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Grüne Off-Grid-Systeme

Endlich saubere Elektrizität für über eine Milliarde Menschen?

Text: Birgit Scheuch, 14.03.2018

Das UN-Nachhaltigkeitsziel #7 formuliert es eindeutig: Bis 2030 sollen alle Menschen Zugang zu bezahlbarer, verlässlicher, nachhaltiger und moderner Energie haben. Bloß wie? Durch eine unabhängige, lokale oder regionale Stromversorgung auf Basis erneuerbarer Energien.

„Ein Ort ohne Strom, das ist für uns schwer vorstellbar. Nachts, auf der Straße ohne jede Lichtquelle um dich herum, das ist gespenstisch. Da gehst du nicht aus dem Haus.“

Was Heiko Stieber, Projektleiter bei der SMA Sunbelt GmbH, auf Haiti erlebt hat, ist für rund eine Milliarde Menschen Realität: Unzählige Orte auf der Welt sind nicht an das zentrale Stromnetz ihres Landes angeschlossen. Die Aussicht, dass es je geschieht: düster. Tausende Kilometer Stromleitung müssten gebaut, betrieben und gewartet werden. Und das scheitert an technischen Mitteln – oder an einer Investitionspolitik, die Megakraftwerke und Stromtrassen für die Schwerindustrie bevorzugt, weil sie sich davon Steuereinnahmen und Prestige erhofft.

Langfristig gedacht, ist die Stromversorgung der ländlichen Bevölkerung jedoch von höchster Bedeutung für die Entwicklung eines Landes. Ohne Elektrizität ist die digitalisierte Welt unerreichbar, wirtschaftliche Teilhabe und gesellschaftliche Entwicklung erschwert. Wer sich den Luxus leisten kann, erleuchtet den Wohnraum mit einer Petroleumlampe oder erzeugt den Strom fürs Mobiltelefon und den Fernseher mit einem Dieselgenerator. Deren Emissionen aber sind Gift für die Umwelt und die Klimaziele – umso mehr bei einer stark wachsenden Bevölkerung.

Die Lösung – Off-Grid-Systeme auf Basis erneuerbarer Energien.

Diesel-Aggregate auf einem Marktplatz in Nigeria. Quelle: RLI

Was sind Off-Grid-Systeme?

Das kleinste Off-Grid-System ist das Solar-Home-System, eine autarke Photovoltaikanlage mit Batterie und Wechselrichter, die einem Haushalt wenigstens die Nutzung einer Lichtquelle, des Mobiltelefons und eines Radios ermöglicht.

Für die kontinuierliche Stromversorgung einer Region sind Mini-Grids oder Mini-Netze die Lösung. Gemeint sind damit vom zentralen Verbundnetz unabhängige Systeme, die Strom erzeugen und ihn an Abnehmer in einem begrenzten Gebiet verteilen. Das können die Klinikgebäude eines Gesundheitszentrums sein, eine städtische Nachbarschaft, eine isolierte Siedlung oder eine Insel. Je nach Erzeugungskapazität wird auch von Micro-Grids oder Mikro-Netzen gesprochen. Sie können grundsätzlich und auf Dauer vom Stromnetz unabhängig geplant sein. Oder sie dienen als Übergangslösung bis zu einem geplanten Anschluss an das öffentliche Stromnetz.

Green Mini-Grids nutzen ausschließlich klimaneutrale Technologien, also Photovoltaik, Wind, Wasserkraft oder Biomasse zur Stromerzeugung.

Sauberer, billiger und smarter

Forscher:innen am unabhängigen, gemeinnützigen Reiner Lemoine Institut haben ein Tool entwickelt, das Szenarien für die Elektrifizierung einer Region oder auch der ganzen Welt bis 2030 visualisiert.

Visualisierung von Elektrifizierungsszenarien im Renewable Off-Grid Explorer des Reiner Lemoine Instituts

Ihr Renewable Energy Off-Grid Explorer zeigt, welche Investitionen und welcher Ausstoß von Treibhausgasen zu erwarten sind, wenn die 100-prozentige Elektrifizierung nach bisherigem Muster – oder durch Netzausbau, neue Mini-Grids und Solar-Home-Systeme in unterschiedlicher Kombination geschieht.

Nach dieser Kalkulation wäre eine Versorgung der Weltbevölkerung überwiegend mit Off-Grid-Systemen erstens machbar. Zweitens würde sie weniger kosten als der vorrangige Ausbau von zentralen Netzen. Drittens würden kleinere lokale Stromnetze auf Basis erneuerbarer Energien nur geringe Treibhausgas-Emissionen verursachen und die Installation von Solar-Home-Systemen gar keine.

Das Fazit der dazugehörigen, vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) geförderten Studie lautet: Die Elektrifizierung mithilfe von Off-Grid-Lösungen auf Basis erneuerbarer Energien ist sauberer, billiger und intelligenter als alle anderen Optionen.

Die Modellrechnungen des Reiner Lemoine Instituts zeigen: Die Elektrifizierung mithilfe von Off-Grid-Lösungen auf Basis erneuerbarer Energien ist sauberer, billiger und intelligenter. Grafik: GIZ

Globaler Top-Trend – dezentrale, netzunabhängige und nachhaltige Energiesysteme

Institutionen wie die Weltbank, Forschungsinstitute und Wirtschaftsexpert:innen haben Off-Grid-Systeme auf der Agenda. Die Förderprogramme des Climate Investment Fund, der Afrikanischen Entwicklungsbank, der Gesellschaft für internationale Zusammenarbeit (GIZ), von USAid, Initiativen der Wirtschaft und wirtschaftsnaher Institutionen wie der Rockefeller Foundation belaufen sich auf Milliarden von Euro und US-Dollar.

Denn mit grünen Off-Grid-Systeme wird das UN-Nachhaltigkeitsziel #7, der allgemeine Zugang zu Energie überhaupt erst realistisch, ohne dass ein zweites Nachhaltigkeitsziel, die Abschwächung des Klimawandels, dafür geopfert werden muss.

Weltweit könnten laut einem Hochrechnung der ESMAP (ein Programm der Weltbank) durch die Installation von 210.000 solarbetriebenen Mini-Stromnetzen im Vergleich zu herkömmlichen Szenarien 1,5 Milliarden Tonnen CO2-Emissionen vermieden werden.

Kurz gesagt, Mini-Netze haben zusammen mit netzunabhängigen Solaranlagen ein großes Potenzial, der Welt bei der kostengünstigen Verwirklichung des Nachhaltigkeitsziels #7 bis 2030 zu helfen.

Mini-Grids Market Report 2020

In der Praxis erklären sich die massiven Investitionen so: Die Politik erhofft sich von der Forschung Erkenntnisse für den Export. Die Wirtschaft sichert sich Absatzmärkte – zunächst für Technologien rund um erneuerbare Energien und mit dem zunehmenden Wohlstand elektrifizierter Regionen für weitere Produkte und Dienstleistungen. Und der Emissionshandel braucht Projekte, die sich für einen CO2-Ausgleich über Zertifikate eignen.

Parallel hierzu sind die Herstellungskosten für grüne Mini-Grids im letzten Jahrzehnt erheblich gesunken, was die Attraktivität noch steigert. Laut dem ESMAP-Bericht wird die Kilowattstunde Strom aus Mini-Netzen im Jahr 2030 gegenüber jetzt um zwei Drittel niedriger sein.

Und so steigen die Chancen auf eine flächendeckende Versorgung der schwach elektrifizierten Länder bis 2030. Pro Jahr und Land wären dafür laut ESMAP 1600 neue Mini-Netze zu installieren und würden schließlich 40 Prozent des weltweiten Strombedarfs von Mini-Grids erzeugt und verteilt.

Daten und Fakten zur Schließung der Stromversorgungslücke mithilfe von Mini-Grids.
Quelle: Mini Grids for Half a Billion People: Market Outlook and Handbook for Decision Makers 2019, Weltbank/ESMAP

Druck von unten – No Power, no Vote!

Die Dynamik der Entwicklung ist auch an den laufenden Projekten der SMA Sunbelt Energy GmbH abzulesen. Das Unternehmen konzentriert sich auf innovative netzunabhängige, hybride und batteriegestützte Projekte und unterstützt lokale Distributoren beim Aufbau des Off-Grid-Geschäfts. Heiko Stieber hat als Projektleiter diverse Mikro- und Mini-Netze in der Karibik und Afrika an den Start gebracht. Derzeit ist er an einem Projekt im Senegal beteiligt, durch das rund 330.000 Einwohner:innen von mehr als 400 Dörfern Zugang zu Strom bekommen sollen.

Heiko Stieber erklärt: „Es gibt dort Regionen, die das Netz nicht erreichen kann – Naturschutzgebiete oder einfach zu abgelegene Orte. Hier werden 78 Off-Grid-Systeme installiert. Dafür werden Baustellen-Container vor Ort umgebaut. Die Photovoltaik dient teilweise als Sonnenschutz und ein Teil des Containers wird als gewerbliche Fläche nutzbar sein. Wir sind dabei, die Ingenieure der nationalen Elektrizitätsgesellschaft des Senegal, SENELEC, zu den Systemen zu trainieren.“

Weil mittlerweile in den Orten, die nicht auf dem Elektrifizierungsplan stehen, das Motto „No Power – No Vote“ umgeht, steht die senegalesische Regierung unter Handlungsdruck. Für Heiko Stieber ist offensichtlich, dass das Tempo der Elektrifizierung eher zu- als abnehmen wird.

„Unsere Off Grid-Systeme im Senegal sind so ausgelegt, dass sie wachsen können.“

– Heiko Stieber begleitet als Projektleiter für die SMA Sunbelt GmbH die Einführung von Off-Grid-Systemen in der Karibik und Afrika.

Kein leichtes Unterfangen – Planung und Umsetzung von Off-Grid-Systemen

So niedlich sich die Bezeichnung „Mini-Netze“ anhören mag, so vertrackt ist die Umsetzung. Es beginnt mit der Frage, welcher Energiebedarf überhaupt vorliegt.

Braucht eine Handvoll Familien auf absehbare Zeit nur ab und zu Strom, ist wahrscheinlich ein Solar-Home-System die beste Lösung. Ein regionales Gesundheitszentrum benötigt vielleicht keine großen Mengen Energie, aber bitte ohne Unterbrechung. Das spricht für ein Solar-Hybrid-System, bei dem ein Diesel-Aggregat ausgleicht, was nachts und in Regenzeiten Photovoltaik plus Batterie nicht hergeben. Für einen Bezirk wiederum könnte ein ausbaufähiges Mini-Netz das Richtige sein, bei dem wiederum der richtige Standort entscheidend ist.

Die häufig schlechte Datenlage kompensieren Philipp Blechinger, der Leiter des Forschungsbereichs Off-Grid Systems am Reiner Lemoine Institut und sein Team mit empirischer Forschung, Feldstudien und der Entwicklung von offenen Modellierungstools zur Planung von Off-Grid Systemen und Elektrifizierungsstrategien „Wir haben beispielsweise 2021 für das Projekt PeopleSun 5 000 Haushalte in ganz Nigeria befragt, um ein besseres Verständnis zum Energiebedarf zu gewinnen.“

„Elektrifizierung und Klimaschutz müssen stärker miteinander verknüpft werden, um die Nachhaltigkeitsziele zu erreichen.“

– Dr. Philipp Blechinger leitet den Forschungsbereich Off-Grid Systems am Reiner Lemoine Institut.

Eine Frage des Wollens – Energiepolitik und hinderliche Strukturen

„Unsere Off Grid-Systeme im Senegal sind so ausgelegt, dass sie wachsen können,“ erklärt Heiko Stieber, „das heißt, dass sie untereinander zu einem elektrischen Netz verbunden werden können. Wenn diese Inselnetze bis auf fünf Meilen an das zentrale Netz heranwachsen, müssen sie angeschlossen werden.“

Genau dieser „drohende“ Anschluss jedoch ist es, der den Ausbau von Off-Grid-Systemen derzeit oft behindert. Entwickler:innen und Investor:innen fragen sich: Was passiert, wenn das öffentliche Stromnetz die Region erreicht (falls es sie je erreicht)? Das ist vielerorts vollkommen ungeklärt oder zum Nachteil der Mini-Netze und Offgrid-Systeme geregelt. Und solche Risiken schrecken Investor:innen ab.

Deshalb empfehlen alle großen Studien zum Thema, die dezentralen Systeme in die nationale Energiepolitik, -planung und -regulierung einzubeziehen. Das heißt, hinderliche Gesetze zu überarbeiten, die dem Netzausbau absoluten Vorrang einräumen und das Procedere für den Übergang zu festzulegen. Der autonome Weiterbetrieb, ein staatlicher Versorgungsauftrag oder eine Kompensation – alles ist besser als eine erzwungene Abschaltung.

Nachhaltiger Wandel – Chancen auf ein besseres Leben

Mit der Elektrifizierung eines Ortes oder einer Region beginnt eine neue Zeitrechnung: Wo Lernen unabhängig vom Tageslicht möglich ist, steigen die Chancen auf eine angemessene Schul- und Berufsbildung.

Strom für Geräte und Maschinen zur Arbeitserleichterung erhöht Produktivität und Einnahmen lokaler Unternehmen. Mit Beleuchtung sind andere Arbeitszeiten möglich. Mit Handys und Mobilgeräten – und einer zuverlässigen Mobilfunkanlage – ist ein größerer Kundenkreis zu erreichen.

Der unterbrechungsfreie Betrieb von medizinischen Geräten, gut ausgeleuchtete Operationsfelder, die Kühlung von Medikamenten – die Stromversorgung entscheidet darüber, auf welchem Niveau Kliniken und Gesundheitszentren arbeiten können.

Eine Frage der Balance – die Entwicklung von Stromangebot und -nachfrage

Und doch – wer glaubt, dass mit dem Zugang zu Strom die lokale Bevölkerung über Nacht zu mehr Wohlstand kommt, ist auf dem Holzweg. Mit dem Anschluss an ein Off-Grid-System sind die Herausforderungen noch lange nicht zu Ende. Zunächst ist die Situation so, berichtet Heiko Stieber: „In Werkstätten und Unternehmen wurde bisher sehr viel mit Handarbeit gemacht. Elektrische Werkzeuge gibt es nicht, weil es ja keinen Strom gab.“ Aber erst mit verlässlichen Abnehmer:innen für den produzierten Strom rentiert sich der Betrieb eines Mikro- oder Mini-Netzes irgendwann.

Braucht es also beispielsweise eine Anschubfinanzierung, sodass ein Tischler oder eine Schneiderin sich Geräte anschaffen und das Geschäft vergrößern, irgendwann Gehälter zahlen können? Könnte Know-how zur marktgerechten Weiterverarbeitung der Ernte bewirken, dass mehr Geld in der Region erwirtschaftet wird? Klar wäre es günstiger und gesünder für eine Familie, die klimaschädliche Holz- oder Kerosinfeuerstelle zu ersetzen. Aber ohne elektrischen Herd wird das Kochen mit Solarstrom wohl nicht funktionieren. Und zu guter Letzt: Wer wartet und repariert das Mikro- oder Mini-Netz? Es kann sinnvoll sein, Solar- und Netztechniker:innen auszubilden und vorerst für ihre Gehälter aufzukommen. Wo all diese Themen nicht mitbedacht und geregelt werden, nehmen Anlagen nicht selten Schaden und verwaisen.

In der Beschreibung eines Projekts der deutschen Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit laufen diese begleitenden Maßnahmen unter dem Stichwort „produktive Nutzung“. Vorgesehen ist die „Durchführung von Schulungen und Bereitstellung von Finanzmitteln für kleine und mittlere Unternehmen, Kleinbäuerinnen und -bauern sowie Haushalte, um sicherzustellen, dass die Elektrizität zur Förderung der wirtschaftlichen Entwicklung genutzt wird, und um das Mini-Grid-Geschäftsmodell nachhaltig zu gestalten.“ Außerdem unterstützen Kooperationspartner aus dem Handwerk Maßnahmen zur Aus- und Fortbildung von Solar- und Mini-Grid-Techniker:innen.Und in einem weiteren GIZ-Projekt, das Mini-Grids in Uganda fördert, wurden beispielsweise 800.000 ugandische Haushalte mit modernen Elektroherden ausgestattet.

Und genau das ist es, was Philipp Blechinger an seiner Aufgabe besonders spannend findet: „Weil hier technologische Innovationen auf schwierige sozio-ökonomische Rahmenbedingungen treffen, muss sehr interdisziplinär gearbeitet werden.“

„Einige Projektträger zielen neben Privatkunden auch auf kleine Unternehmen und Industriekunden ab, um das durchschnittliche Ertragsniveau und damit die Rentabilität zu erhöhen. Andere finanzieren Geräte, um die Nachfrage anzukurbeln, oder werden selbst zu Abnehmern.“

State of the Global Mini-Grids Market Report 2020

Eine Frage des Geldes – Abrechnung und Tarife

Für beide, den Mini-Netz-Forscher und den Praktiker, ist der Dreh- und Angelpunkt jedes Projekts die Abrechnung und Bezahlung. Heiko Stieber: „In Orten wie Tiburon auf Haiti gibt es Kunden mit einem elektrischen Anschluss für Licht, bisschen Musik und vielleicht einen Fernseher. Der Kunde hat vielleicht eine Stromrechnung von 10 Dollar. Ein Zähler, wie wir ihn kennen, funktioniert da nicht, weil die Zählermiete und der Eigenverbrauch des Zählers im Verhältnis viel zu hoch ist.“

Die lokalen Betreiber:innen entwickeln deshalb immer neue Nutzungs- und Zahlungsmodelle. Bei Earthsparks, dem haitianischen Entwicklungspartner von Sunbelt, bekommen die Kund:innen beispielsweise eine Karte, die sie im Büro vollladen lassen. „Die stecken sie dann in den Zähler und verbrauchen ihr Stromguthaben wie bei einer Telefonkarte.“, erklärt Heiko Stieber das Prepaid-Modell. „Es sind aber ständig neue Dinge in der Entwicklung wie beispielsweise ein Zähler, auf den der Kunde über das Handy Guthaben aufspielen kann.“

Und schließlich zieht die Installation einer solchen Anlage eine große gesellschaftliche Veränderung nach sich, und dieses Umdenken ist für Heiko Stieber tatsächlich die größte Herausforderung an einem solchen Projekt. „Die Menschen müssen das Neue ja erst einmal verstehen: In Afrika haben wir Anlagen für Buschkrankenhäuser installiert, da haben die Ärzte lange noch mit dem Kinn an der Schulter operiert, weil sie es gewohnt waren, mit einer eingeklemmten Taschenlampe zu operieren, für den Fall, dass der Generator aussetzt.“

Aber zu guter Letzt, wenn endlich der Strom angeht, ist das ein Unterschied wie Tag und Nacht. Heiko Stieber: „Allein eine Straßenbeleuchtung macht etwas mit dem Sicherheitsgefühl und dadurch auch mit den sozialen Kontakten. Du gehst eher mal raus und triffst dich. An dem Abend, an dem erstmals Strom aus der Batterie kam und wir Licht hatten – es war faszinierend zu sehen, wie die ganze Ortschaft auflebt.“

Mini-Netze sind kein neues Phänomen

Fast alle heutigen zentralisierten Stromnetz-Systeme entstanden aus isolierten Mini-Netzen, die nach und nach zusammengeschaltet wurden. […] Diese Ende des 19. und im frühen 20. Jahrhundert eingeführten Mini-Grid-Systeme waren entscheidend für die frühe Entwicklung und Industrialisierung der meisten modernen Volkswirtschaften, darunter Brasilien, China, Dänemark, Italien, die Niederlande, Spanien, Schweden, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten.

Mini-Grid-Handbuch des ESMAP, 2019 Executive Summary

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