Energieerzeugung und Energiesicherheit in Kasachstan

Kasachstan hat mit seiner Bevölkerungszahl von ca. 17,3 Millionen und einer Fläche von 2,7 Millionen Quadratkilometern eine problematische Energieversorgung. Große Entfernungen und eine veraltete Technik sind die Faktoren für eine kostenintensive Zentrale Energieversorgung.

Aufgrund von geografischen und geschichtlichen Gegebenheiten ist das kasachische Übertragungssystem mit dem der Nachbarländer verbunden. Das nördliche Netz, in dem ca. 70 Prozent der Elektrizität des Landes erzeugt und verbraucht werden, hat Anschluss an das russische Netz. Das südliche Netz ist mit dem Nordnetz durch eine 500kV-Leitung sowie mit dem zentralasiatischem Netz verbunden. Die Erzeugerkapazität beträgt etwa 18GW. Die Leitungsverluste betragen 15 bis 18 Prozent.

Der Stromhandel Kasachstans mit den Nachbarstaaten zeigt mögliche Abhängigkeiten. Das Ziel sollte eine Autarkie in der Energieerzeugung sein. Realisiert wird das durch den Ersatz der veralteten Technik und der Errichtung von Erzeugungsanlagen der regenerativen Energie, wie Windkraftanlagen, Solaranlagen, Geothermische Anlagen und andere. Um die meteorologisch bedingten Schwankungen auszugleichen, müssen Gasturbinenkraftwerke installiert werden. Dadurch entsteht parallel eine dezentrale Energieversorgung, die die Sicherheit erhöht. Die Erzeugung des Kohlestroms wird reduziert und die Umwelt entlastet. Die Leitungsverluste werden reduziert und die Wirkungsgrade erhöht.

Maßnahmen zur Senkung des Stromverbrauchs

Auch der Stromverbrauch pro Kopf ist in Kasachstan schon lange eindeutig zu hoch. Um diesen Zustand zu verbessern, bieten sich einige Wege an:

Zum einen könnte die zentrale Energieversorgung durch dezentrale Energieversorgung entlastet werden. Dies sollte unter Ausschöpfung der großen vorhandenen Potenziale der erneuerbaren Energiequellen geschehen. Außerdem gibt es einige entlegene Dörfer ohne Elektrizität, deren Anschluss an das Versorgungsnetz bislang nicht wirtschaftlich ist, die dann mitberücksichtigt werden können.

Zum anderen könnten effiziente Industrietechnologien eingeführt werden, denn im Vergleich zu Europa wird in Kasachstan immer noch zu viel Energie für die Herstellung eines Produktes benötigt.

Ein weiterer Schlüssel zur Senkung des Stromverbrauchs liegt zudem im energieeffizienten Bauen, denn der größte Energieanteil entfällt zurzeit auf Heizwärme. Da in den meisten Städten die Heizung über Fernwärme betrieben wird, kommen noch die immensen Leitungsverluste hinzu, die teilweise bis zu 50 Prozent betragen. In vielen Städten muss demnach das Heiznetz komplett saniert werden. Das ist durch die Nachbebauung mit erheblichen Kosten verbunden. Durch Einbindung von Blockheizkraftwerken in einzelne Stadtteile verringern sich die Kosten drastisch und die zentrale Stromerzeugung wird entlastet.

Dezentrale Energieversorgung unter Ausnutzung von Windkraft

Mit Blick auf den ersten Vorschlag bieten sich die großen windgünstigen Regionen in Kasachstan an, um in Größenordnungen Strom herzustellen. Nach nationalen und internationalen Schätzungen ließe sich in ausgewählten Regionen mit einer Gesamtfläche von 90.000 Quadratkilometern eine potentielle elektrische Leistung von 210 GW generieren. Bei Volllaststunden von durchschnittlich 2.600 Stunden ergibt das einen Jahresertrag von 550 TWh.

Es handelt sich meist um Flächen, die keiner wirtschaftlichen Nutzung unterliegen, womit sich die Erzeugung von Windstrom nahezu anbietet, zumal der Betrieb den Lebensraum der Bevölkerung nicht berührt. Hier sollen stellvertretend zwei Gebiete genannt werden, die sich hervorragend für Windstromerzeugung eignen. Diese sind die „Dschungarische Pforte“ im Bezirk Alakolskiy und der „Tschillyk-Korridor“, der zwischen den Städten Tschillyk und Tscharyn, ca. 150 Kilometer nordöstlich von Almaty, liegt. Die Investitionskosten für Windkraftanlagen liegen zurzeit etwa bei 1.000 Euro pro KW.

Für den Betrieb von Windkraftanlagen ist eine Reihe von Bedingungen gegeben. So muss sich das Gebiet in der Nähe einer Hochspannungstrasse befinden. Es braucht ein mit dem Lastgang übereinstimmendes Windpotenzial, das im Winter größer ist als im Sommer. Zudem müssen gut ausgebaute Verkehrswege, ein regionaler Stromabsatz und Möglichkeit für den Stromexport vorhanden sein.

Schwachstellen analysieren

Jedoch gibt es auch Alternativen zu dieser Herangehensweise. Beim Ansatz „Power to Gas“ etwa wird über Elektrolyse Wasserstoff hergestellt und mit Kohlendioxid zu Methan verarbeitet. Das Methan wird in das Gasnetz gespeichert. Eine weitere Möglichkeit wäre, dass der Windstrom Druckluft erzeugt, die in Kavernen gespeichert wird und bei Entladung wieder Strom herstellt, oder die Druckluft zum Betrieb von Gasturbinen dient, womit sich der Wirkungsgrad der Gasturbine erhöht. Ebenso könnte der Windstrom für Heizzwecke genutzt werden, denn wenn der Wind die Wärme aus den Häusern treibt, bringt die Windkraftanlage die Energie zurück. Und schließlich könnte der Windstrom für Pumpanlagen eingesetzt werden.

Um die Windstromerzeugung zu stabilisieren und zu sichern, sind an den bereits bestehenden Windkraftparks alle Schwachstellen zu analysieren und unter den meteorologischen Bedingungen Kasachstans zu modifizieren. Instandhaltungspersonal ist in den Herstellerländern zu schulen und evtl. sind Lizenzen für den Eigenbau zu erwerben. Unter logistischen und Montagebedingungen ist eine Standardleistung zu wählen, zum Beispiel 1,5 MW, da genügend Platz ist. Zur Weiterentwicklung des Standardtyps ist ein ausgesuchtes Gremium von Fachleuten zu bilden.

Das große Potential von Solarenergie

Neben der Windkraft ist Solarenergie eine weitere wichtige Säule, um das skizzierte Ziel einer Entlastung der zentralen durch eine dezentrale Energieversorgung zu erreichen. Obwohl Kasachstan zu den nördlich gelegenen Ländern gehört, verfügt es wegen seines trockenen Klimas über eine relativ hohe Solareinstrahlung. Es sind 2.200 bis 3.000 Sonnenstunden zu verzeichnen, bei einer Einstrahlung von 1.300 bis 1.800 KWh/Quadratmeter pro Jahr.

In den letzten Jahren sind die Preise für Fotovoltaikanlagen fallend und bewegen sich zurzeit im Bereich von ca. 2.000 Euro pro KW, so dass auch diese Technik für Kasachstan interessant wird. Da große Flächen vorhanden sind, können Systeme im Megawattbereich installiert werden. Teilweise sind schon einige Anlagen installiert und es werden schon Module in Kasachstan hergestellt. Solche Anlagen befinden sich in Deutschland, Italien und Spanien und arbeiten zuverlässig.

Fotovoltaikanlagen in Kombination mit Windkraftanlagen können einen hohen Grundlastanteil liefern. Nachteil dieser Konfiguration sind die Schwankungen, die meteorologisch bedingt sind. Hier muss eine so genannte Regellast installiert werden. Diese Erzeugerkapazität muss schnell an das Netz gehen, um die Schwankungen auszugleichen. Dazu sind Gasturbinenkraftwerke gut geeignet. Für kleine Leistungen bis 5 MW können auch Blockheizkraftwerke eingesetzt werden.

Von Europas Erfahrungen im Bereich Solar profitieren

Für Kasachstan wäre ein Erfahrungsaustausch mit den Betreibern in Europa sinnvoll, denn es gibt zum Beispiel in Deutschland Lastlagen, in der die regenerative Energie fast vollständig den Bedarf abdeckt und ein Lastregime für die Kraftwerkskapazität unabdingbar ist. Solarthermische Kraftwerke wie in den Emiraten, Spanien und den Vereinigten Staaten sind für Kasachstan nicht geeignet und sollen nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden.

Solarkollektoren zur Warmwasserherstellung sind in Kasachstan wenig verbreitet, können aber im Sommer eine große Energieeinsparung erzielen. Versuche in Alaska haben gezeigt, dass auch hier mit Röhrenkollektoren Warmwasser hergestellt werden kann. Diese Technik ist ausgereift und einfach in der Installation und Anwendung. Eine eigene Herstellung in Kasachstan durch Lizenzübernahme würde das Preisniveau bestimmen und Arbeitsplätze schaffen.

Eine Sonderform der Fotovoltaikmodule sind die Hybridmodule, die neben Strom auch zur Herstellung von Warmwasser dienen. Wenn ohnehin Fotovoltaikanlagen installiert werden und Warmwasserbedarf besteht, ist der Einsatz wirtschaftlich.

Biokraftstoffe als Alternative

Für kleine und entlegene Dörfer ist der Einsatz von so genannten Energiecontainern sinnvoll. Diese Energiecontainer bestehen aus einer Windkraftanlage, einer Fotovoltaikanlage und einem Dieselaggregat. Eine 24-Sunden-Versorgung gewährleistet eine intelligente Steuerung der drei Energiearten. Dieser Anschluss ist bedeutend wirtschaftlicher als der Anschluss an die zentrale Energieversorgung und entlastet diese auch in Kosten und Kapazität. In Deutschland sind diese Energiecontainer zur Serienreife entwickelt worden und es bietet sich für Kasachstan an, diese zu testen.

Da Kasachstan über große landwirtschaftliche Flächen verfügt, ist es angebracht, über die Herstellung von Biokraftstoffen nachzudenken. Hier hat etwa Brasilien über Jahrzehnte Erfahrungen in der Herstellung von Ethanol gesammelt und diese erfolgreich in die Kfz-Technik implementiert. Auch Biogasherstellung ist möglich, durch Anbau von Energiepflanzen und Verwendung von Abfällen der Landwirtschaft und Viehzucht.

Das Gas kann in das bestehende Gasnetz eingespeist oder in BHKW’s eingesetzt werden, diese wiederum erzeugen Strom und Wärme für den Landwirtschaftsbetrieb bzw. für die angeschlossenen Dörfer. Allerdings muss ein materieller Anreiz vom Staat gestellt werden.

Weitere Bausteine zum Ausbau einer dezentralen Energieversorgung

Auch die Geothermischen Kapazitäten Kasachstans sind ein wichtiger Faktor. Sie sind erheblich, und das bedeutet eine Entlastung der vorhandenen Erzeugerkapazität. Zur technologischen Anwendung kommen der ORC-Prozess (Organic-Rankine-Cycle) und der Kalina-Prozess.

Islands Energieversorger haben mit dieser Technik Jahrzehnte lang gute Erfahrungen, und Kasachstan sollte sich dort beraten lassen. Die ORC-Technik lässt sich auch in die Kondensationsseite von konventionellen Kraftwerken einbinden und erhöht somit den Gesamtwirkungsgrad. Die Technik wird in Containern geliefert und lässt sich schnell installieren.

Nicht vergessen werden sollte schließlich die Wasserkraft, deren Kapazität auf 23 TWh geschätzt wird. Diese Kapazität konzentriert sich auf die östlichen, südlichen und südöstlichen Landesteile (95 Prozent des gesamten Potenzials). Besonders der Sektor der Kleinwasserkraftwerke, kleiner als 10 MW, ist für die Elektrifizierung des Landes von Bedeutung. Damit ist eine Autarkie in der Energieversorgung für die Gebiete möglich.

Energieeinsparung in der Industrie

Der zweite skizzierte Weg hin zu einer Senkung des Stromverbrauchs betrifft die Industrie. Hier gibt es noch große Möglichkeiten zur Energieeinsparung, und es sollen hier nur einige Beispiele genannt werden. Beispielsweise ließen sich Energiesparmotoren einsetzen. Mit Frequenzumrichtern könnte die Drehzahl von Pumpen, Ventilatoren usw. geregelt werden.

In der Industrie werden überwiegend Asynchronmotore eingesetzt, zur Magnetisierung werden ca. 20 Prozent des Stroms verbraucht. Im unteren Lastbereich wird Blindstrom in Wärme umgesetzt. Hier ist die Lösung durch Regelung der Magnetisierung gegeben. Dadurch ergibt sich ein großes Einsparpotenzial.

Weitere mögliche Ansätze sind der Einsatz von Solarwärme für Trocknungsprozesse in der Industrie, die Wärmedämmung von Kalt –und Warmwasserleitungen, wobei zur Feststellung des Ist-Zustandes der Einsatz von Thermografie notwendig ist, oder die Kühlung der Ansaugluft von Gasturbinen mittels Absorptionskältemaschinen im Sommer, was den Wirkungsgrad um 1 Prozent bei 1,5K Absenkung erhöht.

Prinzipiell ist eine Energieanalyse eines jeden Fertigungsprozesses notwendig, um den energetischen Aufwand zu minimieren. Abwärme, die in vielen Fertigungsprozessen anfällt, ist einer Verwendung zu zuführen, um den Primärenergieeinsatz zu senken.

Energieeffizientes Bauen

Der dritte Weg stellt ein großes Einsparpotenzial dar, denn energieeffizientes Bauen und die teilweise Substitution der Fernheizung durch den Einsatz von BHKWs sind die Säulen der Energieeinsparung. Da die meteorologischen Bedingungen in Kasachstan völlig anders sind als in Europa, müssen die Vorschriften unter wirtschaftlichen Aspekten angepasst werden. Dazu ist ein nationales und internationales Fachgremium erforderlich, um eine Strategie zu entwickeln.

Das betrifft nachfolgende Bereiche:

– Energiepass zum Charakter des Hauses (Niedrigenergiehaus, Nullenergiehaus, Plusenergiehaus)
– Optimierung bauphysikalischer Größen, etwa des Flächen-Volumen-Verhältnisses, des Wärmedurchgangs (u-Werte) von Wänden, Fenstern usw., Lüftung, Süd-Ausrichtung, Wärmedämmung, natürliche und künstliche Beleuchtung
– Eine mögliche Strategie zur Sicherung der Energieversorgung und zur Kosteneinsparung stellt der Einsatz von BHKW’s dar. Da hier signifikante Einschnitte in die bisherige Versorgungsart vorgenommen werden, sollen nachfolgend die Vorteile erläutert werden.

Dezentrale Energieversorung mit einem Erdgas-Blockheizkraftwerk (BHKW)

BHKWs sind kompakte Motorkraftwerke, die effizient elektrischen Strom und Heizenergie erzeugen. Ihr Gesamtwirkungsgrad liegt bei bis zu 91 Prozent, d. h. die Primärenergie Erdgas oder Öl wird umweltschonend genutzt. Werden mehrere BHKW in Außenbezirken von Städten eingesetzt oder in Siedlungen, so ergeben sich folgende Vorteile:

1. Die Übertragungsverluste entfallen (elektrische und thermische Energie)
2. Fällt ein BHKW aus, so können die anderen die Leistung übernehmen.
3. Alle BHKW sind mit einer Profischnittstelle versehen, und somit ist eine Fernsteuerung möglich. Bei mehreren BHKWs ergibt das ein virtuelles Kraftwerk.
4. Erst nach 20 Jahren ist eine Generalüberholung fällig, die in etwa 20 Prozent des Neupreises entspricht.
5. Je nach Größe ist eine Armortisationszeit von 1,4 bis 1,9 Jahren zu erwa-
rten.
6. Ein BHKW mit einer elektrischen Kapazität von 4 MW kann ein Gebiet von ca. 800 Wohnungen einschließlich Gewerbe versorgen.
7. BHKW werden als fertige Containereinheit geliefert und sind in ca. zwei Wochen angeschlossen. Voraussetzung ist ein Fundament und Einspeisungsmöglichkeit
8. Serviceverträge mit dem Hersteller garantieren einen stabilen Betrieb. (Überwachung per Internet möglich)
9. Nach dem derzeitigen Preisstand sind je nach BHKW-Kapazität Jahresgewinne von 300.000 Euro bis 950.000 Euro möglich.
10. Durch den Einsatz von BHKWs ist eine schnell realisierbare Verbesserung der Versorgung der Bevölkerung möglich.
11. Im Sommer kann die erzeugte Wärme mittels Absorptionskälteanlagen in Kälte für die Klimatisierung von Büros und Krankenhäusern genutzt werden.
12. Wenn in ländlichen Gegenden kein Erdgasanschluss vorhanden ist, kann das BHKW mit Biogas betrieben werden. Landwirtschaftliche Abfälle, wie Gülle, Pflanzenreste usw. können zu Biogas verarbeitet werden. Diese Technologie wurde in Deutschland perfektioniert und steht zur Verfügung. Der Rückstand der Biogasherstellung kann in der Landwirtschaft als Dünger verwendet werden. Weiterhin kann das Biogas als Kochgas verwendet werden, so dass der Propangasflaschenwechsel entfällt.

Abschließende Würdigung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Stabilisierung der Energiesicherheit und Wirtschaftlichkeit von der Realisierung wichtiger Faktoren abhängt. An erster Stelle lässt sich die Erneuerung der vorhandenen alten Technik der Energieerzeugung nennen, an zweiter die Anwendung des großen Potenzials der regenerativen Energien.

Geothermische Anlagen bieten sich im Süden und Westen Kasachstans an, Wasserkraftanlagen besonders in Kleinanlagen im östlichen, südlichen und südöstlichen Teil, Solaranlagen in der gesamten Republik, Windkraftanlagen in ausgesuchten Gebieten, da hier das Potenzial am größten ist. Biogas- und Biokraftstoffherstellung passen am besten in Gebiete der Landwirtschaft. Weitere wichtige Faktoren sind die Senkung des Stromverbrauchs durch innovative Industrietechnologien, die Anwendung optimierter bauphysikalischer Standards im Neubau und der Altbausanierung und ein Einsatz effektiver BHKW-Technologie.

Herbert Gerecke hat seit 2008 fortwährend als Energieberater in Kasachstan gearbeitet. Überwiegend war er im Industrieinstitut Rudny mit einer angeschlossenen Hochschule im Einsatz. Mit den Dozenten konzipierte er eine Fotovoltaikanlage, eine Windkraftanlage und eine thermische Solaranlage, die auch im Gelände des Institutes realisiert wurden.

Herbert Gerecke

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