Das städtische Alaska kann von Energieinnovationen im ländlichen Alaska lernen

In Kongiganak, Alaska, sind Windkraftanlagen und ein Basketballplatz zu sehen. (Foto von Amanda Byrd/Alaska Center for Energy and Power)

Als ich als kleines Mädchen das Haus meiner Tante in Deutschland besuchte, kuschelte ich mich an kühlen Morgen gern an den Kachelofen – einen bunten Kachelofen mit eingebauter Bank. Ich konnte mich immer darauf verlassen, dass es kuschelig warm war, und es war mein liebster Ort, um es mir mit einem Buch gemütlich zu machen. Damals dachte ich nie daran, zu fragen, woher diese Hitze kam, obwohl ich nie Anzeichen dafür gesehen habe, dass in ihnen traditionell Holz oder Kohle verbrannt wurde. Es war einfach schön warm und gab den ganzen Tag über langsam Wärme an das Haus ab. Ich habe es nie in Frage gestellt.

Jahrzehnte später, auf der anderen Seite der Welt, fühlte ich mich an den Kachelofen erinnert, als ich in Kongiganak, Alaska, vor einem ähnlichen Strahlungswärmegerät stand. Ich war auf Einladung der Gemeinde in Kongiganak, um aus erster Hand den neuartigen Ansatz zu sehen, den der örtliche, im Stammesbesitz befindliche Energieversorger Puvurnaq Power Company – in Zusammenarbeit mit dem in Alaska ansässigen Entwickler Intelligent Energy Systems – zur Verwaltung der Windenergie anwendete. Insbesondere hatten sie eine Strategie entwickelt, um überschüssigen Strom in Form von Wärme statt in chemischen Batterien zu speichern, indem sie thermische Elektroherde in einzelnen Wohnhäusern in der Gemeinde installierten.

Diese Öfen werden von Steffes hergestellt, einem kleinen Unternehmen mit Sitz in North Dakota. Als unscheinbares rechteckiges weißes Gerät sahen diese Geräte weitaus praktischer aus als der schöne Kachelofen meiner Tante, aber sie funktionieren genauso. Im Inneren des Steffes-Ofens befinden sich keramische Schamottesteine ​​mit hoher Wärmekapazität und -dichte sowie ein elektrisches Heizelement, das wärmt, wenn günstiger Strom verfügbar ist. Der Hausbesitzer kann diese Wärme dann nutzen, wenn er sie möchte, indem er einen Ventilator einschaltet, der Luft durch Kanäle in den heißen Ziegeln in das Haus bläst.

Meine Tante und die Gemeinde Kongiganak nutzen diese elektrischen Heizöfen aus genau demselben Grund, obwohl sie durch Jahrzehnte und einen Kontinent voneinander getrennt sind: um die Heizkosten ihres Hauses zu senken. In beiden Fällen besteht die Strategie darin, billigen Strom zu nutzen, sofern verfügbar, und ihn als Alternative zu der teureren Primärwärmequelle zu nutzen. In Kongiganak ist die billige Energiequelle überschüssiger Windstrom, der häufig in den Wintermonaten verfügbar ist.

Im Deutschland der 1980er-Jahre wurde billiger Strom aus Kernkraft und manchmal auch aus Kohle gewonnen. Die elektrische Nachtheizung und -speicherung war für alle ein Gewinn – die Energieversorger verkauften mehr Strom, die Menschen hatten Zugang zu einer günstigeren und einfacheren Heizquelle und es trug auch dazu bei, die Luftverschmutzung in den Städten zu reduzieren. Daher förderten sie die elektrische Wärmespeicherung, indem sie den Bewohnern kostenlose Nachrüstungen ermöglichten – eine Option, die meine Tante offensichtlich nutzte und den Kohlekeller im Keller leer und ungenutzt ließ. Deutschland und andere europäische Länder haben den Bewohnern dann durch einen stark ermäßigten Stromtarif, der nur in der späten Nacht und in den frühen Morgenstunden verfügbar ist, einen weiteren Anreiz geboten, die elektrische Wärme zu nutzen.

Wind- und Solarenergie ähneln Atomkraftwerken insofern, als sie relativ kapitalintensiv in der Errichtung sind, nach ihrer Inbetriebnahme jedoch fast keine Zusatzkosten anfallen. Das bedeutet im Idealfall, dass Sie so viel Strom wie möglich aus diesen Erzeugungsquellen herausholen möchten, da jede zusätzliche Kilowattstunde praktisch zu Null-Grenzkosten produziert wird. Während der Kachelofen meiner Tante so programmiert war, dass er sich zu festgelegten Zeiten in der Nacht ein- und wieder ausschaltet, um dem reduzierten Tarif zu entsprechen, funktioniert ein geplanter Ansatz in Kongiganak nicht, wo es keine Möglichkeit gibt, vorherzusagen, wann der Wind wehen wird.

Glücklicherweise sind die Steffes-Öfen viel intelligenter als der Kachelofen meiner Tante – sie sind so programmiert, dass sie die Netzfrequenz kontinuierlich überwachen und nahezu augenblicklich auf Änderungen bei Angebot oder Nachfrage reagieren. Wenn der Wind weht, schalten sich die thermischen Elektroöfen automatisch ein. Und weil in Kogiganak viel Wind installiert ist – mehr als das Dreifache der durchschnittlichen Last – kommt das ziemlich oft vor. Mit anderen Worten: Sie können automatisch „erkennen“, wenn überschüssige Windkraft vorhanden ist, und sich einschalten, um diese abzusaugen. Sie stehen außerdem in ständiger Kommunikation untereinander und sind so programmiert, dass sie sich nacheinander ein- und ausschalten, sodass sie nicht alle gleichzeitig, sondern gestaffelt über den Tag verteilt laufen, um sicherzustellen, dass jeder Haushalt einen gerechten Anteil erhält.

Die Öfen werden getrennt vom normalen Stromnetz gemessen und den Bewohnern wird ein spezieller „Windtarif“ für die Hausheizung in Höhe von 10 Cent pro Kilowatt berechnet. Bei einem normalen, nicht subventionierten Stromtarif von 67 Cent pro Kilowattstunde ist das eine erhebliche Ersparnis. Auch die Verfolgung der Nutzung und Abrechnung dieser speziellen „Windrate“ erfordert mehr Aufwand, da dieses Ereignis zu jeder Tages- und Nachtzeit auftreten kann. Intelligent Energy Systems bewältigt dieses Problem, indem es die Steffes-Öfen separat zum niedrigeren Tarif von 10 Cent pro kWh misst. Das ist günstig und gleicht teures Heizöl aus. Anwohner berichten, dass die Elektroheizungen ihren Heizölverbrauch um zwei Drittel reduziert haben.

Die Reduzierung der Heizkosten ist im ländlichen Alaska eine große Sache. Während die Stromkosten durch das Stromkostenausgleichsprogramm für Privatanwender subventioniert werden, ist dies für Heizöl nicht der Fall, mit Ausnahme einiger Heizunterstützungsprogramme für Geringverdiener. Daher kann die Reduzierung der Heizkosten, sei es indirekt durch Verbesserungen der Bewitterung von Häusern oder direkt durch eine zusätzliche Heizquelle, einen großen Unterschied in den Haushaltsbudgets ländlicher Haushalte bewirken.

In der Umgangssprache der Mainstream-Energiemärkte hat Kongiganak eine dynamische, nutzungszeitabhängige Tarifstruktur eingeführt, die weniger berechnet, wenn überschüssiger Strom mit Null-Grenzkosten verfügbar ist. Gleichzeitig haben sie die Gemeindelast strategisch erhöht, um die Installation größerer Windkraftanlagen zu rechtfertigen, die bessere Skaleneffekte erzielen können.

Die Kosten für die Installation von sechs Windkraftanlagen, wie sie Kogiganak hat, unterscheiden sich nicht allzu sehr von den Kosten für die Installation von zwei. Dennis Meiners, der Eigentümer und Gründer von Intelligent Energy Solutions, der dieses System entwickelt hat, sieht in diesem Ansatz die Zukunft der ländlichen Energie. Tatsächlich möchte er diese Strategie verdoppeln. Er stellt sich größere, wirtschaftlichere Turbinen vor – vielleicht Megawatt-Turbinen, die auf einer schwimmenden Struktur montiert sind, wie etwa riesige Offshore-Windturbinen, die in anderen Märkten zunehmend an Bedeutung gewinnen. Diese Strategie würde den Zeitaufwand und die Komplexität der Installation drastisch reduzieren und den Bau eines Fundaments überflüssig machen – ein heikles und teures Unterfangen, insbesondere in Gebieten mit instabilem Permafrost. Die Wirtschaftlichkeit eines solchen Unternehmens würde eine deutliche Steigerung des lokalen Stromabsatzes erfordern, da der Strom nicht über ein Übertragungsnetz an entfernte Verbraucher übertragen werden kann, wie dies auf anderen Märkten möglich wäre. Diese Nachfragesteigerung muss also lokal erfolgen – und die Elektrifizierung von Heizlasten ist ein naheliegender Ansatz.

Andere Energieversorger wie die Kotzebue Electric Association nutzen ebenfalls Windwärme, haben sich jedoch für eine einzelne, große Last entschieden, die kostengünstiger zu installieren und einfacher zu verwalten ist. Anstatt einzelne Wohnhäuser zu heizen, haben sie im Krankenhaus einen Elektrokessel installiert, um den Heizölkessel zu ergänzen, der normalerweise die Einrichtung mit Wärme versorgt. Wenn die Leistung ihres Windparks im Vergleich zur Last einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, leitet der Energieversorger automatisch überschüssigen Strom zum Krankenhaus um und verdrängt dort Heizöl. Es verfügt nicht über die gleiche Speicherkomponente wie die Steffes-Heizgeräte, aber das Krankenhaus benötigt ständig Wärme, genau wie viele andere gewerbliche Verbraucher. In jedem Fall ist es eine elegante Lösung. Zuschaltbare Wärmelasten haben Skaleneffekte bei der Installation größerer Projekte für erneuerbare Energien ermöglicht und die Vorteile dieser Anlagen auf den Energiebedarf ausgeweitet, der über die „normalen“ Stromlasten hinausgeht.

Kongiganak und viele andere Gemeinden im ländlichen Alaska sind unbestritten weltweit führend im Energiebereich und haben sich auf die Integration immer größerer Anteile variabler erneuerbarer Energien wie Wind und Sonne in kleine Netze, auch Mikronetze genannt, spezialisiert. Tatsächlich ist es wohl einer der organisch innovativsten Energiemärkte der Welt, da im abgelegenen Alaska etwa 10 % der weltweit mit erneuerbaren Energien betriebenen Mikronetze beheimatet sind. Dies ist größtenteils auf die einfache Frage von Dollar und Cent zurückzuführen, nicht auf eine zukunftsorientierte Energiepolitik. Strom ist im ländlichen Alaska teuer und im Vergleich zu anderen ähnlichen Märkten sind die von uns angebotenen Subventionen recht gering. Das bedeutet, dass es echte Anreize gibt, Dinge zu tun, die die Energiekosten senken und die Abhängigkeit von Dieselkraftstoff verringern. Die Nutzung weiterer lokaler Ressourcen ist der offensichtliche Weg, dies zu erreichen.

Alaskas disaggregierter und dezentralisierter Energiemarkt ermöglicht eine ganze Reihe von Innovationen und Experimenten vor Ort. Ländliche Versorgungsunternehmen unterliegen weitgehend keiner Tarifregulierung und können daher pragmatische Risiken eingehen. Sie erstatten natürlich ihren Vorständen Bericht, aber im Allgemeinen können sie Entscheidungen über die Ausprobierung neuer Ansätze organisch und lokal treffen. Diese Freiheit kann jedoch negative Folgen haben, wenn ein lokaler Energieversorger schlecht verwaltet wird. Die aktuelle Situation in Aniak mit einer Verdreifachung der Tarife pro Monat ist ein Beispiel dafür, dass die fehlende Tarifregulierung zu unhaltbaren Situationen für die Bewohner führen kann.

Dennoch haben einige Gemeinden in abgelegenen Teilen des Staates die Grenzen weit über das Maß hinaus verschoben, mit dem die meisten Mainstream-Versorgungsunternehmen zufrieden wären. Infolgedessen dienten sie als Inkubatoren für eine Vielzahl wirklich innovativer Technologien und Strategien, die nun in den Mainstream-Märkten immer beliebter werden. Beispiele hierfür sind dynamische Energiepreise nach Nutzungsdauer, Nachfragemanagement, intelligente Messtechnik, Wärmepumpen, Wärmespeicherung und die strategische Hinzufügung neuer Lasten, um die Nutzung lokaler erneuerbarer Energieressourcen zu maximieren. Infolgedessen haben Alaskas ländliche Versorgungsunternehmen gezeigt, wie das Stromnetz der Zukunft aussehen könnte und welche Rolle die Versorgungsindustrie im breiteren Energiemarkt entwickeln wird.

Shungnak – eine kleine Gemeinde in der Nordwestarktis – hat einige der höchsten Energiekosten des Staates. Im Jahr 2020 installierte Shungnak einen großen Solarpark – groß genug, um sein Dieselkraftwerk abzuschalten und bei Sonnenschein zu 100 % mit Solarenergie zu betreiben. Aufgrund ihrer Lage nördlich des Polarkreises kommt dies in den Sommermonaten recht häufig vor. Interessanter für mich ist jedoch die Eigentümerstruktur ihres Solarprojekts. Der örtliche Stamm besitzt den Solarpark, die Batterie und den Wechselrichter. Das konventionelle Dieselkraftwerk sowie die gesamte Verteilungsinfrastruktur und die entsprechenden Schaltanlagen sind Eigentum des örtlichen Elektrizitätsversorgers, der Alaska Village Electric Cooperative (AVEC). Wenn die verfügbare Solarenergie ausreicht, um die lokale Stromlast zu übersteigen, schaltet AVEC den Diesel ab und übergibt die Verantwortung für die Erzeugung effektiv an den Stamm. Anschließend kaufen sie den Strom vom Stamm, überwachen aber weiterhin das Netz und verteilen den Strom an ihre Kunden.

Für Energieversorger ist es eine große Sache, 100 % der Erzeugungsverantwortung an Dritte zu übertragen. Viele Experten glauben jedoch, dass dies die sich entwickelnde Rolle ist, die Energieversorger auf den Energiemärkten der Zukunft spielen werden – im Wesentlichen als Verkehrspolizist, der den Strom aus allen möglichen Quellen verwaltet, von konventionellen Kraftwerken (die sie möglicherweise besitzen) über Solaranlagen auf Dächern bis hin zu großen Windkraftanlagen und Solarparks, die von unabhängigen Stromerzeugern betrieben werden und alle Strom ins Netz einspeisen. Den Kunden werden die Tarife auch dynamisch berechnet, je nachdem, wie viel Strom zu welchem ​​Preis zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar ist – was in vielen größeren Energiemärkten bereits der Fall ist.

Wenn also das Stromnetz der Zukunft im ländlichen Alaska entsteht, können städtische Städte wie der Railbelt dann von einigen dieser Strategien und gewonnenen Erkenntnissen profitieren? Zweifellos.

Wir verbringen unverhältnismäßig viel Zeit damit, Energieplanung zu diskutieren und uns dabei auf die angebotsseitige Sicht des Energiesystems zu konzentrieren: Wie können wir das rückläufige Cook-Inlet-Erdgas ersetzen? Was wird Kohlekraftwerke ersetzen? Wie können wir Wind integrieren? Welche Übertragung brauchen wir? Wie wäre es mit der Lagerung? Sollen wir Susitna bauen? Das sind alles wichtige Fragen, aber sie verfehlen die halbe Wahrheit. Wir schrecken vor der Nachfrageseite unseres Energiesystems zurück, auch weil es schwierig ist, den Überblick zu behalten – Veränderungen auf der Nachfrageseite stellen einen diffusen gesellschaftlichen Wandel dar und wir neigen dazu, in die Falle der „Ende-der-Geschichte-Illusion“ zu tappen.

Wenn wir rückblickend über unser vergangenes Ich nachdenken, erinnern wir uns daran, dass wir ganz anders waren. Unsere Persönlichkeiten, Meinungen und Vorlieben ändern sich im Laufe der Zeit, und rückblickend ist dies meist deutlich erkennbar. Aber wenn wir nach vorne blicken, erwarten wir irgendwie, dass das „Ich“ von morgen dem „Ich“ von heute sehr ähnlich sein wird. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Illusion vom „Ende der Geschichte“ darum, dass Menschen – oft deutlich – unterschätzen, wie sehr sie sich in Zukunft verändern werden. Und das Gleiche tun wir, wenn es um Energie geht. Es ist schwer vorstellbar, dass sich unser zukünftiger Energiebedarf trotz der bedeutenden Veränderungen, die wir in den vergangenen Jahrzehnten erlebt haben, erheblich von unserem aktuellen unterscheiden wird. Aber die Verbrauchernachfrage und die Energiemärkte entwickeln sich weiter, wobei eine immer stärkere Elektrifizierung neuer Lasten ein klarer Trend ist.

Weltweit macht Strom heute etwa 20 % des Endenergiebedarfs aus, gegenüber etwa 15 % vor zwanzig Jahren, und es wird erwartet, dass dieser Anteil in den kommenden Jahrzehnten noch ansteigt. Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass Alaska eine andere Richtung einschlagen kann oder sollte. Stattdessen haben wir viele gute Gründe, der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein, nicht zuletzt die Unsicherheit über die zukünftige Erdgasversorgung in Cook Inlet.

Railbelt-Versorgungsunternehmen könnten erwägen, einige begrenzte Versuche durchzuführen, um zu sehen, wie die Akzeptanz für Technologien aussehen könnte, die die Nachfrage steigern. Dies wäre eine großartige Möglichkeit, die technischen, regulatorischen und sozialen Auswirkungen zu verstehen und gleichzeitig den Geldbeutel und die Sicherheit aller zu schützen. Experimentieren Sie beispielsweise mit nutzungsabhängigen Tarifen, etwa günstigen Nachttarifen, um Elektrofahrzeuge oder elektrothermische Heizgeräte in begrenztem Umfang aufzuladen, installieren Sie zuschaltbare Elektrokessel für einige gewerbliche Kunden, um mit deren Zustellung zu experimentieren, oder schaffen Sie bei einigen Anreize für Investitionen in Wärmepumpen Art Rabatt – um nur einige Ideen zu nennen.

Der Railbelt sollte sich an seine Kollegen im ländlichen Alaska wenden, um zu verstehen, welche Strategien und Ansätze wo und warum funktioniert haben.

Es gibt viele kleine Möglichkeiten, wie wir die Energiezukunft testen können, wenn es um das Railbelt-Netz geht. Technologieübergänge erfolgen nicht einheitlich auf einmal. Es gibt Nischen mit Early Adopters oder Nischenmärkten, in denen die Einführung der Technologie viel schneller erfolgt als üblich. In diesen Nischenmärkten werden häufig umfangreiche Experimente durchgeführt und Systeme auf eine Weise gehärtet, die letztendlich die Fehler beseitigt und sie für Mainstream-Märkte attraktiver macht. In Alaska waren diese Nischenmärkte unsere ländlichen Gemeinden. Der Railbelt sollte sich an seine Kollegen im ländlichen Alaska wenden, um zu verstehen, welche Strategien und Ansätze wo und warum funktioniert haben. Schließlich ebnen sie schon sehr lange still und ohne Fanfare den Weg.

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von Gwen Holdmann, Alaska Beacon 3. Juli 2023

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Gwen Holdmann ist leitende Forscherin und stellvertretende Vizekanzlerin für Forschung, Innovation und Industriepartnerschaften an der University of Alaska Fairbanks. Sie lebt und arbeitet in Fairbanks.