Wie Photovoltaik uns widerstandsfähiger gegen den Klimawandel und Naturkatastrophen macht

Einleitung

Inseln in den tropischen Breiten sind vom Klimawandel besonders stark betroffen. Zum einen durch den stetigen Anstieg des Meeresspiegels und zum anderen durch Wirbelstürme, die durch die Klimaerwärmung zunehmend stärker werden und häufiger auftreten. Für viele dieser Inseln stellt die Versorgung mit elektrischer Energie ein grundlegendes Problem nach derartigen Stürmen dar, da die Energieinfrastruktur in der Regel stark beschädigt wird und durch die häufig sehr abgeschiedene Lage der Inseln eine Wiederherstellung sehr zeit- und kostenaufwändig ist. In der Regel sind die Betroffenen für Tage oder Wochen ohne verlässliche Energieversorgung, was zu weiteren enormen Problemen führt. Diese Lücke wird in vielen Fällen mit Diesel­aggregaten gefüllt, der Treibstoff muss jedoch erst per Schiff zu den Inseln gelangen. Der Ausbau Erneuerbarer Energien (EE) ist ein Weg, wie die Widerstandsfähigkeit dieser Inseln gegen Wirbelstürme gestärkt, im Fall einer eintretenden Naturkatastrophe schnelle Hilfe geleistet und die Versorgung mit Energie sichergestellt werden kann. Photovoltaik­anlagen können zum einen eingesetzt werden, um permanent Strom auf den Inseln zu produzieren, da sie im Allgemeinen weniger anfällig für Schäden bei Stürmen sind. Zum anderen kann Photovoltaik (PV) aber auch zeitlich begrenzt eingesetzt werden, um die Stromversorgung nach Schäden am Stromnetz schnell und unkompliziert für die wichtigsten Einrichtungen wiederherzustellen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Anwendungsgebiete von PV-Anlagen in der Katastrophenhilfe, zeigt auf, wie sie die Resilienz von Inseln stärken kann, welche Probleme noch auftreten und wie die Zukunft in diesem Bereich aussehen kann.

Die besondere Situation auf Inseln

Im Pazifik und der Karibik gibt es tausende Inseln verschiedener Größen, die teilweise sehr abgelegen sind. Durch Umweltkatastrophen wie Wirbelstürme, Erdbeben oder Vulkan­ausbrüche können diese Inseln im schlimmsten Fall komplett von der Außenwelt abgeschnitten werden, oft für mehrere Tage oder Wochen. Es ist daher enorm wichtig, dass sich die auf Inseln lebenden Personen so gut wie möglich selbst versorgen können. Elektrische Energie ist dabei grundlegend, da es ohne sie zu Problemen bei der Gesund­heits­ver­sorgung kommen kann sowie bei der Versorgung mit Nahrungsmitteln und sauberem Wasser.
Auf vielen Inseln gibt es bereits einen beachtlichen Anteil an EE in der Strom­produktion. Auf den größeren und gebirgigeren Inseln sind vorwiegend Wasserkraftwerke installiert, zudem viele PV-Anlagen, die in vielen Fällen jedoch für den privaten Gebrauch als Inselanlagen errichtet wurden und nicht an das Stromnetz angeschlossen sind. Durch niedrigere Errichtungskosten und internationale Investitionen könnten in Zukunft größere PV-Anlagen errichtet werden und in das Stromnetz integriert werden. Große PV-Anlagen gibt es vorranging auf den karibischen Inseln.
Dezentrale, kleinere PV-Anlagen sind wesentlich weniger anfällig, bei Wirbelstürmen beschädigt zu werden als große, zentrale Kraftwerke. So wurde in Puerto Rico nach dem Hurricane „Maria“ das Stromnetz weitest­gehend zerstört. Viele Bewohner und Bewohnerinnen konnten sich schnell wieder selbst mit Strom versorgen, da sie kleine inselnetzfähige PV-Anlagen installiert hatten, während die Herstellung des landesweiten Stromnetzes noch Wochen in Anspruch genommen hat. Auf Fidschi wurde das zentrale Wasserkraftwerk bei einem Wirbelsturm durch Erdrutsche beschädigt und es dauerte Wochen, bis die Strom- (und damit Wasserversorgung) für die Region wieder hergestellt wurde.
In vielen Bereichen sind Menschen immer noch abhängig von Erdöl. So wird auf vielen Inseln der Strom nach wie vor aus Dieselgeneratoren gewonnen. Diese Energie wird neben elektrischer Beleuchtung und Klimaanlangen für die Kühlung der Lebensmittel eingesetzt, die in wärmeren Regionen essenziell ist, um Krankheiten zu verhindern. Der Transport des Treibstoffes wird in der Regel durch kleine, teilweise kaputte Boote auf die kleinen Inseln, die fernab von Haupthäfen liegen, transportiert. Nach einem Wirbelsturm oder Erdbeben kommt der Transport von Treibstoff meist vollkommen zum Erliegen. Vor allem kleinere Dörfer und abgelegenere Inseln haben somit keinen Zugang mehr zu Elektrizität, was die bereits genannten Probleme bei der ärztlichen Versorgung und auch der Versorgung mit Trinkwasser und Lebensmitteln mit sich bringt. Kleine autonome PV-Anlagen könnten zumindest ein Mindestmaß an Energie gewährleisten, damit die wichtigsten Versorgungsleistungen durch Kühlung von Lebensmitteln oder der Betrieb von Entsalzungsanlagen und Pumpen aufrechterhalten werden können (1).

Technische Voraussetzungen, um Stürmen zu trotzen

PV-Anlagen müssen eine gewisse Widerstands­kraft aufweisen, um solchen tropischen Wirbelstürmen standhalten zu können. Bei einer Untersuchung von Sturmschäden auf mehreren karibischen Inseln ist aufgefallen, dass bei den zwei Wirbelstürmen „Maria“ und „Irma“ im Jahr 2017 einige PV-Anlagen zerstört wurden, viele aber die Stürme auch unbeschadet überstanden haben. So wurde bei einigen Anlagen der Schwachpunkt an den Verbindungsstellen zwischen den Modulen und dem Gerüst identifiziert, vielfach war die Träger­konstruktion der PV-Module grund­sätzlich zu klein und nicht auf höhere Windgeschwindigkeiten ausgelegt. Auffallend war zudem, dass oft keine Vorkehrungen getroffen wurden, um die Konstruktion vor Seitenwind zu schützen (2).

Abbildung 1: 4,2 MW PV-Anlage auf St. Thomas im September 2017 (3)

Abbildung 2: Dieselbe 4,5 MW PV-Anlage auf St. Thomas im Dezember 2018 nach dem Wirbelsturm „Irma“ (3)

Bei vielen Anlagen konnte der Wind ungehindert unter die Paneele eindringen und dabei einen Druck von unten aufbauen, der etliche Anlagen beschädigt hat. Vielmals fehlten Schrauben an den Halterungen. Die regelmäßige Wartung der Anlagen ist somit obligatorisch. Ein weiteres verbreitetes Problem wurde bei den Klemmen gefunden, welche die Module in Position hielten. Diese haben den Winden nicht standgehalten und wurden in Folge häufig verbogen. Paneele wurden dadurch gelockert, es entstanden Vibrationen, die weitere Klemmen und ggf. auch Schrauben lockerten oder sogar lösten. In vielen Fällen waren Schrauben zu klein und auch nicht fest genug angezogen, um den Einwirkungen starker Winde standzuhalten. Das National Renewable Energy Laboratorty schlägt vor, anstatt von Klemmen Durch­steck­schrauben zu verwenden oder eine Kombination aus beiden. Zudem müssen die Module an genügend Stellen fixiert sein (4).

Im Gegensatz dazu waren Module, die den Wirbelstürmen standhielten, ordnungsgemäß an der Trägerkonstruktion montiert und seitlich angebrachte Stützelemente machten die Anlagen widerstandsfähiger gegen starken Wind. Auch die Verbindungsstellen wurden vibrationssicher konstruiert und lockerten sich nicht. Es wird zwar betont, dass dies nur auf Beobachtungen beruht und keine Garantien für die Untersuchungen abgegeben werden können, jedoch gibt dies trotzdem eine
gute Orientierung, welche Punkte beim Bau von PV-Anlagen in sturmgefährdeten Gebieten besonders zu beachten sind bzw. vermieden werden sollten (2).

PV-Anlagen können nach Katastrophen Notstrom liefern

Die Notstromversorgung mit Diesel­generatoren ist bei größeren Katastrophen problematisch, da auch Häfen oder Anlegestellen zerstört sein können oder die gesamte Lieferkette unterbrochen ist. Vor allem bei längerfristigen Ausfällen in der Stromversorgung kann dieser ständig benötigte Nachschub ein Problem darstellen. Hier fällt der Vorteil von PV-Anlagen ins Gewicht, da sie keine Abhängigkeit von Treibstofflieferungen aufweisen. Wenn auch ein Stromspeicher angeschlossen ist, kann die Stromproduktion aus der PV-Anlage genutzt und Dieselgeneratoren komplett ersetzt werden.

Mobile PV-Anlagen gibt es bereits in verschiedenen Ausführungen. So können PV-Anlagen in Koffergröße dazu genutzt werden, die Telekommunikation wiederherzustellen oder aufrecht zu erhalten, in dem damit Mobiltelefone oder andere tragbare Kommunikationsgeräte sowie Powerbanks geladen werden können. PV-Speichersysteme auf Anhängern haben beispielsweise ein 5 kW Solarpanelsystem und einen Batteriespeicher mit einer Kapazität von 100-200 kWh installiert und können in weniger als 30 Minuten in Einsatz gebracht werden. Solche mobilen Kraftwerke eignen sich gut für die Strom­versorgung von Notunterkünften oder auch kleineren medizinischen Einrichtungen.

PV-Speichersysteme in der Größe eines Schiffcontainers können eine Leistung von 50 kW erreichen und eine Speicherkapazität von bis zu 500 kWh aufweisen. Mit Containersystemen dieser Größenordnung können Kliniken, Notfallunterkünfte, Hotels und Wohnungen mit Strom versorgt werden, aber auch Wasserpumpen und Brunnen können betrieben werden, um die Versorgung der Bevölkerung sicherzustellen.

Es gibt mittlerweile Möglichkeiten am Boden fixierte Solaranlagen für eine bestimmte Dauer zu errichten und – wenn notwendig – wieder abzubauen und zu einem anderen Ort zu transportieren. So kann beispielsweise eine 5 kW PV-Anlage per Containerschiff oder LKW angeliefert werden und von wenigen Menschen mit einfachen Werkzeugen aufgebaut werden. Sie sind kostengünstig und können genauso schnell wieder abgebaut werden. Übrig bleiben dann nur die Anker im Boden, die zur Fixierung der PV-Anlage dienen, und selbst diese können nachträglich wieder entfernt werden. Tests in Windtunneln haben gezeigt, dass solche Erdanker Wirbelstürme bis zu Kategorie 4 standhalten können. Und um mehr Sicherheit zu gewährleisten, können aufwandsarm zusätzliche Anker in den Boden getrieben werden (5).

Beispiele bestätigen die Vorteile von Photovoltaik im Krisenfall

Schon 1988 wurden in Guadeloupe, Saint Croix und Puerto Rico PV-Anlagen eingesetzt, nachdem der Wirbelsturm „Hugo“ die Inseln getroffen hat. Nach Hurricane „Maria“ im Jahr 2018 waren in Puerto Rico 62.000 Menschen für mehrere Wochen bis Monate ohne Strom. Die Versorgung mit Wasser und Nahrungsmitteln konnte zwar schnell sichergestellt werden, die Behebung der Schäden im Stromnetz hat hingegen wesentlich mehr Zeit in Anspruch genommen als erwartet. Daher wurde hier auf die Hilfe von PV-Anlagen zurückgegriffen. Die Anlagen konnten zusammen mit den anderen Hilfsgütern per Schiff auf die Insel gebracht werden und in kurzer Zeit montiert und in Betrieb genommen werden. Dadurch konnte die Stromversorgung in den unterversorgten Gebieten wieder hergestellt werden und es bestand keine Abhängigkeit mehr von Dieselgeneratoren.

Im Falle von Puerto Rico hat der Autohersteller Tesla PV-Paneele angeboten, um die betroffenen Gebiete mit Strom zu versorgen. Als erstes wurde ein Kinderkrankenhaus mit 3.000 Betten mit
Strom versorgt. Tesla spendete weiterhin hunderte von Batterien, um kleine, dezentrale Versorgungsnetze auf der Insel aufzubauen, bis das Stromnetz wiederhergestellt ist.

Der Fall von Puerto Rico ist nur ein weiteres Beispiel, wie in der heutigen Zeit Solarenergie bei der Krisenbewältigung helfen kann. Auch in Kathmandu, der Hauptstadt Nepals, wurde im Jahr 2015 nach einem Erdbeben PV-Anlagen und Energiespeicher eingesetzt, um die Straßenbeleuchtung wieder in Stand zu setzen. Es wurden weiterhin solarbetriebene Wasserreinigungsanlagen und kleine PV-Systeme in die abgelegenen Dörfer gebracht, um dort die Versorgung zu sichern (6).

Es gilt noch Probleme zu lösen

Trotz der Beispiele für den erfolgreichen Einsatz von Solarenergie bei der Katastrophenhilfe gibt es noch immer einige Probleme, für die es eine Lösung zu suchen gilt. So werden von den meisten NGOs PV-Anlagen nicht bei der Planung von Hilfsleitungen in Katastrophengebieten eingesetzt. Sie greifen meist immer noch auf Dieselaggregate zurück. Die Versorgung mit EE überlassen die NGOs meist privaten Unternehmen. Ein weiterer Punkt ist, dass geeignete PV-Anlagen für die Katastrophenhilfe meist nicht auf Lager vorgehalten werden und damit auch oft nicht schnell genug in die betroffenen Gebiete geliefert werden können, wenn sie benötigt werden. Eine Lösung ist, wenn zwischen den Akteuren mehr Zusammenarbeit stattfinden würde, bevor Katastrophen passieren, um im Ernstfall schnell einschreiten und Hilfe leisten zu können (6).

Abbildung 3: Ausrollbares PV-Paneel der Firma Renovagen (6)

Eine weitere Schwierigkeit beim Einsatz von PV-Anlagen in der Katastrophenhilfe stellt häufig der Transport der Paneele dar. So ist es beispielsweise in gebirgigen und abgelegenen Orten wie bspw. in Nepal nicht einfach, die Anlagen an die benötigten Orte zu transportieren. Das britische Unternehmen Renovagen arbeitet an ausrollbaren PV-Paneelen, die wie ein Teppich aus- und zusammengerollt werden können und auf einen Anhänger (4x4m) passen. Damit könnten genug Paneele transportiert werden, um beispielsweise eine Klinik mit 120 Betten zu versorgen oder 26.000 Liter Wasser täglich zu entsalzen (6). Während die kleinste Anlage 18 kW Leistung hat, sollen die größeren eine Leistung von über 100 kW bieten. Die Anlage wird einfach vor Ort ausgerollt, lässt sich also in wenigen Minuten zum Einsatz bringen (7). In der Stahlbox, in der die Paneele aufgerollt sind, befindet sich auch eine Lithiumbatterie mit einer Speicherkapazität von 54 kWh. Die Paneele basieren auf dem Werkstoff Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid und nehmen durch eine unterstützende Beschichtung beim Ausrollen keine Schäden. Die Fläche, auf der die Paneele ausgerollt werden, muss nicht unbedingt eben sein und sie können auch am Boden befestigt werden, um Wind Stand zu halten. Die Verkabelung ist im Teppich eingearbeitet, damit ist die Anlage nach dem Ausbreiten sofort einsatzfähig (8).

Es gibt auch Konzepte, die eine hybride Lösung von EE und Dieselgeneratoren vorsehen. So hat eine Kooperation der Arizona State University und dem Unternehmen NRG Energy einen Container entwickelt, der neben einer PV-Anlage und einer Lithiumbatterie auch einen Dieselgenerator als Backup besitzt, um die Stromversorgung durchgehend zu gewährleisten. Der Container lässt sich innerhalb einer Stunde aufstellen und ist sofort einsatzbereit. Das Besondere an diesem Konzept ist, dass es modular aufgebaut ist. So ist es angedacht, dass der Dieselgenerator auch durch einen Diesel-Hybrid- oder Biogasgenerator oder einen Holzvergaser ersetzt werden kann. Der Container kann zudem mit einem Windgenerator, einer Wasser­aufbereitungs­anlage oder zusätzlichen PV-Paneelen erweiterbar sein. Es sollte auch möglich sein, den Container an das Stromnetz anzu­schließen oder ihn nur als stationäres Kraftwerk für bestimmte Aufgaben zu verwenden (9).

Fazit

EE, allen voran die PV, sind ein sehr gutes Mittel, um zum einen in Krisen­situationen nach Natur­katastrophen schnell, un­kompliziert und günstig die Energie­versorgung wieder­her­zu­stellen, zum anderen sind sie auch widerstands­fähiger gegen die Aus­wirkungen solcher Ereig­nisse. Die Vielzahl an Anwendungs­möglich­keiten geben den EE einen unschlag­baren Vorteil gegenüber anderen Energie­trägern. Dies gilt nicht nur für kleinere Inseln im Einfluss­bereich von tropischen Wirbel­stürmen, sondern findet weltweit seine Gültigkeit.

In Zeiten des Klimawandels ist die Energie­infra­struktur weltweit großen Gefahren ausgesetzt: Wirbelstürme, Anstieg des Meeresspiegels oder Waldbrände gefährden die Energieversorgung auf der ganzen Welt. Das Auftauen des Permafrosts gefährdet vor allem die Erdgasversorgung, da die Pipelines auf den dadurch instabil gewordenen Böden beschädigt werden können (10).
Studien zeigen, dass EE wesentlich verlässlicher und widerstandsfähiger sind und in abgelegenen Gebieten sie die Energieversorgung im Katastrophenfall sichern können, da Reparaturen des Energienetzes oft Tage, Wochen, oder wie im Fall von Puerto Rico auch Monate dauern kann (11).

Es zeigte sich, dass PV für Inseln im Pazifik oder der Karibik aber auch für Länder wie Nepal eine kosten­günstige und sichere Art der Energie­gewinnung darstellt und im Krisen­fall schnell die Energie­ver­sorgung wieder­her­stellen kann (12).

Von: Hannes Wirnsberger

QUELLEN:

(1) Weir T., Kumar M. (2020). Renewable energy can enhance resilience of small islands. Natural Hazards, 104 (3), 2719-2725.
(2) RMI (2018). Solar under Storm: Select best Practices for Resilient Ground-Mount PV Systems with Hurricane Exposure. Verfügbar unter: https://rmi.org/wp-content/uploads/2018/06/Islands_SolarUnderStorm_Report_digitalJune122018.pdf (abgerufen am: 09.02.2022).
(3) National Renewable Energy Laboratorty (2018). PV Survivability from Hurricanes: Lessons Learned. Verfügbar unter: https://www.nrel.gov/state-local-tribal/blog/posts/pv-survivability-from-hurricanes-lessons-learned.html (abgerufen am: 28.03.2022).
(4) National Renewable Energy Laboratory (2018). Observations of PV-Systems Post-Hurricane. Verfügbar unter: https://www.nrel.gov/docs/fy20osti/71040.pdf (abgerufen am: 28.03.2022).
(5) Renewable Energy World (2018). Getting Serious about Solar for Disaster Response and Recovery. Verfügbar unter: https://www.renewableenergyworld.com/storage/getting-serious-about-solar-for-disaster-response-and-recovery/#gref (abgerufen am: 09.02.2022).
(6) World Economic Forum (2018). Solar power is being used as Disaster Relief. Here’s how. Verfügbar unter: https://www.weforum.org/agenda/2018/05/how-solar-power-is-impacting-natural-disaster-relief (abgerufen am: 21.03.2022).
(7) publish-industry Verlag (2016). Elastische Solarzelle für die Katastrophenhilfe. Verfügbar unter: https://www.industr.com/de/elastische-solarzelle-fuer-die-katastrophenhilfe-1243699 (abgerufen am: 28.03.2022).
(8) WirtschaftsWoche (2016). Ein transportables Kraftwerk für Notfälle. Verfügbar unter: https://www.wiwo.de/technologie/green/solarzellen-als-teppich-ein-transportables-kraftwerk-fuer-notfaelle/13554106.html (abgerufen am: 28.03.2022).
(9) Janko S., Atkinson S., Johnson N. (2016). Design and fabrication of a containerized micro-grid for disaster relief and off-grid applications. American Society of Mechanical Engineers.
(10) Der Spiegel (2022). Tauende Permafrostböden gefährden Erdgasversorgung. Verfügbar unter: https://www.spiegel.de/wirtschaft/klimawandel-tauende-permafrostboeden-gefaehrden-erdgasversorgung-a-3126ee33-fb4e-45c9-a8fa-544a063b4cd4 (abgerufen am 11.04.2022).
(11) Yeo, S. (2020). When Climate Disaster Strikes, It’s Renewable Energy That Keeps The Lights On. Verfügbar unter: https://www.huffpost.com/entry/renewables-clean-energy-climate-disasters_n_5fad67d1c5b6cae94043c56b (abgerufen am: 28.03.2022).
(12) Stone, L. (2020). Solar under Storm. Best Practices for Policymakers for Resilient Photovoltaic Systems for Islands. Verfügbar unter: https://rmi.org/solar-under-storm-for-policymakers/ (abgerufen am: 28.03.2022).