Zur Speiche­rung von regene­ra­tiven Energien

 

Aus politisch nicht beein­fluss­baren Gründen stehen die Energie­quellen Wind und Sonne nicht bedarfs­ge­recht zur Verfü­gung. Den nahelie­genden Fragen bezüg­lich der Konse­quenzen für die Versor­gung eines Indus­trie­landes weichen ausbau­wil­lige Politiker regel­mäßig mit dem Hinweis auf “Speicher­tech­no­lo­gien” aus.

 

Dieser Beitrag geht der physi­ka­li­schen Plausi­bi­lität verschie­dener “Speicher­tech­no­lo­gien” auf den Grund.   

– von Dr.-Ing. Detlef Ahlborn –

Vor 200 Jahren musste ein Müller einfach akzep­tieren, dass er bei einer Flaute kein Mehl mahlen konnte. In größerem Umfang standen außer Wasser und Wind keine Energie­quellen zur Verfü­gung.

Erst mit der Erfin­dung der Dampf­ma­schine und der durch sie angetrie­benen Indus­tria­li­sie­rung sind wir mit unserem Energie­be­darf unabhängig vom Wetter­ge­schehen. Mit dem exzes­siven Ausbau von Windkraft- und Solar­energie sind wir im Begriff, uns in diese Abhän­gig­keit zurück zu begeben.

Immer wenn neue Windkraft­an­lagen in die Landschaft gesetzt werden, wird von den Projek­tieren behauptet, diese Anlagen seien in der Lage, eine bestimmte Anzahl von Haushalten mit Energie zu versorgen. Diese Behaup­tungen sind schlicht der Versuch, die Bürger für dumm zu verkaufen.

Ohne Wind produ­ziert ein Windrad nun mal keinen Strom. Würden solche Anlagen tatsäch­lich die Haushalte versorgen, würden bei einer Flaute die Lichter ausgehen. Strom muss im gleichen Augen­blick produ­ziert werden, wie er verbraucht wird. Man kann zwar kleine Mengen an Strom in Batte­rien speichern, der Bedarf an Energie­spei­chern in Strom­netzen ist aber gigan­tisch groß. Speicher in der erfor­der­li­chen Größe sind in Deutsch­land nicht vorhanden.

Das lässt sich anhand eines einfa­chen Beispiels verdeut­li­chen: Einer der größten Stauseen in Deutsch­land ist der Edersee.

Bild vom Edersee

Blick auf den Edersee in Nordhessen.

Mit seinem Fassungs­ver­mögen von 200 Mio m3 ist er in der Lage, eine Energie von rund 20.000 MWh zu speichern. Das 20 MW Kraft­werk am Fuße der Staumauer könnte mit dieser zur Verfü­gung stehenden Energie rund 40 Tage lang ein Netz stützen.

Dann ist der Edersee leer (!)

Die Windkraft­an­lagen beim Netzbe­treiber Amprion etwa haben im Jahr 2012 im Jahres­mittel eine Leistung von rund 800 MW erbracht. Das ist im übrigen die Leistung eines einzigen Kohle­kraft­werks.

Wollte Amprion eine vierwö­chige Flaute überbrü­cken, müsste man 540.000 MWh elektri­sche Energie in irgend­einer Form vorhalten. Dieses Speicher­vo­lumen übertrifft den Energie­in­halt des Edersees um das 25- fache.

Selbst am gegen­über Erneu­er­baren Energien sehr wohlwol­lend einge­stellten ISET Institut in Kassel hat man inzwi­schen einge­sehen, dass Wasser­spei­cher als Technik ausscheiden:

Ein ökolo­gisch nachhal­tiger Ausbau dieser Techno­logie in Mittel­eu­ropa ist in dieser Größen­ord­nung nicht vorstellbar, da sehr viele Eingriffe in die Natur statt­finden müssten und diese Kapazi­täten rein technisch nicht vorhanden sind.“

Obgleich sich Hundert­schaften von Wissen­schaft­lern in dutzenden Insti­tuten mit regene­ra­tiven Energien beschäf­tigen, steht eine belast­bare Aussage zur Frage der Energie­spei­che­rung bis heute aus.

Bevor man sich auf genaue Vorher­sagen einlässt, ergehen sich die Autoren gern in halbkon­kreten Allge­mein­plätzen.

Bezeich­nend die folgende Aussage, die man im Büro für Technik­fol­gen­ab­schät­zung im Deutschen Bundestag gewonnen hat.

Im Bericht Nr 147 vom April 2012 ist man zu folgender Erkenntnis gekommen:

Die Abschät­zung des zukünftig entste­henden Bedarfs an Speicher­sys­temen ist metho­disch äußerst komplex. Einen Bedarf an Speichern »an sich« gibt es nicht.

Angesichts der Tatsache, dass der Ausbau von Windkraft- Solar­an­lagen plan- und rücksichtslos voran­schreitet, ist deren Erkenntnis

dass der gegen­wär­tige Wissens­stand nicht ausreicht, um eindeu­tige und belast­bare Aussagen zum künftigen Speicher­be­darf treffen zu können

geradezu grotesk!

Immerhin räumen die Fachleute im Bundestag ein, dass es eventuell einen Speicher­be­darf geben könnte:

Dennoch könnten Langzeitspei­cher auf lange Sicht in der Perspek­tive einer Vollver­sor­gung mit RES-E (gemeint sind erneu­er­bare Energien, d. Verf.) in gewissem Umfang notwendig sein.“

Die Verwen­dung des Konjunk­tivs ist an dieser Stelle eine intel­lek­tu­elle Zumutung.

Am IWES (insti­tute for wind energy and energy systems) in Kassel ist man in 2011  zu dieser konkre­teren Einsicht gekommen:

Netzausbau, Erzeu­gungs- und Lastma­nage­ment können das Problem der Speiche­rung nicht lösen, da jedes Jahr über ein bis zwei Wochen das Angebot von Wind- und Solar­energie äußerst gering ausfällt und sich über diesen Zeitraum der Strom­be­darf nicht ausrei­chend verschieben lässt. Diese Situa­tionen treten vor allem in den Herbst- und Winter­mo­naten auf, wenn sich beispiels­weise ein stabiles sibiri­sches Hoch über ganz Europa etabliert, was eine europa­weite Windflaute mit sich bringt.

An dieser Stelle kann den Wissen­schaft­lern in Berlin, darunter immerhin zwei Physiker, etwas geholfen werden, eine Antwort auf die komplexe Frage“ zu finden:

Wenn nur die Hälfte des Leistungs­aus­falls von Wind- und Solar­strom (das entspricht einer Kraft­werks­leis­tung von 40.000MW) durch einen Speicher über 3 Wochen ausge­gli­chen werden soll, entspricht dies einer Strom­menge von rund 20.000.000 MWh.

Energe­tisch ist das das Tausend­fache der Energie­menge des randvollen Edersees.

Damit ist erwiesen, dass Pumpspei­cher­kraft­werke keine ernst­zu­neh­mende Option sind.

Für „Wissen­schaftler“, die darüber noch nachdenken, gilt übrigens das gleiche.

Sowohl Solar- als auch Windkraft­an­lagen haben eine Leistungs­cha­rak­te­ristik, die für eine gleich­mä­ßige Strom­ver­sor­gung ungüns­tiger nicht sein könnte:

Beim Windkraft­werk liegt das daran, dass sich die Leistung (kW) veracht­facht, wenn sich die Windge­schwin­dig­keit nur verdop­pelt. Dadurch entstehen bei schwa­chem Wind große Versor­gungs­lü­cken.

Die Leistung des Kraft­werks sinkt auf extrem kleine Werte ab.

In diesem Zusam­men­hang wird oft behauptet, dass diese Schwan­kungen durch weiter entfernte Windkraft­an­lagen ausge­gli­chen werden können. Dies ist unzutref­fend.

Die Behaup­tung, der Wind wehe immer irgendwo, ist reine Augen­wi­scherei!

So entsteht auch im großflä­chigen Verbund bei einer großen Zahl von Windkraft­an­lagen ein Leistungs­ver­lauf mit extremen Schwan­kungen.

Das ist ungefähr so, als würden bei einem Automotor zufällig mal einer und dann mal alle Zylinder nachein­ander ausfallen.

Niemand käme auch nur auf den Gedanken, sich mit einem solchen Auto auf Reisen zu begeben.

Auf diese Reise nimmt das Erneu­er­bare-Energien- Gesetz unser ganzes Land mit.

Da man inzwi­schen einge­sehen hat, dass für Pumpspei­cher­kraft­werke offen­sicht­lich kein Platz in unserem Land ist…

…ist man auf den Gedanken verfallen, „überschüs­sige Windenergie“ in einem mehrstu­figen Prozess als chemi­sche Bindungs­en­ergie in Form von Methangas im Erdgas­netz zu speichern –  schließ­lich seien die Speicher­ka­pa­zi­täten im Gasnetz vorhanden.

Mit dem synthe­tisch erzeugten Gas sollen dann in windschwa­chen Zeiten sogenannte Backup-Kraft­werke zur Stützung des Strom­netzes befeuert werden.

Hinter dieser Technik verbirgt sich eine gigan­ti­sche Verschleu­de­rung und Verschwen­dung von hochwer­tiger elektri­scher Energie.

Es lohnt sich, diesen Prozess und die damit verbun­denen Energie­ver­luste genauer anzusehen.

Er besteht aus den Schritten

  1. Verwand­lung von Drehstrom in Gleich­strom in einem Gleich­richter (Verluste 5%)
  2. Erzeu­gung von Wasser­stoffgas durch Elektro­lyse (Verluste 20%)
  3. Synthese von Methangas aus Kohlen­di­oxid und Wasser­stoffgas (Verluste 20%)
  4. Einspei­che­rung von Methangas in unter­ir­di­schen Speichern (Verluste 2%)
  5. Betrieb eines Gas- Kombi­k­raft­werks mit dem gespei­cherten Methan (Verluste 50%)

Die hier angege­benen Wirkungs­grade sind optimis­ti­sche Schät­zungen. In der Summe bleiben von der ursprüng­li­chen Energie im günstigsten Fall 30% übrig.

Diese Technik ist in einer kleinen Pilot­an­lage inzwi­schen umgesetzt – hier wird ein Gesamt­wir­kungs­grad von 16% erreicht.

Für das Jahr 2013 ist eine Anlage mit einer Leistung von 6MW geplant. Hier hat man einen Gesamt­wir­kungs­grad von 21% in Aussicht gestellt.

Diese Verluste können nur gedeckt werden durch einen weiteren Zubau von Wind- oder Solar­kraft­werken: Für jede rückver­stromte Kilowatt­stunde müssen 3,5kWh Strom in den Metha­ni­sie­rungs­prozeß einge­speist werden.

Immerhin hat man erkannt, wie es in einer einschlä­gigen Veröf­fent­li­chung vom Kasseler IWES  lapidar heißt

einzig die Techno­logie ‚Strom zu Gas’ bzw ‚Elektro­lyse’ und ‚Metha­ni­sie­rung’ bleibt noch umzusetzen“.

Diese sogenannte „Techno­logie“ haben die Kasseler Profes­soren offen­sicht­lich nicht ganz zu Ende gedacht!

Das soll hier anhand eines Beispiels nachge­holt werden:

Bei einem Windkraft­werk stehen im Jahres­durch­schnitt rund 16% der Nennleis­tung zur Verfü­gung- ein Windrad, das bei ausrei­chender Windstärke seine Nennleis­tung von beispiels­weise 2000kW erbringen könnte, liefert im Jahres­durch­schnitt nur 320kW.

Betrachtet man, wie oft dieser Wert erreicht bzw. überschritten wird, kommt man zu der inter­es­santen Erkenntnis, dass dieser Wert in rund 66% der Betriebs­zeit eines Windkraft­werks (das sind rund 8 Monate im Jahr) nicht erreicht wird.

Während dieses Zeitraums ist die Leistung kleiner. Hohe Leistungen von Windkraft­werken sind also relativ selten.

Der Eindruck, dass Windkraft­werke die meiste Zeit still stehen, ist kein subjek­tiver Eindruck, sondern eine statis­tisch erwie­sene Tatsache.

Während dieser Zeit steht „überschüs­sige Windenergie“ nicht nur nicht zur Verfü­gung, das Strom­netz muss sogar noch durch konven­tio­nelle Kraft­werke gestützt werden.

Heute erfolgt diese Stützung durch konven­tio­nelle Kraft­werke, irgend­wann „perspek­ti­visch“ eventuell auch durch Speicher.

Überschüs­sige Windenergie“ steht also nur für eine begrenzte Zeit im Jahr zur Verfü­gung.

Das hat zur Folge hat, dass Anlagen zur Wandlung und Speiche­rung der Energie ins Erdgas­netz lange Still­stands­zeiten haben.

In allerlei Veröf­fent­li­chungen wird versucht, die misera­blen Wirkungs­grade im „Power-Gas-Power“ Prozess mit dem Argument schön zu rechnen, man könne die Abwärme in geeig­neter Weise nutzen.

Hier muss man sich der Tatsache stellen, dass diese Abwärme  je nach Leistung der Anlagen zur Metha­ni­sie­rung zwischen 4 und 5 Monaten im Jahr nicht zur Verfü­gung steht, weil diese Anlagen mangels überflüs­sigen Windes still stehen.

Das gleiche gilt für die sogenannten Backup­kraft­werke, die zwischen 7 und 8 Monaten im Jahr still stehen.

Die in einer  IWES-Veröf­fent­li­chung  im Oktober 2011 in der Schweizer Zeitschrift Gas Wasser Abwasser aufge­stellte Behaup­tung,

Gleich­wohl lassen sich durch geeig­nete KWK-Konzepte unter Nutzung der Abwärme der Strom-zu-Gas und Gasver­stro­mungs­pro­zesse die energe­ti­schen Wirkungs­grade auf ca. 55% bis 60% steigern

stellt sich vor dem Hinter­grund der schlechten Verfüg­bar­keit als nicht stich­haltig heraus, zumal die Wärme­ströme mit dem Wind starken Schwan­kungen unter­liegen.

Die mit dieser „Techno­logie“ erfor­der­li­chen Anlagen zur Energie­wand­lung und –speiche­rung („Metha­ni­sie­rung“) haben natur­gemäß eine begrenzte Kapazität (Nennleis­tung) zur Aufnahme der überschüs­sigen Windleis­tung.

Energie­bei­träge oberhalb ihrer Nennleis­tung können nicht genutzt werden- die entspre­chenden Windkraft­werke müssen abgere­gelt werden. Deren Energie kann dann für die Speiche­rung nicht genutzt werden- sie muss aus techni­schen Gründen verworfen werden. Dieser Sachver­halt ist evident, wenn man sich klar macht, dass die Pumpe in einem Pumpspei­cher­kraft­werk nicht mehr Leistung aus dem Netz aufnehmen kann, als ihre Nennleis­tung. Die „überschüs­sige Windenergie“ kann also nie in vollem Umfang für die Speiche­rung genutzt werden, ein Teil geht immer verloren.

Wenn man die Nennleis­tung der Anlagen zur Wandlung der Windenergie doppelt so groß wählt wie die Leistung des zu versor­genden Netzes, erhält man Energie­ver­luste wie im nachste­henden Bild darge­stellt.

SankeyDiagramm

Energie­ver­luste beim Power- To Gas- Speicher­pro­zess

Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf eine dreifache Nennleis­tung der Anlagen zur Metha­ni­sie­rung. Es stellt sich heraus, dass im Gesamt­pro­zess ungefähr die Hälfte der einmal in Elektri­zität gewan­delten Windenergie als Abwärme verloren geht. Diese Verluste sind keines­wegs mangel­hafter Ingenieurs­kunst, sondern einem funda­men­talen Natur­ge­setz geschuldet, das dem Fachmann als Zweiter Haupt­satz der Thermo­dy­namik geläufig ist. Schon heute steht abseits aller Forschungs­an­stren­gungen fest, dass dieses Natur­ge­setz die Effizienz der Energie­wand­lung von Methangas zurück in elektri­sche Energie begrenzt.

Um nun ein Strom­netz mit „regene­ra­tiven Energien“ zu betreiben, müssen zum einen die Wandlungs­ver­luste im Power – Gas– Power Prozess gedeckt werden und zum anderen zusätz­liche Leistungen (Wind- oder Solar­kraft­werke) instal­liert werden, um den Anteil an ungenutzter Windenergie in den Leistungs­spitzen energe­tisch zu ersetzen.

Der hier erfor­der­liche techni­sche Aufwand ist schwin­del­erre­gend.

Wenn bis heute 10.000 MW Kraft­werks­leis­tung ausreicht, um ein Netz mit 10.000 MW zu betreiben, so sind unter Verwen­dung der vorge­schla­genen „Techno­logie“ nunmehr folgende Nennleis­tungen zu instal­lieren:

  • 90.000 bis 100.000 MW Windkraft­werke oder 200.000 bis 220.000 MW Photo­vol­taik Anlagen

und

  • 20.000  bis 30.000 MW Anlagen zur Wandlung von elektri­scher Energie in Methangas

und

  • 10.000  MW Kraft­werks­leis­tung zur Stützung des Netzes bei Windstille.

Für eine der führenden Wirtschafts­na­tionen der Welt ist das unter wirtschaft­li­chen und Natur­schutz- Gesichts­punkten schlicht ein Horror­sze­nario:

Auf je 10.000 MW vom Netz genom­mene Kraft­werks­leis­tung werden zwischen 30.000 und 35.000 Windräder zu je 3 MW Leistung benötigt. Nach einschlä­gigen Regeln verbrau­chen diese Windräder zwischen 5000 und 6000 Quadrat­ki­lo­me­tern Landschaft, wenn sie im Raster von 300 x 500m aufge­stellt werden.

Das ist die doppelte bis dreifache Fläche des Saarlands.

Diese Flächen wären faktisch unbewohnbar.

Das Fazit kann nur lauten:

Ein ökolo­gisch nachhal­tiger Ausbau dieser Techno­logie in Deutsch­land ist in dieser Größen­ord­nung nicht vorstellbar, da sehr viele Eingriffe in die Natur statt­finden werden und diese Kapazi­täten rein technisch nicht darstellbar sind.



Auf Basis einer bloßen Zukunfts­vi­sion in großem Stil und im Eiltempo Erzeu­gungs­ka­pa­zi­täten für nicht grund­last­fä­higen Strom aufzu­bauen, und dafür zuneh­mend die Natur zu schädigen, erscheint uns  – gelinde geagt – extrem unver­nünftig.

Die Relevanz unseres vierten Programm­punktes  wird u.E. hier beson­ders deutlich.

Erst grübeln, dann dübeln. 

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