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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