Power to gas

Das sogenannte Power-to-gas-Verfahren wird immer wieder als Lösung für das sich aus der Volati­lität der Strom­pro­duk­tion aus Windkraft und Photo­vol­taik ergebende Speicher­pro­blem gehan­delt. 

 

Hier werden die techni­schen Hinter­gründe und die natur­ge­setz­lich deter­mi­nierten Grenzen dieses Verfah­rens disku­tiert.

Zur Effizienz der Energie­wand­lung beim Power To Gas Verfahren

Dr. – Ing. Detlef Ahlborn

4. Juli 2014

Wind- und Solar­kraft­werke liefern ein sogenanntes „volatiles Leistungs­an­gebot“, d. h. die ins Netz einge­speiste Leistung unter­liegt witte­rungs­be­dingt sehr großen Schwan­kungen. Aus einer Häufig­keits­ana­lyse der Summen­leis­tung aus Wind- und Solar­an­lagen ist beispiels­weise bekannt, dass diese Leistung zwischen 120 und 26000­Me­ga­watt (MW) schwankt und im Jahr 2013 im Mittel bei 5400 MW gelegen hat.

Bei einer instal­lierten Nennleis­tung von 62.000MW lag die einge­speiste Leistung an 146 Tagen (also für die Dauer von rund 5 Monaten) im Jahr unter 2900 MW. Die Leistung aus diesen beiden Energie­formen ist also nicht grund­last­fähig. Dieser Zusam­men­hang wurde bereits ausführ­lich betrachtet und ist unter [1] veröf­fent­licht.

Heute wird die fehlende elektri­sche Leistung von konven­tio­nellen und Kernkraft­werken zur Verfü­gung gestellt und es ist absehbar, dass Kernkraft in wenigen Jahren nicht mehr zur Verfü­gung steht.

In diesem Zusam­men­hang wird von der Wind- und Solar­lobby immer wieder auf die „Chancen des sogenannten Power- To Gas- Verfah­rens“ verwiesen, wobei man inzwi­schen nur noch von Chancen spricht, schließ­lich sind Lösungen, wenn überhaupt, in weiter Ferne.

Dieses Verfahren soll hier unter energe­ti­schen Gesichts­punkten disku­tiert werden.

Ist Energie gleich Energie?

Energie ist sicher der funda­men­talste Begriff der Physik- Energie gibt es in verschie­denen „Erschei­nungs­formen“, z.B. als Bewegungs­en­ergie, etwa eines fahrenden Autos, als mecha­ni­sche Energie in einer gespannten Feder, und beispiels­weise als Wärme­en­ergie. Bei der Wandlung von einer Form in die andere ändert sich die Summe der betei­ligten Energie­formen nicht: Die gesamte Energie bleibt immer erhalten- diese Aussage bezeichnet man als den Energie­er­hal­tungs­satz.

Eine Sonder­stel­lung nimmt die elektri­sche Energie ein: Sie ist nur in sehr kleinen Mengen speicherbar. Im tägli­chen Gebrauch tritt elektri­sche Energie fast ausnahmslos als „Energie­strö­mung“ in Erschei­nung, etwa bei einem Wasch­ma­schi­nen­motor, der die elektri­sche Energie aus dem Strom­netz bei seiner Rotation konti­nu­ier­lich in die mecha­ni­sche Energie der sich drehenden Wäsche­trommel wandelt.

Energie kann nicht beliebig von einer Form in die andere gewan­delt werden. Während sich elektri­sche, mecha­ni­sche und kineti­sche Energie mit kleinen Verlusten problemlos inein­ander verwan­deln lassen, ist das bei Wärme­en­ergie nicht der Fall- die Wärme­en­ergie nimmt hier eine beson­dere Stellung ein. Das soll hier am Beispiel eines Kraft­werks erläu­tert werden:

In einem Wärme­kraft­werk wird in einem Kessel Hochdruck­dampf erzeugt. Die zur Verdamp­fung erfor­der­liche Wärme wird durch Verbren­nung von Brenn­stoffen oder durch Kernspal­tung zugeführt. Durch Ausdeh­nung des Dampfes wandelt sich die Druck­energie in Bewegungs­en­ergie, die dann auf die Turbi­nen­schau­feln übertragen wird. Nach der Turbine wird der Dampf im Konden­sator zu Wasser konden­siert. Dieser Prozess wird durch zwei Tempe­ra­turen begrenzt:

Zum einen kann man den Dampf nicht beliebig heiß zuführen, weil die Kessel­rohre den Drücken und Tempe­ra­turen nicht mehr stand­halten, zum anderen muss der Konden­sator noch durch die Umgebung gekühlt werden können. Aus diesem Grund kann der Dampf nicht beliebig weit expan­diert werden und in der Folge kann die Energie des Dampfes nicht vollständig in Bewegungs­en­ergie verwan­delt werden. Als Kühlme­dium kommt Kühlwasser aus Flüssen oder einfach Luft in Frage, die dann durch Kühltürme geleitet wird, deren weithin sicht­baren Wasser­schwaden in der Presse gern mit Kohlen­di­oxid in Verbin­dung gebracht werden.  Die energe­ti­sche Effizienz eines Wärme­kraft­werks ist deshalb durch die Ein- und Austritts­tem­pe­ra­turen begrenzt. Sie kann nur durch Steige­rung der Eintritts­tem­pe­ra­turen verbes­sert werden, weil die Kühltem­pe­ra­turen durch die Umgebungs­tem­pe­ra­turen vorge­geben sind.

Dieser funda­men­tale Zusam­men­hang wurde 1829 von dem Franzosen Sadi Carnot erkannt und etwa 30 Jahre später entdeckte man darin ein funda­men­tales Gesetz der Physik: Den sogenannten Zweiten Haupt­satz der Thermo­dy­namik. Dieses Natur­ge­setz beschränkt die Effizienz der Wandlung von Wärme­en­ergie in mecha­ni­sche und elektri­sche Energie. Nach knapp 200 Jahren techni­schen Fortschritts hält ein kombi­nierter Gas- und Dampf­pro­zess den absoluten Effizienz- Weltre­kord mit einem Wirkungs­grad von knapp über 60%, bei dem der Dampf­kessel mit der Abwärme einer Gastur­bine beheizt wird. Dieses Kraft­werk kann 60% der Wärme in Strom verwan­deln.

Diese Maschine ist keines­wegs eine Erfin­dung des Zeital­ters „erneu­er­barer Energien“- sie wurde bereits vor 100 Jahren von Aurel Stodola vorge­schlagen und ist im Kraft­werk Irrsching östlich von München reali­siert.

Die eingangs aufge­wor­fene Frage, ob Energie gleich Energie ist, muss also im Hinblick auf die techni­sche Nutzung als Elektri­zität verneint werden: Wärme­en­ergie kann aufgrund des Zweiten Haupt­satzes der Thermo­dy­namik nicht beliebig in elektri­sche Energie verwan­delt werden. Während Elektri­zität in belie­bige andere Energie­formen wandelbar ist, ist die Effizienz der Energie­wand­lung von Wärme in Elektri­zität durch dieses funda­men­tale Natur­ge­setz begrenzt.

Nach den Vorstel­lungen einiger Profes­soren sollen kombi­nierte Gas- Dampf­pro­zesse eine Schlüs­sel­rolle bei der Speiche­rung überschüs­siger Energie aus Solar- und Windkraft­werken spielen: Durch die Schwan­kungen der Windge­schwin­dig­keiten entsteht eine stark schwan­kende Leistungs-Einspei­sung, die schon heute an manchen Tagen nicht mehr in vollem Umfang genutzt werden kann. Ähnlich verhält es sich mit Solar­kraft­werken, die an sonnigen Tagen um die Mittags­zeit für extreme Leistungs­spitzen verant­wort­lich sind, um wenige Stunden später während der Nacht völlig auszu­fallen. Mit dem weiteren Ausbau der sogenannten erneu­er­baren Energien ist bereits heute absehbar, dass die überschüs­sige elektri­sche Energie der Einspei­sungs- Leistungs­spitzen sehr bald mangels Verbrau­chern nicht mehr nutzbar sein wird.

Beson­ders prekär sind die typischen Hochdruck­wet­ter­lagen im Zeitraum zwischen November und Januar. Hier fallen beide Solar- und Windkraft­werke regel­mäßig völlig aus. Deren Einspei­sung sinkt dann auch in der Summe auf Werte in der Nähe von Null. Faktisch bedeutet das den Total­aus­fall der Einspei­sung.

Schon in den siebziger Jahren ist der Gedanke vorge­tragen worden, überschüs­sige („erneu­er­bare“) elektri­sche Energie durch Elektro­lyse von normalem Wasser in Wasser­stoffgas und damit in chemi­sche Energie zu verwan­deln und dieses Gas zu speichern, um bei Bedarf ein Wärme­kraft­werk damit zu beheizen und so wieder in elektri­sche Energie zu verwan­deln. Aus verschie­denen Gründen ist Wasser­stoffgas nur mit großem Aufwand speicherbar. Deshalb wird der Elektro­lyse als weiterer Prozess­schritt die sogenannte Metha­ni­sie­rung hinzu­ge­fügt. Dabei wird durch Zufuhr von elektri­scher Energie aus Kohlen­di­oxid und Wasser­stoffgas Methangas erzeugt, das im Erdgas­netz problemlos speicherbar ist. Beide Prozess­schritte sind verlust­be­haftet: Bei der elektro­che­mi­schen Erzeu­gung des Brenn­gases Methan gehen unter optimis­ti­schen Voraus­set­zungen mindes­tens 35% der ursprüng­li­chen elektri­schen Energie als Abwärme verloren.

Vom Stand­punkt der effek­tiven Nutzung der beliebig wandel­baren elektri­schen Energie hat dieses Verfahren ungefähr die Logik, den Dampf­kessel eines Wärme­kraft­werks mit einem elektri­schen Tauch­sieder zu beheizen. Der Unter­schied besteht hier darin, dass nach dem Metha­ni­sie­rungs­pro­zess ungefähr 65% der elektri­schen Energie als chemi­sche Energie eines Brenn­gases gespei­chert werden. Eine Tauch­sieder-Heizung eines Kraft­werks könnte 99% der elektri­schen Energie als Wärme nutzen.

Weil die ursprüng­liche elektri­sche Energie in chemi­sche Energie eines Brenn­gases gewan­delt und als solche gespei­chert wurde, kann man durch die Verbren­nung dieses Gases in einem Wärme­kraft­werk nur einen Teil dieser chemi­schen Energie  zurück in Elektri­zität wandeln. Diese Tatsache  ist keines­wegs mangelnder Ingenieurs­kunst, sondern der beschränkten Wandel­bar­keit der Energie­form Wärme und damit schluss­end­lich dem  Zweiten Haupt­satz der Thermo­dy­namik geschuldet. An dieser Tatsache werden alle Forschungs­an­stren­gungen zur Verbes­se­rung der Effizienz des Power To Gas Verfah­rens nichts ändern: Aufgrund des Zweiten Haupt­satzes der Thermo­dy­namik liegt die bestmög­liche Effizienz des Verfah­rens schon heute fest. Die beliebte Politiker-Forde­rung, man müsse hier die Forschung inten­si­vieren, lässt allen­falls auf bestür­zende Unkenntnis der Zusam­men­hänge schließen.

Da diese Wärme­kraft­werke bei der Stützung des elektri­schen Netzes aufgrund der Schwan­kungen der Einspei­sung aus sogenannten erneu­er­baren Energien im Lastwech­sel­be­trieb gefahren werden müssen, sind Wirkungs­grade bei der Verstro­mung des Brenn­gases über 40% von großem Optimismus getragen.

Von der überschüs­sigen elektri­schen Energie der Leistungs­spitzen bleiben nach den Verfah­rens­schritten

    • Elektro­lyse
    • Methangas- Erzeu­gung
    • Methan­gas­ver­bren­nung und Rückver­stro­mung

also unter günstigen Bedin­gungen 25% bis 30% übrig. Die verblei­benden 75% fallen im Prozess als Abwärme an. Vor diesem Hinter­grund ist es physi­ka­lisch unzutref­fend, von Speiche­rung zu sprechen- vielmehr handelt es sich eher um eine Reste­ver­wer­tung hochwer­tiger elektri­scher Energie.

Um nun elektri­sche Energie unter­bre­chungs­frei zur Verfü­gung zu stellen, sollen nun mit elektro­che­misch herge­stelltem Methan befeu­erte Stütz­kraft­werke einspringen, wenn Solar- und Windenergie ausfallen. Die grund­sätz­liche Anord­nung ist in Abbil­dung 1 darge­stellt. Die aus Solar- und Windkraft­werken gewon­nene elektri­sche Leistung fließt direkt in das Strom­netz, erst wenn die Erzeu­gungs­leis­tung die Netzleis­tung übersteigt, wird die elektri­sche Energie den Anlagen zur Metha­ni­sie­rung zugeführt.

Abbildung1

Abbil­dung 1: Netzbe­trieb mit Wind- und Stütz­kraft­werken

Nun unter­liegt die zufäl­lige Einspei­sung aus „volatilen“ Quellen erheb­li­chen Leistungs­schwan­kungen. Diese Proble­matik ist in [1] ausführ­lich darge­stellt. Aufgrund funda­men­taler Zusam­men­hänge der mathe­ma­ti­schen Statistik wird sich an der statis­ti­schen Struktur der Einspei­sung durch den Ausbau der Windkraft nichts Wesent­li­ches ändern. Es lässt sich mit statis­ti­schen Methoden nachweisen, dass die Leistungs­spitzen durch den Zubau weiter anwachsen werden [2].

Überschüs­sige Leistung

Beim heutigen Mix aus Wind- und Solar­energie liegt die zufällig erzeugte Leistung während 38 % der Betriebs­dauer über dem Durch­schnitts­wert, d. h. die mittlere Leistung wird sehr häufig überschritten. Wenn man ein Netz mit einem konstanten Leistungs­be­darf betreiben will, wird die Netzleis­tung also häufig überschritten. Ein großer Teil der einge­speisten elektri­schen Energie aus Wind- und Solar­an­lagen muss dann also den Umweg über den Speicher nehmen. Mit allen Konse­quenzen für Wirkungs­grad und Verluste.

Weil die in der Einspeise-Leistung enthal­tene Energie als Fläche unter der Leistungs­kurve gedeutet werden kann, hat das zur Folge, dass ein großer Teil der Energie überschüssig ist und entweder verworfen oder gespei­chert werden muss.

Abbildung2

Abbil­dung 2: Überschuss- Leistung und –Energie

Diese Tatsache ist in Abbil­dung 2 für eine typische wetter­be­dingte Überhö­hung der Einspeise-Leistung darge­stellt. Je höher der Maximal­wert einer Schwan­kung ist, desto mehr Energie muss den Prozess der Elektro­lyse, Metha­ni­sie­rung und Rückver­stro­mung durch­laufen. Gleich­zeitig müssen die Anlagen für diesen Prozess in der Lage sein, diese großen Leistungen auch aufzu­nehmen. Da die Einspeise-Leistungs­kurven bei hohen Leistungs­werten immer schmaler zusammen laufen, werden die Erträge immer kleiner, je mehr Leistungen man zur Metha­ni­sie­rung aufbaut. Ein Teil der Energie muss dann immer durch Abrege­lung verworfen werden, weil eine Verwer­tung unwirt­schaft­lich ist.

Abbildung3

Abbil­dung 3: Auftei­lung der Überschuss-Leistung

Diese Situa­tion ist in Abbil­dung 3 darge­stellt: Das Strom­netz kann 36% der Energie unmit­telbar aufnehmen, der Betrag an überschüs­siger Energie beträgt 64%. Dieser Anteil teilt sich auf in 52% der Energie, die dem Metha­ni­sie­rungs­pro­zess zugeführt wird und 12% des Betrages, der abgere­gelt wird.

Abbil­dung 3 zeigt auch, dass erheb­liche Kapazi­täten bzw. Nennleis­tungen für die Elektro­lyse und Metha­ni­sie­rung geschaffen werden müssen, um die überschüs­sige Leistung energe­tisch überhaupt verwerten zu können. Wie oben bereits ausge­führt, beträgt der gesamte Wirkungs­grad bei der Metha­ni­sie­rung und Rückver­stro­mung unter günstigen Bedin­gungen 30%, d. h. von den 52% elektri­schen Energie, die dem Speicher­pro­zess zugeführt wird, bleiben nach der Rückver­stro­mung weniger als 16% übrig.

Diese Betrach­tung verdeut­licht, dass durch das Zusam­men­spiel der zufäl­ligen Einspei­sung mit dem Speicher­system und dem Netz insge­samt rund 50% der ursprüng­li­chen elektri­schen Energie aus Solar- und Windkraft­an­lagen durch Abrege­lung und Wandlungs­ver­luste verloren gehen. Dem gesamten System aus elektri­schem Netz und Speicher muss also der doppelte Betrag an elektri­scher Energie zugeführt werden, den das Netz braucht.

Derweil Glühbirnen ob ihrer Abwär­me­ver­luste in Europa verboten sind, werden von Hochschul­in­sti­tuten Millio­nen­be­träge sinnlos an einem Verfahren verforscht, bei dem die Grenzen der Effizienz aufgrund von unumstöß­li­chen Natur­ge­setzen a priori schon lange fest liegen.

Abbildung4

Abbil­dung 4: Auftei­lung der überschüs­sigen Energie in Abwärme und nutzbare elektri­sche Energie

Da der Energie­be­darf des Strom­netzes die vorge­ge­bene Größe ist, müssen folglich die Erzeu­gungs­ka­pa­zi­täten verdop­pelt werden, um die Abwär­me­ver­luste beim Power To Gas- Verfahren zu decken.

Es ist eine Irrefüh­rung der Öffent­lich­keit, bei solcher Fakten­lage überhaupt noch von Speiche­rung zu sprechen, schließ­lich sollten die Zusam­men­hänge zumin­dest jedem Ingenieur klar sein, der mal eine Vorle­sung in Thermo­dy­namik besucht hat.


[1] Inter­net­ver­öf­fent­li­chung: www.vernunftkraft.de/statistik/

[2] Inter­net­ver­öf­fent­li­chung: www.vernunftkraft.de/windkraft-versus-wuerfeln/

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