieren stark, von weniger als 50 % bei Geräten mit geringer Leistung bis zu mehr als 90 % bei Geräten mit hoher Leistung. ⁶⁷⁸

Externe Netzteile.

Folglich kann der Gesamtenergieverlust durch Gleichrichter sehr unterschiedlich sein, je nachdem, welche Art von Geräten in einem Gebäude verwendet werden — und wie sie verwendet werden. Wie Wechselrichter verschwenden auch Gleichrichter relativ viel Energie, wenn nur wenig Strom verbraucht wird, z. B. im Standby- oder Energiespar-Modus. ⁸

Am höchsten sind die Umwandlungsverluste bei Adaptern für DVDs/VCRs (31 %), Home-Audio-Geräten (21 %), PCs und ähnlichen Geräten (20 %), bei wiederaufladbarer Elektronik (20 %), Beleuchtung (18 %) und Fernsehgeräten (15 %). Bei alltäglicheren Geräten wie Deckenventilatoren, Kaffeemaschinen, Geschirrspülern, elektrischen Toastern, Heizgeräten, Mikrowellenherden, Kühlschränken usw. sind die Stromverluste geringer (10-13 %). ⁸.

Beleuchtung und Computer (die hohe Gleichrichter-Verluste aufweisen) machen in der Regel einen großen Teil des gesamten Stromverbrauchs in Büros, Geschäften und öffentlichen Gebäuden aus. In Privathaushalten gibt es mehr verschiedene Geräte, darunter auch solche mit geringeren Gleichrichter-Verlusten. Folglich bringt ein Gleichstromsystem in Büros höhere Energieeinsparungen als in Wohngebäuden.

Der größte Vorteil ergibt sich für Rechenzentren, wo Computer die Hauptlast darstellen. Einige Rechenzentren haben bereits auf ein Gleichstromsystem umgestellt, auch wenn sie nicht mit Solarenergie betrieben werden. Da ein großer Adapter effizienter ist als eine Vielzahl kleiner Adapter, kann die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom auf lokaler Ebene (unter Verwendung eines Großgleichrichters) statt auf den einzelnen Servern Energieeinsparungen zwischen 5 und 30 % bringen. ⁶⁹¹⁰¹¹

Die Bedeutung der Energiespeicherung

Gehen wir davon aus, dass wir 10% Verluste im Wechselrichter und im Mittel 15% Verluste für den Gleichrichter haben, könnten wir erwarten, dass wir etwa 25% Energie einsparen, wenn wir in einem Gebäude mit Solarstrom auf Gleichstrom-Verteilung umsteigen. Solch eine erhebliche Einsparung lässt sich jedoch nicht garantieren. Zunächst ist es so, dass die meisten mit Solarstrom ausgerüsteten Gebäude mit dem Energieversorgungsnetz verbunden sind. Sie speichern die Solarenergie nicht in Batterien an Ort und Stelle sondern verlassen sich auf das Versorgungsnetz sobald es darum geht, mit einem Zuviel oder Zuwenig an Energie umzugehen.

In einem Gebäude mit Solarstrom und Net-Metering profitieren nur die Lasten von einem Gleichstrom-Verteilnetz, die aktiv sind während die Module Strom liefern

Das heißt, dass überschüssige Solarenergie von Gleich- auf Wechselstrom gewandelt werden muss, um sie dem Energieversorger anzubieten, während Energie, die dem Versorgungsnetz entnommen wird, von Wechsel- auf Gleichstrom gewandelt werden muss, um an ein Gleichstrom-Verteilnetz im Gebäude weitergegeben werden zu können. Deshalb profitieren nur die Lasten von einem Gleichstrom-Verteilnetz, die aktiv sind während die Module Strom liefern.

Gleichstrom-Versorgungsstationen hatten in der Frühzeit für jede Leuchte einen Dynamo. Quelle unbekannt.

Dies bedeutet wiederum, dass die Effizienzvorteile eines Gleichstromsystems in der Regel in gewerblichen Gebäuden größer sind, wo der größte Teil des Stromverbrauchs mit der größten Gleichstromleistung der Solaranlage zusammenfällt. In Wohngebäuden hingegen erreicht der Energieverbrauch oft morgens und abends Spitzenwerte, wenn wenig oder gar kein Solarstrom verfügbar ist.

Folglich ist der Vorteil eines Gleichstromsystems in einem Wohngebäude mit Net-metering nur gering, da der meiste Strom ohnehin in Wechselstrom umgewandelt wird. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde errechnet, dass ein Gleichstromsystem die Energieeffizienz eines solarbetriebenen amerikanischen Hauses mit Netzeinspeisung im Durchschnitt nur um 5 % verbessern könnte — diese Zahl ist ein Durchschnittswert für 14 Häuser, die über die USA verteilt sind. ¹²¹³

Netzunabhängige Solarsysteme

Um das volle Potenzial eines Gleichstromnetzes auszuschöpfen, insbesondere wenn es sich um ein Wohngebäude handelt, müssen wir die Solarenergie in Batterien vor Ort speichern. Auf diese Weise kann das System Energie in Form von Gleichstrom speichern und später nutzen. Die Energiespeicherung kann in einem netzunabhängigen System erfolgen, aber auch das Hinzufügen eines Batteriespeichers zu einem Gebäude mit Netzeinspeisung verbessert die Vorteile eines Gleichstromsystems. Durch die Energiespeicherung entsteht jedoch eine weitere Art von Energieverlust: die Lade- und Entladeverluste der Batterien. Der Wirkungsgrad von Blei-Säure-Batterien liegt zwischen 70 und 80 %, der von Lithium-Ionen-Batterien bei etwa 90 %.

Leider kommt bei der Energiespeicherung eine weitere Art von Energieverlust hinzu - die Lade- und Entladeverluste der Batterien - und macht die Kostenvorteile eines Gleichstromsystems zunichte.

Wie viel Energie mit einem Batteriespeicher vor Ort eingespart werden kann, hängt wiederum von der zeitlichen Verteilung der Last ab. Strom, der tagsüber verbraucht wird — wenn die Batterien voll sind — verursacht keine Lade- und Entladeverluste. In diesem Fall kann die Energieeinsparung durch ein Gleichstromsystem 25 % betragen (10 % durch den Wegfall des Wechselrichters und 15 % durch den Wegfall der Gleichrichter).

Wird der Strom jedoch nach Sonnenuntergang verbraucht, sinken die Energieeinsparungen bei Lithium-Ionen-Batterien auf 15 % und bei Blei-Säure-Batterien auf -5 % bis +5 %. In der Realität wird der Strom wahrscheinlich sowohl vor als auch nach Sonnenuntergang verbraucht, so dass die Effizienzverbesserungen irgendwo zwischen diesen Extremen liegen (-5 % bis 25 % für Blei-Säure und 15-25 % für Lithium-Ionen).

Station Kensington Court: Dampfmaschine, Dynamo und Batterien. Quelle: [Central-Station Electric Lighting](https://archive.org/stream/centralstationel00hedg#page/n5/mode/2up), Killingworth Hedges, 1888.

Andererseits bringt die Batteriespeicherung einen weiteren Vorteil mit sich: Es gibt weniger oder — in einem völlig unabhängigen System — keine zusätzlichen Energieverluste durch Übertragung und Verteilung von Wechselstrom über weite Strecken. Solche Verluste sind je nach Standort sehr unterschiedlich. So betragen die durchschnittlichen Übertragungsverluste in Deutschland und den Niederlanden nur 4 %, in den USA und China dagegen 6 % und in der Türkei und Indien zwischen 15 und 20 %.

Rechnet man weitere 7 % Energieeinsparung aufgrund vermiedener Übertragungsverluste hinzu, kann ein netzunabhängiges Gleichstromsystem je nach Zeitpunkt der Belastung Energieeinsparungen zwischen 2 % und 32 % bei Bleibatterien und zwischen 22 % und 32 % bei Lithium-Ionen-Batterien bringen.

In einem netzunabhängigen Gleichstromsystem kann der Stromverbrauch mit einer Solaranlage gedeckt werden, die je nach Art der verwendeten Batterien ein Fünftel bis ein Drittel kleiner ist.

Geht man von 50 % Energieverbrauch am Tag und 50 % in der Nacht aus, so ergibt sich ein Gewinn von 17 % für ein netzunabhängiges System mit Blei-Säure-Batterien und 27 % für Lithium-Ionen-Speicher. Dies bedeutet, dass der Stromverbrauch mit einer um ein Fünftel bzw. ein Drittel kleineren Solaranlage gedeckt werden kann. Die Gesamtkosteneinsparungen bleiben etwas größer, da wir immer noch keinen Wechselrichter benötigen und die Installationskosten niedriger oder gar nicht vorhanden sind.

Speichert man die elektrische Energie vor Ort, dann erhöht das leider die Kapitalkosten erneut, da wir in Batterien investieren müssen. Dadurch wird der Kostenvorteil, den wir durch die Wahl eines Gleichstromsystems erzielt haben, zunichte gemacht. Das Gleiche gilt für die in den Produktionsprozess investierte Energie: Ein netzunabhängiges Gleichstromsystem erfordert weniger Energie für die Herstellung der Solarmodule, aber mindestens genauso viel Energie für die Herstellung der Batterien

Wir sollten jedoch Äpfel mit Äpfeln vergleichen: Eine netzunabhängige Gleichstrom-Solaranlage ist billiger und energieeffizienter als eine netzunabhängige Wechselstromanlage, und das ist es, was zählt. Die Lebenszyklusanalysen von netzgekoppelten Solaranlagen entsprechen nicht der Realität, weil sie eine wesentliche Komponente von Solarenergiesystemen außer Acht lassen.

Leitungsverluste

Es gibt jedoch noch eine weitere wichtige Sache zu beachten. Wie wir gesehen haben, ist der Leistungsverlust aufgrund des Kabelwiderstands proportional zum Quadrat des Stroms. Folglich haben Niederspannungs-Gleichstromnetze relativ hohe Kabelverluste innerhalb des Gebäudes. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie die Kabelverluste die Entscheidung für ein Gleichstromsystem ungünstig beeinflussen können. Die erste Möglichkeit ist die Verwendung von Geräten mit hoher Leistung, die zweite die Verwendung sehr langer Kabel.

Spannungsregelung in einem frühen elektrischen Kraftwerk. Quelle unbekannt.

Der Energieverlust in den Kabeln ist gleich dem Quadrat des Stroms (in Ampere), multipliziert mit dem Widerstand (in Ohm). Der Widerstand wird durch die Länge, den Durchmesser und das leitende Material der Kabel bestimmt. Ein Kupferkabel mit einem Querschnitt von 10 mm2, das eine Leistung von 100 Watt bei 12 V (8,33 A) über eine Entfernung von 10 Metern transportiert, ergibt einen akzeptablen Energieverlust von 3 %. Bei einer Kabellänge von 50 Metern beträgt der Energieverlust jedoch 16 %, und bei einer Länge von 100 Metern summiert sich der Energieverlust auf 32 % — genug, um die Effizienzvorteile eines Gleichstromnetzes selbst im optimistischsten Szenario zunichte zu machen.

Die relativ hohen Energieverluste in den Kabeln begrenzen den Einsatz von Geräten mit hoher Leistungsaufnahme

Die relativ hohen Kabelverluste schränken auch die Verwendung von Geräten mit hoher Leistung ein. Wenn Sie eine 1.000-Watt-Mikrowelle an einem 12-V-Gleichstromnetz betreiben wollen, summieren sich die Energieverluste bei einer Kabellänge von nur 1 Meter auf 16 % und steigen bei einer Kabellänge von 3 Metern auf 47 %.

Offenkundig eignet sich ein Niederspannungs-Netz nicht für den Betrieb von Geräten wie Waschmaschinen, Geschirrspülern, Staubsaugern, Elektroherden, Elektroöfen oder Warmwasserboilern. Beachten sie, dass in diesem Zusammenhang die Leistung und nicht die Energie wichtig ist. Energie ist Leistung mal Zeit. Ein Kühlschrank verbraucht viel mehr Energie als eine Mikrowelle, weil er 24 Stunden am Tag in Betrieb ist, aber seine Leistungsaufnahme kann so gering sein, dass er mit einem Gleichstromnetz betrieben werden kann.

Die Kabelverluste begrenzen auch die Gesamtleistung aller Kleingeräte. Wenn wir bei einer 12-V-Verkabelung mit einer Länge von 12 Metern ausgehen und die Kabelverluste unter 10 % halten wollen, ist die Gesamtleistung auf etwa 150 Watt begrenzt (8,5 % Kabelverlust). Dies ermöglicht beispielsweise die gleichzeitige Nutzung von zwei Laptops (jeweils 20 Watt), einem Gleichstromkühlschrank (45 Watt) und fünf 8-Watt-LED-Lampen (insgesamt 40 Watt), so dass noch 25 Watt für einige kleinere Geräte übrig bleiben.

Wie Kabelverluste begrenzt werden können

Es gibt mehrere Möglichkeiten, dem Problem der Kabelverluste bei einem Niederspannungs-Netz auszuweichen. Handelt es sich um einen Neubau, kann man mit der Raumanordnung die Länge der Verteilkabel erheblich verringern. Niederländischen Forschern ist es beispielsweise gelungen, die Gesamtkabellänge in einem Haus von 40 Metern auf 12 Meter zu reduzieren. Sie erreichten dies, indem sie die Küche und das Wohnzimmer (wo der meiste Strom verbraucht wird) in den ersten Stock verlegten, direkt unter das Dach (wo sich die Solarpaneele befinden), während sie die Schlafzimmer ins Erdgeschoss verlegten. Außerdem wurden die meisten Geräte im zentralen Teil des Gebäudes untergebracht, direkt unter den Solarpaneelen (siehe Abbildung unten). ¹⁴

Zeichnung: Konzept für ein Haus mit einem Netz für niedere Gleichspannung. Quelle: [^16]

Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Kabelverluste ist die Einrichtung mehrerer unabhängiger Solarsysteme für jeweils ein oder zwei Räume. Dies könnte die einzige Möglichkeit sein, das Problem in einem größeren bestehenden Gebäude zu lösen, das ohne Gleichstromsystem geplant wurde. Diese Strategie erfordert zwar den Einsatz zusätzlicher Solarladeregler, kann aber die Kabelverluste erheblich reduzieren. Außerdem kann bei diesem Ansatz die Leistungsaufnahme aller Geräte 150 Watt übersteigen.

Sieht man unabhängige Solarsysteme für jeweils ein oder zwei Zimmer vor, kann man Kabelverluste begrenzen und Verbraucher mit höherer Leistungsaufnahme zulassen

Eine dritte Möglichkeit zur Begrenzung der Kabelverluste besteht darin, eine höhere Spannung zu wählen: 24 oder 48 V anstelle von 12 V. Da die Energieverluste mit dem Quadrat des Stroms zunehmen, führt eine Verdopplung der Spannung von 12 auf 24 V zu einer Verringerung der Kabelverluste um den Faktor vier, und ein Wechsel auf 48 V verringert sie um das Sechzehnfache. Dieser Ansatz ermöglicht auch die Verwendung von Geräten mit höherer Leistung und erhöht die Gesamtleistung, die von einem Gleichstromsystem genutzt werden kann. Höhere Spannungen haben jedoch auch einige Nachteile.

Erstens arbeiten die meisten derzeit auf dem Markt befindlichen Niederspannungs-Gleichstromgeräte mit 12 V, so dass die Verwendung eines 24- oder 48-V-Gleichstromnetzes den Einsatz von mehr DC/DC-Adaptern erfordert, die die Spannung herabsetzen und dabei Umwandlungsverluste aufweisen. Zweitens entfallen bei höheren Spannungen (über 24 V) die Sicherheitsvorteile eines Gleichstromsystems. In Rechenzentren und Büros sowie in den amerikanischen Wohngebäuden der oben erwähnten Studie wird Gleichstrom mit 380 V im ganzen Gebäude verteilt, was jedoch ebenso strenge Sicherheitsmaßnahmen erfordert wie bei 110 V oder 220 V Wechselstrom. ¹⁵

Langsame Elektizität

Wenn man die Kabellänge reduziert oder die Spannung auf 24 V verdoppelt, erlaubt dies immer noch nicht, Geräte mit hoher Leistungsaufnahme einzusetzen wie eine Mikrowelle oder eine Waschmaschine. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Die erste besteht darin, ein hybrides AC/DC-System zu installieren. In diesem Fall wird ein Gleichstromnetz für Geräte mit geringem Stromverbrauch wie LED-Leuchten (10 Watt), Laptops (20 Watt), Fernseher (30-90 Watt) und Kühlschränke (50 Watt) eingerichtet, während ein separates Wechselstromnetz für Geräte mit hohem Stromverbrauch genutzt wird. Dieser Ansatz für Privathaushalte und kleine Büros wird von der EMerge Alliance gefördert, einem Konsortium von Herstellern von Gleichstromprodukten, das einen Standard für ein Hybridsystem aus 24 V Gleichstrom und 110-220 V Wechselstrom entwickelt hat. ¹⁶

Im späten 19. Jahrhundert war der einzige elektrische Verbraucher im Haushalt die Beleuchtung.

Geräte mit geringer Leistung sind (im Durchschnitt) für 35-50 % des gesamten Stromverbrauchs in einem Haushalt verantwortlich. Selbst im günstigsten Fall (50 % der Last) halbiert ein Hybridsystem die oben berechneten Energieeffizienzgewinne, so dass je nach Art der verwendeten Batterien nur 8,5 % bis 13,5 % Energieeinsparung übrig bleiben. Diese Zahlen werden aufgrund der Kabelverluste noch niedriger sein. Kurz gesagt, ein hybrides AC/DC-System bringt eher geringe Energieeinsparungen, die leicht durch Bumerangeffekte zunichte gemacht werden können.

Die zweite Möglichkeit, das Problem der Geräte mit hoher Leistungsaufnahme zu lösen, besteht darin, sie einfach nicht zu verwenden. Dies ist der Ansatz, der in Segelbooten, Wohnmobilen und Wohnwagen verfolgt wird, wo ein unterstützendes Wechselstromverteilsystem einfach nicht in Frage kommt. Dies ist die nachhaltigste Art und Weise mit den Grenzen eines Gleichstrom-Systems umzugehen, denn in diesem Fall führt die Entscheidung für Gleichstrom auch zu einer Reduzierung des Energiebedarfs. Die Gesamtenergieeinsparungen könnten also viel größer sein als die oben berechneten 17-27 %, und dann haben wir im Ergebnis eine radikal bessere Lösung, die etwas bewegen könnte.

Eine Möglichkeit, das Problem der Geräte mit hoher Leistungsaufnahme zu lösen, besteht darin, sie einfach nicht zu benutzen — dies ist der Ansatz, der in Segelbooten, Wohnmobilen und Wohnwagen verfolgt wird

Diese Strategie setzt offenkundig eine Änderung unserer Lebensweise voraus. Sie würde bedeuten, dass Strom nur noch für Beleuchtung, Elektronik und Kühlung verwendet wird, während für alle anderen Geräte nicht-elektrische Alternativen gewählt werden. Nicht zufällig ähnelt dies der Art und Weise, wie Gleichstromnetze im späten neunzehnten Jahrhundert betrieben wurden, als die einzige elektrische Last die Beleuchtung war — zunächst mit Bogenlampen und später mit Glühbirnen.

Also keine Spülmaschine, sondern Abwaschen mit der Hand. Keine Waschmaschine, sondern Wäsche waschen in einem Waschsalon oder mit einer handbetriebenen Maschine. Kein Wäschetrockner, dafür aber eine Wäscheleine. Keine bequemen und zeitsparenden Küchengeräte wie Wasserkocher, Mikrowelle und Kaffeemaschine, sondern ein traditioneller, mit (Bio-)Gas betriebener Kochherd, ein Solarkocher oder ein Raketenherd. Kein Staubsauger, sondern ein Besen und ein Teppichklopfer. Keine Gefriertruhe, sondern frische Zutaten. Kein elektrischer Warmwasserboiler, sondern ein Solarboiler und am Waschbecken waschen, wenn die Sonne nicht scheint. Kein Elektroauto sondern ein Fahrrad.

Um herauszufinden, was möglich ist, bauen wir den Hauptsitz des Low-tech Magazine in ein netzunabhängiges 12-V-Gleichstromsystem um — mehr dazu im nächsten Beitrag.

Es gibt eine Analogie zur Wasserkraft: Die elektrische Spannung entspricht dem Wasserdruck, während der elektrische Strom dem Wasserfluss entspricht. Die Erfindung des Hydraulikspeichers in den 1850er Jahren ermöglichte einen höheren Wasserdruck und damit einen effizienten Transport von Wasserkraft über große Entfernungen. ↩︎
Study and simulation of a DC microgrid with focus on efficiency, use of materials and economic constraints (PDF), Simon Willems; Wouter Aerts, 2013-14 ↩︎
Direct Current supply grids for LED lighting, LED professional ↩︎ ↩︎
DC microgrids scoping study: estimate of technical and economic benefits, Scott Backhaus et al., March 2015 ↩︎
DC microgrids and the virtues of local electricity, Rajendra Singh & Krishna Shenai, IEEE Spectrum, 2014 ↩︎
Comparison of cost and efficiency of DC versus AC in office buildings (PDF), Giuseppe Laudani, 2014 ↩︎ ↩︎ ↩︎
Edison’s Revenge, The Economist, 2013 ↩︎
Catalog of DC appliances and power systems, Karina Garbesi, Vagelis Vossos and Hongxia Shen, 2011 ↩︎ ↩︎ ↩︎
DC building network and storage for BIPV integration, J. Hofer et al., CISBAT 2015, 2015 ↩︎
Allerdings wird ein Gleichspannungs-System in Rechenzentren uns nicht zu einem weniger energiehungrigen Internet verhelfen — ganz im Gegenteil. ↩︎
Es ist auch festzuhalten, dass die Effizienz von Netzadaptern deutlich verbessert werden könnte, besonders für Geräte mit kleiner Leistung. Viele Steckernetzteile vergeuden ohne Not Energie weil die Gerätehersteller ihre Kosten senken möchten. Würde sich das ändern, etwa durch neue Gesetze, würde der Vorteil, der mit der Umstellung auf ein Gleichstrom-Netz verbunden ist, kleiner. ↩︎
Energy savings from direct-DC in US residential buildings, Vagelis Vossos et al, in Energy and Buildings, 2014 ↩︎
In dieser Studie benutzen die Gebäude eine Kombination aus 24V Gleichstrom für Verbraucher mit kleiner Leistung und 380V Gleichstrom für solche mit großer Leistung sowie für die Energieverteilung im Haus, um Kabelverluste zu begrenzen. ↩︎
Concept for a DC low voltage house (PDF), Maaike Friedeman et al, Sustainable building 2002 conference ↩︎
Eine letzte — und ziemlich verzweifelte — Möglichkeit, die Verteilungsverluste zu verringern, ist die Verwendung dickerer Kabel. Der Widerstand in elektrischen Leitungen kann nicht nur durch Verkürzung der Kabel, sondern auch durch Vergrößerung ihres Durchmessers verringert werden (Durchmesser bezieht sich hier auf den Kupferkern). Wenn wir zum Beispiel Kabel von 100 mm2 Durchmesser statt solche von 10 mm2 verwenden, können wir bei gleichem Energieverlust zehnmal längere Kabel verwenden. Die Verteilung von 12 V Gleichstrom über 100 m Kabel würde einen Energieverlust von nur 3 % ergeben. Ein Problem bei diesem Ansatz ist, dass die Kosten für Stromkabel linear mit dem Durchmesser ansteigen. Ein Meter eines 100 mm2-Kabels kostet etwa 50 Euro, während ein 10 mm2-Kabel nur 5 Euro kostet. Auch die Nachhaltigkeit leidet darunter, denn der höhere Kupferverbrauch hat erhebliche Umweltkosten zur Folge. Außerdem sind dicke Kabel schwer und weniger handlich. Vielen Dank an Herman van Munster und Arie van Ziel, die dies klargestellt haben. ↩︎
Our standards, EMerge Alliance, abgerufen im April 2016. ↩︎