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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