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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