Det stora tyska energiexperimentet

Längs en landsväg i den västtyska delstaten Nordrhein-Westfalen bor en bonde som heter Norbert Leurs. Han är en älskvärd 36-åring med förhårda händer, han har två små barn och ägnade sig tills nyligen med ett omärkligt arbete: att odla potatis och grisar. Men hans nyaste företag pekar på en extraordinär förändring av energipolitiken i Europas största ekonomi. År 2003 byggde ett litet vindkraftsföretag en 70 meter lång turbin, en av cirka 22 000 i hundratals vindkraftsparker på den tyska landsbygden, på en bit av Leurs potatisfält. Leurs får en nedskärning på 6 procent av elförsäljningen, vilket kommer till cirka 9 500 dollar per år. Han överväger att lägga till ytterligare två eller tre turbiner, var och en dubbelt så hög som den första.

Vinsterna från dessa turbiner är blygsamma vid sidan av vad han kommer att göra på solpaneler. 2005 fick Leurs veta att regeringen krävde att det lokala bolaget skulle betala höga priser för solenergi på taket. Han tog lån, och i etapper under de kommande sju åren täckte han sin grisstall, ladugård och hus med solpaneler – strunt i att himlen ofta är grå och att hans tak inte alla är optimalt orienterade. Från den resulterande installationen på 690 kilowatt samlar han nu in $280 000 per år, och han förväntar sig över $2 miljoner i vinst efter att han betalat av sina lån.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2012

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Berättelser som Leurs hjälp förklarar hur Tyskland kunde producera 20 procent av sin el från förnybara källor 2011, en ökning från 6 procent 2000. Tyskland har garanterat höga priser på vind, sol, biomassa och vattenkraft, genom att lägga kostnaderna på el räkningar. Och aktörer som Leurs och det lilla kraftföretaget som byggde hans turbin har installerat hyllteknik och låst in vinster. För dem har det varit anmärkningsvärt lätt att vara grön.

Vad som kommer härnäst kommer inte att vara så lätt. 2010 deklarerade den tyska regeringen att den skulle åta sig vad som populärt har kommit att kallas en energiomställning —en energivändning eller energirevolution. Denna övergång från fossila bränslen till förnybar energi är den mest ambitiösa som någonsin har försökts av ett starkt industrialiserat land: den syftar till att minska utsläppen av växthusgaser med 40 procent från 1990 års nivåer till 2020 och 80 procent till mitten av seklet. Målet var utmanande, men det underlättades något av att Tyskland redan genererade mer än 20 procent av sin el från kärnkraft, som nästan inte producerar några växthusgaser. Förra året, som svar på allmänhetens oro över kärnkraftskatastrofen efter tsunamin i Fukushima, Japan, beordrade förbundskansler Angela Merkel att de åtta äldsta tyska kärnkraftverken skulle stängas omedelbart. Några månader senare slutförde regeringen en plan för att stänga de återstående nio till 2022. Nu energiomställning inkluderar en vända bort från Tysklands största källa av koldioxidsnål el.

Tyskland har ställt upp för ett storslaget experiment som kan få återverkningar för hela Europa, vilket är starkt beroende av tysk ekonomisk styrka. Landet måste bygga och använda förnybar energiteknik i oöverträffad skala, till enorma men osäkra kostnader, samtidigt som energianvändningen minskar. Och det måste klara allt utan att underskrida industrin, som är beroende av rimligt prissatt, pålitlig kraft. I en mening energiomställning är ett politiskt uttalande utan en teknisk lösning, säger Stephan Reimelt, vd för GE Energy Germany. Tyskland tvingar sig till innovation. Vad detta genererar är ett stort industrilaboratorium i en storlek som aldrig har gjorts tidigare. Vi kommer att behöva prova många olika tekniker för att nå dit.

De stora aktörerna i den tyska energiindustrin följer flera strategier samtidigt. För att hjälpa till att ersätta kärnkraften tävlar de om att installera enorma vindkraftsparker långt utanför den tyska kusten i Nordsjön; ny transmissionsinfrastruktur planeras för att få kraften till Tysklands industriregioner. Samtidigt letar företag som Siemens, GE och RWE, Tysklands största kraftproducent, efter sätt att hålla fabrikerna brummande under uppehåll i vind- och solenergi. De letar efter billiga, storskaliga former av energilagring och hoppas att datorer intelligent kan koordinera vad som kan vara miljontals distribuerade kraftkällor.

På varv nära Nordsjöhamnen i Rostock, Tyskland, bygger Siemens en massiv plattform som kommer att inrymma utrustning för att hantera kraft från vindkraftsparker långt till havs.

Uppskattningarna av vad omställningen kommer att kosta varierar kraftigt, delvis beroende på hur snabbt ny teknik kan introduceras och priset sänkas. Olika ekonomiska tankesmedjor förutspår att landet kommer att spendera någonstans mellan 125 miljarder och 250 miljarder dollar på utbyggnad av infrastruktur och subventioner under de kommande åtta åren – mellan 3,5 och 7 procent av Tysklands BNP 2011. De långsiktiga kostnaderna, inklusive kostnader för avveckling av kärnkraftverk, kommer att bli mycket högre.

Tyskland har redan ådragit sig betydande kostnader. Varje månatlig elräkning har ett förnybar energitillägg på cirka 15 procent (tung industri är undantagen). Grossistpriserna på el har ökat med cirka 10 procent sedan de åtta kärnkraftverken stängdes. Det tyska nätet är ansträngt som aldrig förr. Och – ironiskt nog, med tanke på energiomställning s mål att minska utsläppen av växthusgaser – beslutet att stänga kärnkraftverken har ökat beroendet av koleldade kraftverk.

Detta energiomställning bevakas mycket noga. Om det fungerar i Tyskland blir det en mall för andra länder. Om det inte gör det kommer det att vara mycket skadligt för den tyska ekonomin.

Trots kostnaderna kunde Tyskland ha stor nytta av sitt stora experiment. Under det senaste decenniet har landet fostrat inte bara vind- och solenergi utan mindre förebådade energitekniker som hanteringsprogramvara och effektiva industriella processer. Tillsammans har dessa gröna teknologier skapat en exportindustri som är värd 12 miljarder dollar – och som är redo för ännu mer tillväxt, enligt Miranda Schreurs, chef för Environmental Policy Research Center vid Berlins fria universitet. Regeringens politik skulle kunna ge ytterligare incitament att utveckla och implementera ny teknik. Det är know-how som man kan sälja, säger Schreurs. Sättet för Tyskland att konkurrera på lång sikt är att bli den mest energieffektiva och resurseffektiva marknaden och att expandera på en exportmarknad i processen.

Om Tyskland lyckas göra omställningen kan det ge en fungerande plan för andra industriländer, av vilka många sannolikt också kommer att möta press att förändra sin energiförbrukning. Detta energiomställning bevakas mycket noga. Om det fungerar i Tyskland blir det en mall för andra länder, säger Graham Weale, chefsekonom på RWE, som brottas med hur man ska stänga av sina kärnkraftverk samtidigt som lamporna är tända. Om det inte gör det kommer det att vara mycket skadligt för den tyska ekonomin och Europas.

Choke Points

I staden Erlangen, 20 kilometer norr om Nürnberg, möts besökare av sträng säkerhet till komplexet av industribyggnader som inrymmer laboratorier och fabriker för energijätten Siemens, en av flera entreprenörer som bidrar till att energiomställning . En av dessa byggnader brummar bokstavligen av kraft – värt 30 megawatt. Inuti finns en gigantisk stål- och kopparmaskin som omvandlar växelström till likström i stor skala; den är avsedd för installation på offshoreplattformar som måste stå emot hårda stormar i Nordsjön i årtionden.

Tyskland behöver den här tekniken eftersom det letar efter den stadigaste vindkällan det kan hitta, och det finns långt till havs – så långt att standard AC-ledningarna för att överföra kraft inte fungerar. Hittills har Tyskland bara installerat cirka 500 megawatt vindkraft till havs, allt inom 90 kilometer från land, i vatten som är mindre än 40 meter djupt. Nu planerar energibolag att installera 10 000 megawatt vindkraft så långt till havs som 160 kilometer, på upp till 70 meters djup. Flera 10 000 till 20 000 ton offshore-transformatorstationer kommer att omvandla gigawatt växelström till DC, som kan sträcka sig över sådana avstånd utan stora energiförluster. Det finns ingenstans i världen där detta har gjorts – att bygga offshorenät och offshoreanslutningar på det här sättet och i denna mängd, säger Lex Hartman, chef för företagsutveckling på Tennet, det holländska nätföretaget som ansvarar för delar av Tysklands megaskaliga Nordsjön ansträngning.

Naturligtvis får allt detta bara kraften till stranden. Elen måste passera Tyskland för att nå de stora industricentrumen i landets södra. Det behövs cirka 3 800 kilometer nya kraftledningar, men bara cirka 200 har byggts, med motvilliga markägare och regionala politiker som stoppar framstegen och skapar strypspunkter. Förseningarna och de nya teknologierna gör det tyska havsvindprogrammet till en enorm chansning helt och hållet. Ingen vet riktigt vad energiomställning kommer att kosta, säger Karen Pittel, energiekonom vid universitetet i München. Men framför allt dessa vindkraftsparker – de är mer eller mindre pilotprojekt.

Osäkerheterna slutar inte där. Även med nuvarande nivåer av vindkraft, på blåsiga dagar måste nätoperatörer stänga av turbiner eftersom det inte finns någonstans att lägga kraften. När en molnbank rullar över södra Tyskland en annars solig dag, kan effekten från regionens många solcellspaneler sjunka med hundratals megawatt; effekten är som att trycka på avstängningsknappen på ett medelstort koleldat kraftverk, vilket ökar risken för strömavbrott.

Utan tillräckligt med billig, pålitlig kraft för att stödja den högteknologiska industrin och transportsystemet, skulle Tysklands ekonomi – och Europas som helhet – kunna hamna i problem. Redan några tyska företag bygger nya tillverkningsanläggningar på andra håll; till exempel beslutade kemikalieproducenten Wacker Chemie förra året att bygga en polykiselfabrik i Tennessee, delvis för att energikostnaderna i Tyskland var så höga. Weale säger, kvaliteten på utbudet skulle bara behöva försämras lite och det skulle vara ganska allvarligt för denna högteknologiska industri. Vi har redan sett, även utan att lamporna slocknar, att branschen blir nervös.

För att undvika katastrofer måste Tyskland börja använda lagringsteknologier och lastbalanseringsstrategier i mycket större skala. Landet har idag 31 pumpkraftverk, som tvingar in vatten i uppförsbackar på natten och sedan använder nedförsbacken för att snurra turbiner för att generera kraft. Sammanlagt kan de lagra 38 gigawattimmars el. Det kan låta som mycket, men det är mindre än 90 minuters toppproduktion från Tysklands vindkraftsparker.

Batterier kan hjälpa, men än så länge är kostnaderna för höga för att de ska spela mer än en nischroll. I en annan byggnad i Erlangen bygger Siemens batterier i traktorstorlek baserade på tre olika litiumjonteknologier. Var och en kunde driva 40 tyska hus under en dag, men batterierna är för dyra att använda för reservkraft. Istället kommer högteknologiska tillverkare sannolikt att använda dem för att köra ut brownouts med, säg, ett 15-minuters, åtta megawatt ryck så att specialiserad utrustning inte behöver kostsamma omstartsprocedurer. Priserna skulle behöva sjunka med minst hälften innan litiumjonbatterier skulle kunna ge ett ekonomiskt sätt att lagra timmar av överskottskraft från vindkraftverk.

Andra lagringstekniker håller på att utvecklas men är förmodligen fortfarande år från att vara praktiska, om de någonsin kommer att bli det. En ny teknik hos Siemens, till exempel, producerar väte genom att använda överskottsel för att splittra vattenmolekyler. Men det är experimentellt och i detta skede dyrt.

Oundvikligen kommer en varm julivecka när ett högtryckssystem stannar över Europa och stillar turbiner precis när solbrända tyskar sträcker sig efter sina luftkonditioneringsapparater. Tills en storskalig, billig lagring finns tillgänglig kommer gaskraftverk, som kan startas snabbt och effektivt, vara det mest praktiska sättet att hantera dessa situationer. Men det finns lite incitament att bygga sådana anläggningar. Ägare av gasanläggningar avsedda att möta toppeffektbehov kan inte längre räkna med att köra ett visst antal timmar, eftersom behovet inte längre faller på förutsägbara vardagseftermiddagar utan kommer och går med sol och vind.

Målet är att använda mjukvara för att omvandla tusentals förnybara energikällor, som var och en för sig är opålitliga, till ett enormt nätverk som företag kan lita på.

Säger Ottmar Edenhofer, chefsekonom vid Potsdam Institute for Climate Impact Research, Utformningen av elmarknaden kommer att förändras i grunden. Du har fluktuerande efterfrågan, och samtidigt ett fluktuerande utbud. Kopplingen och samspelet i dessa två dimensioner har blivit föremål för intensiv forskning. Det kan finnas nya och framväxande marknadsmisslyckanden.

Virtuell kraft

Duisburg är en grusig stad strax väster om Essen, ett stort krigsmaterieltillverkningscenter från andra världskriget som förstördes av allierades bombningar. Det är här RWE, ett av Tysklands fyra stora kraftbolag, arbetar vid gränsen för en annan viktig teknik: virtuella kraftverk, där programvara intelligent kontrollerar ett stort antal små kraftkällor (och så småningom distribuerade lagringsplatser) för att koordinera deras produktion till salu på energimarknaderna. Målet är att omvandla tusentals förnybara energikällor, som var och en för sig är opålitlig, till ett stort nätverk som företag kan lita på. Det är ett bländande koncept, men ett i sin linda.

Inuti ett labb som sitter framför ett bombskydd som är byggt av nazist i form av en spetsig häxhatt, testar RWE-forskare ett dussin gaseldade pannor och bränsleceller som är utformade för att generera både värme och elektricitet. I teorin kan företag anlita hundratusentals hemenheter – och större som driver lägenhets- eller kontorsbyggnader – för att generera extra el till nätet i ett nafs. Så mycket som 5 procent av Tysklands elektricitet skulle kunna produceras på detta sätt - ungefär den mängd som energiföretagen förväntar sig att dra från de nya vindkraftsparkerna till havs.

Att nå den punkten kan ta årtionden eftersom husägare och företag gradvis byter ut sina befintliga pannor och infrastrukturen sätts på plats för att synkronisera hundratusentals strömkällor. Men en timme öster om Duisburg, i en kontorsbyggnad från 1960-talet i utkanten av Dortmund, testar ingenjörer ett mer blygsamt nätverk som utgångspunkt. Ett serverrum i källaren fungerar som ett kommunikationsnav för 120 små elverk som tillsammans producerar 160 megawatt el från förnybara källor – mestadels vind men även biomassa och sol. Programvaran tar hänsyn till väderprognoser och sätter ihop ett block av förnybar el från vind och sol, kopplar på och av biogasanläggningarna efter behov för att balansera den fluktuerande effekten och skapa ett block av stabil kraft.

Tidiga projekt som det här är språngbrädor mot mer sofistikerade system som inkluderar efterfrågestyrning: kraftverk skulle kompensera kunder för att de går med på att få sin strömförbrukning automatiskt begränsad under tider med hög efterfrågan. En dag skulle systemen också kunna hämta ström från batterierna i parkerade elbilar, eller lagra överskottskraft i dem, för att kompensera för växlingar i vinden.

GE och andra företag följer också sådana koncept. Idag vet vi att energimarknaden kommer att vara decentraliserad; det kommer att bli en fragmenterad marknad, säger Reimelt från GE. Förut hade vi fyra elbolag. Idag har vi 350 företag som genererar kraft, går upp till tusen, och går upp till en miljon om man räknar alla med en solpanel på taket. Så en av trenderna som vi ser är att det måste läggas mindre vikt på elproduktion och mer på energihantering.

Förbryllad i Bayern

Fönstren från golv till tak bakom skrivbordet hos Wolfgang Mayer, burgermästaren i den lilla bayerska staden Gundremmingen, ger en befallande utsikt. En mil bort står de dubbla kyltornen i Gundremmingens kärnkraftverk enheter B och C, som tillsammans är den största kärnkraftskällan i Tyskland. Trevligt beläget halvvägs mellan industricentrumen Stuttgart och München, har anläggningen kapacitet att producera 2,6 gigawatt kraft. Mayer är förvirrad av energiomställning , vilket hotar hundratals jobb i stan och kan skada skatteintäkterna. De säger 2017 för att stänga av enhet B och 2021 för enhet C, säger han och gör en rörelse mot anläggningen. Men de startade samtidigt 1989! En normal människa kan inte förstå. Vad är logiken?

Kyltorn vid ett kärnkraftverk i Gundremmingen syns bakom bostäder vars ägare utnyttjar solenergistöd. Anläggningen är märkt för stängning.

Mayer är inte ensam om sin förvirring. Det finns mycket med den nuvarande politiken som förmodligen inte är logiskt. Åtminstone på kort sikt innebär beslutet att stänga kärnkraftverken att energiomställning kommer faktiskt att pressa kraftverk att förlita sig mer på kol. Förra året, till exempel, eldade RWE två sedan länge planerade nya pannor vid en befintlig anläggning nära den belgiska gränsen som eldar det smutsigaste fossila bränslet av dem alla: brunt brunkol. Även om dessa pannor är renare än de som de ersätter, är kolanläggningen den största i sitt slag i världen, och det går för fullt nu för tiden för att hålla jämna steg med energibehovet.

Om du stänger åtta kärnkraftverk, som var kolfria, över en natt, kommer du att öka koldioxidutsläppen, säger Weale. Man kommer att behöva vara mer beroende av kol än vad man tidigare förväntat sig. Det kan vara svårt att minska CO2-utsläppen så snabbt som man skulle vilja. Beslut som fattas nu om vilka typer av kraftverk som ska installeras kommer att få återverkningar i årtionden, säger han: Du kan inte göra plötsliga förändringar från en tillgång till en annan.

Ett andra problem är att även när det gäller alternativa energikällor premierar inte Tyskland koldioxidminskning. Snarare fastställer dess policy väldefinierade subventioner för specifika teknologier: en kilowattimme solenergi belönas mer än kraft från havsvind, som i sin tur tjänar mer än kraft från landbaserad vind. Även om subventionerna för solenergi har sänkts till priser som är mycket lägre än de Leurs låste in, betalar solenergi fortfarande de högsta priserna. Om minskade utsläpp var i fokus skulle dock mer pengar riktas mot att minska energianvändningen. Om du kunde välja de optimala instrumenten, fokusera på de områden först där du kan nå dina mål billigast, skulle du fokusera inte så mycket på förnybara energikällor utan mycket mer på effektivitet, säger Pittel, energiekonomen från München.

De nuvarande subventionerna uppmuntrar inte heller innovation så mycket som de gör befintlig teknik lönsam. Det finns lite incitament att, säg, utveckla radikalt ny solcellsteknik, även om dessa i slutändan kan vara det enda sättet att göra osubventionerad solenergi tillräckligt billig för att konkurrera med fossila bränslen.

För vissa tyska ekonomer är landets energipolitik helt enkelt felaktig. Hans-Werner Sinn, ordförande för Ifo-institutet för ekonomisk forskning vid universitetet i München, är särskilt svidande. De energiomställning är en vändning till ingenstans, eftersom den gröna tekniken helt enkelt inte är tillräcklig för att ersätta det moderna samhällets energibehov, säger han. Det är fel att lägga ner atomkraftverken, eftersom detta är en billig energikälla, och vind- och solkraft kan inte på något sätt ge en ersättning. De är mycket dyrare, och energin som kommer ut är av sämre kvalitet. Energiintensiva industrier kommer att flytta ut och konkurrenskraften för den tyska tillverkningssektorn kommer att minska eller lönerna sjunka.

Tyska politiker satsar förstås på att Sinn har fel. Och massor av uppmuntrande tecken talar emot hans pessimism. Kostnaden för solpaneler har sjunkit kraftigt, vilket gör att solkraften kan bli mer konkurrenskraftig. Batterikostnaderna kan följa efter. Om fossila bränslen fortsätter att bli dyrare kommer förnybara kraftkällor att se mer attraktiva ut. Fyrtio år är en lång tid och man överraskas hela tiden av gynnsam teknisk utveckling – till exempel hur priset på solceller sjunker, säger Weale. Ur min synvinkel vill jag betona hur utmanande det är energiomställning är. Just nu ser det svårt ut. Men med rätt incitament kan man ha goda skäl att tro att den tekniska utvecklingen kommer att gå mycket snabbare än vi för närvarande förväntar oss.

David Talbot, Teknikrevy I chefskorrespondent, skrev om Kenyas startup-kultur i mars.

Dölj