Juni 2021 Immer häufiger ist in Debatten zur Energie- und Klimapolitik von „Power-to‑X“ – Verfahren die Rede. Mittels dieser sollen Dekarbonisierungsziele erreichbar und die immer augenscheinlicheren Defizite von Windkraft und Photovoltaik (PV) beherrschbar werden.
Die Ausgangslage
Da der Quasi-Totalausfall von Wind und Sonne auch bei noch so vielen Anlagen nicht ausgeschlossen werden sondern regelmäßig erwartet werden kann, muss ständig ein konventioneller Kraftwerkspark die gesicherte Leistung bereithalten. Die Illusion eines Kohle- und Atomausstiegs lässt sich nur unter Rückgriff auf (Atom- und Kohle-) Stromimporte aus dem Ausland aufrechterhalten. Seitens der Befürworter des eingeschlagenen energiepolitischen Kurses werden daher Power-to‑X Verfahren ins Feld geführt. Zur Wirksamkeit dieser vermeintlichen Wunderwaffen ist mit unserem Grundsatzartikel aus dem Juli 2014 fast alles gesagt. Gleichwohl erfordert es die aktuelle politische Debatte, die Sachverhalte erneut zu beleuchten. Schließlich zeigt sich nahezu die gesamte Bundespolitik von diesen Konzepten sehr angetan und geneigt, ihnen mit massivem Einsatz von Steuergeld zum Durchbruch zu verhelfen. |
Visionen einer vollelektrischen Gesellschaft durch Power-to‑X
„Die Zukunft gehört der Elektromobilität“ – so verkünden es deren Unterstützer bei jeder sich bietenden Gelegenheit. Aber nicht nur das – alles soll zukünftig elektrisch werden. Auf den ersten Blick ist Elektromobilität in der Tat eine sehr attraktive Idee – wie die Schweizer bereits seit 100 Jahren eindrucksvoll zeigen. Damals wurde die Gotthardbahn elektrifiziert. Der Strom dafür kam und kommt vornehmlich aus Wasserkraftwerken. Die Energie des Wassers hinter den Staudämmen wird – bei Bedarf – mit einer Wasserturbine zu 90% in Strom umgewandelt und zu den elektrischen Lokomotiven weitergeleitet. Diese wandeln die elektrische Energie dann mit einem 90%igen Wirkungsgrad in Bewegungsenergie um. Der gesamte Wirkungsgrad des Systems liegt damit bei 80%. (Anmerkungen: Wirkungsgrade werden multipliziert.) Das ist ein phänomenal guter Wert und auch der Grund, warum so viele Bahnstrecken in den Bergen elektrifiziert wurden. Unsere Altvorderen – hier besonders die Schweizer – waren gar nicht so dumm! Sie haben schon vor hundert Jahren ein nach heutigen Maßstäben mustergültiges erneuerbare-Energien-Konzept technisch umgesetzt. Und weil es so gut ist, ist es auch heute noch in Betrieb.
Abb. 1: Kraftwerk Ritom (CH), Jahresproduktion 155 GWh, mittlere Leistung 18 MW. Quelle: Wikipedia
Neben der phänomenal guten Energienutzung ist das System Wasserkraftwerke – Elektrischer Antrieb noch aus einem anderen Grund sehr lehrreich: Der Strom aus den Speicherseen wird immer nur dann erzeugt, wenn er auch tatsächlich von den Lokomotiven benötigt wird. Kein Mensch käme auf die Idee, Wasser aus den Speichern einfach ablaufen zu lassen, ohne es zu nutzen. Anders ausgedrückt: die Stromerzeugung richtet sich immer und zu jeder Zeit nach dem Strombedarf – und nicht umgekehrt.
Im Fokus der deutschen Energiewende stand und steht dagegen bis heute nicht der Strombedarf, sondern die Stromproduktion. Da wir im Gegensatz zu unseren Schweizer Nachbarn keine hohen Berge mit großen Speicherseen haben, geht es bei uns beim Ersatz konventioneller, fossiler und nuklearer Stromproduktion vor allem um Strom aus Wind- und Solaranlagen. Da aber nachts bekanntlich keine Sonne scheint und der Wind nie konstant weht, stand – bei nüchterner und objektiver Betrachtung – eigentlich von Anfang an fest, dass dieses Ziel nicht erreichbar war und ist, da die Stromproduktion aus diesen Quellen „volatil“ ist, d.h., stark schwankt, regelmäßig bis auf null abfällt und letztlich den Zufälligkeiten und der Unvorhersehbarkeit des Wetters folgt. Die Bilanz der letzten elf Jahre ist ernüchternd:
Abb. 2: Die hellgrüne Fläche gibt die Entwicklung der installierten Kapazität an Wind- und PV-Kraftwerken wieder. Diese wurde in den letzten 11 Jahren verdreifacht. Weit weniger eindrucksvoll ist hingegen die tatsächliche Stromproduktion dieser Anlagen, dargestellt durch die zackigen Profile. Die gestrichelten Trendlinien verdeutlichen, wie Anlagenausbau (rot) und tatsächliche Einspeisung (schwarz) immer weiter auseinandergehen. Offenkundig liegen abnehmende Grenzerträge vor.
Man stelle sich vor, die Vorstände der Stromversorger würden täglich mit einem frisierten Würfel auswürfeln, wie viele Kraftwerke zur Stromproduktion morgen ans Netz gehen. Der frisierte Würfel hat drei „Einsen“, zwei „Zweien“ und einen „Dreier“. An der Wand hängen drei Tabellen, in denen die morgen angeschalteten Kraftwerke stehen. In der „Einser-Tabelle“ stehen Kraftwerke mit insgesamt 20% des Strombedarfs, in der „Zweier-Tabelle“ stehen 50% des Strombedarfs und in der „Dreier-Tabelle“ 130% des Strombedarfs. Die Politik gibt nun Ziele aus, um wieviel diese Produktionskapazitäten in Zukunft weiter zu erhöhen sind. Dieses Gedankenspiel ist keine Spinnerei, sondern bittere Realität! Genau so stellt man sich die Stromversorgung der Zukunft vor: meistens reicht die Stromproduktion nicht aus, um den Strombedarf zu decken und dennoch haben wir regelmäßig ein Überschussproblem. Man stelle sich vor, die Schweizer Bergbahnen könnten nicht mehr entsprechend ihrem Fahrplan fahren, sondern würden sich nach dem Wasserstand in den Speicherseen richten. Zumindest für die Schweizer ein absurder Gedanke!
Und Deutschland? Da das Würfeln in der Vergangenheit nicht funktioniert hat, gibt die Politik nun konkrete Ziele vor, um wieviel die Produktionskapazitäten für Windkraft und Photovoltaik in Zukunft weiter zu erhöhen sind. Alle bekannten Probleme werden dadurch weiter verschärft. Diese Vorgehensweise erinnert zu einem gewissen Grad an die seinerzeitige Entwicklung in der DDR: wir sind davon überzeugt, dass die Herren Honecker & Co. im Verlauf der Zeit erkannt haben, dass die Umsetzung des real existierenden Sozialismus auf deutschem Boden nicht so verlief, wie sie sich das gedacht hatten. Aber da es Politkern damals wie heute sehr schwerfällt, Fehler einzugestehen und diese gar zu korrigieren, wurden die „Anstrengungen verstärkt.“ Das Ergebnis ist bekannt.
Inzwischen wurden so große Wind- und Solarkapazitäten aufgebaut, dass die produzierten Spitzenleistungen für die Dauer von einigen Stunden im Jahr an den Netzbedarf heranreichen. Meistens liefern die „erneuerbaren“ Quellen (viel) zu wenig Strom und gelegentlich zu viel (s. Abb. 2). Ein weiterer Zubau der Produktionskapazitäten wird daher zu einer ansteigenden Überschussproduktion führen, wenn die Windkraft- und PV-Leistung über die Netzlast ansteigt. Vor diesem Hintergrund ist die regelmäßig zu lesende Forderung nach einer “Beschleunigung” oder “Entfesselung” des Ausbaus ebendieser Anlagen vollkommen abwegig. In der folgenden Abbildung ist ersichtlich, was passiert wäre, wenn wir diesen Lobbyrufen gefolgt wären und im Mai 2021 bereits die Dreifache der heutigen Windkraft- und PV-Leistung gehabt hätten:
Abb. 3: Darstellung der Situation im Mai 2021 bei hypothetisch verdreifachten Windkraft- und Solarkapazitäten und realem Wetter und Verbrauchsverhalten.
Die Spitzen (Überproduktion weit über den Bedarf hinaus) wären viel höher gewesen, aber die Täler hätten sich trotzdem nicht gefüllt (Abhängigkeit von anderen Quellen bliebe voll bestehen). Damit stellt sich die Frage, wohin mit dem dann aktuell nicht benötigten Strom?
Leider ist – entgegen der Feststellung von Frau Baerbock – das Netz kein Speicher, sondern seine Aufnahmefähigkeit liegt bei null. Die Weissagungen zahlreicher universitärer Forschungseinrichtungen – wie das Fraunhofer IWES in Kassel und regierungsnaher „Think-Tanks“ wie Agora, – ein großflächiger Zubau würde zu einer Glättung und damit zu einer Entschärfung dieses Problems führen, haben sich bereits eindeutig nicht erfüllt. Derlei Behauptungen haben sich als glatter Betrug erwiesen. Aber anstatt eine kritische Bestandsaufnahme vorzunehmen und einzugestehen, dass wir uns auf einem nicht realisierbaren Irrweg befinden, wird intensiv nach einem Ausweg aus der sich abzeichnenden Katastrophe gesucht. Die Konzepte dafür lassen sich unter der Überschrift Power-To‑X zusammenfassen:
Die überschüssige elektrische Energie soll zukünftig auch außerhalb des Stromsektors, etwa in der Wärmeversorgung, z.B. als Methan- oder Wasserstoffgas oder im Verkehr z.B. als sogenannte „E‑fuels“, also als elektrochemisch synthetisierte Kraftstoffe, genutzt werden und dort einen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten. X steht damit also vor allem für synthetische Brenngase oder Kraftstoffe.
Die schönsten Konzepte verlieren an Attraktivität, wenn wohlformulierte aber vage Absichten mit uninspirierten aber harten Zahlen abgeglichen werden. Qualitativ hat die “neue Energiewelt” durchaus ihre Stärken. Eine ganze Volkswirtschaft mit Sonne und Wind versorgen zu können, hätte – rein qualitativ – sehr viel Charme. Wenn man die dadurch implizierten Bedarfe an Flächen und Rohstoffen berechnet, sprich die quantitative Dimension mitdenkt, wird der “grüne Traum” aber sehr schnell zum Albtraum.
Ähnlich verhält es sich mit den Power-to‑X – Technologien. Die physikalischen Zusammenhänge sind nicht unüberwindlich schwierig. Man muss nur begreifen und akzeptieren, dass jede Umwandlung von einer Energieform in eine andere unweigerlich mit energetischen Verlusten verbunden ist. Aus sehr grundsätzlichen physikalischen Gründen fallen diese Verluste unterschiedlich groß aus, je nachdem welche Ausgangsenergie in welche Endenergie umgewandelt werden soll. Diese Unterschiede können erneut beim Bahnbetrieb sehr anschaulich illustriert werden:
Eine Elektrolokomotive wandelt in ihrem Antriebsmotor elektrische Energie in mechanische Energie, d.h. Bewegungsenergie des Zugs um. Die Wirkungsgrade der Elektrolok liegen bei 90%. Die elektrische Energie nimmt bei der Wandlung in andere Energieformen eine ganz besondere Rolle ein. Eine Diesellokomotive hingegen ist ein komplettes thermisches Kraftwerk auf Rädern: Ein Teil der bei der Verbrennung des Kraftstoffs im Motor freigesetzten Wärmeenergie wird im Motor und über ein Getriebe in mechanische Energie gewandelt. Dieser mechanisch nutzbare Anteil der Wärmeenergie wird, physikalisch korrekt, auch als Arbeit bezeichnet. Der größte Teil der zugeführten Wärmeenergie des Kraftstoffs wird aber im Kühler und mit den Abgasen als Abwärme abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine und die begrenzte Nutzbarkeit der zugeführten Wärmeenergie als mechanische Energie ist keineswegs schlechter Ingenieurskunst geschuldet, sondern vielmehr eine physikalisch bedingte, grundsätzliche Eigenschaft aller Wärmekraftmaschinen.
Der tiefere Grund für die begrenzte Nutzbarkeit der Wärme als mechanische Arbeit ist der von Rudolf Clausius 1850 entdeckte Zweite Hauptsatz der Thermodynamik, ein fundamentales Naturgesetz, das die Effizienz der Energiewandlung von Wärme in mechanische Energie begrenzt.
Jetzt machen wir eine Zeitreise ins 21. Jahrhundert und nehmen unseren überschüssigen Strom zur Synthese von sogenannten E‑fuels (z.B. Diesel). Mit diesem synthetischen Diesel betreiben wir nun die Lokomotiven. Da es sich um einen Brenn- bzw. Kraftstoff handelt, sind wir mit allen energetischen Konsequenzen aus dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auf Lokomotiven mit Verbrennungsmotor und damit auf Wärmekraftmaschinen festgelegt. Es ist genau diese Festlegung auf Synthese-Brennstoffe, die diese miserable Effizienz des gesamten Prozesses physikalisch bedingt. Alle Forschungsmilliarden der Welt können und werden daran nichts ändern: Wir wandeln überschüssigen Strom mit 50% Wirkungsgrad bei der Synthese in die Energie des Kraftstoffs und nur 25% davon werden in der Lok in mechanische Energie gewandelt. Der Gesamtwirkungsgrad schrumpft auf 12%.
Der in Fachkreisen wohlbekannte Schweizer Ingenieur Aurel Stodola hat schon 1910 in seinem Standardwerk „Die Dampfturbinen“ davor gewarnt, die Gesetze der Thermodynamik zu ignorieren:
Es darf daher die dringliche Mahnung an die Erfinder gerichtet werden, von ihrem zwecklosen Kampfe abzulassen und keine Mittel an die Durchführung von Ideen zu wagen, die mit dem zweiten Hauptsatze im Widerspruche stehen.
111 Jahre später mangelt es weder an Professoren und Politikern noch an ungezählten Forschungsmillionen, Ideen umzusetzen, deren Effizienz von vornherein durch physikalische Gesetze begrenzt sind. Die (wie auch immer geartete) auf Elektrizität gegründete Synthese von Brennstoffen entspricht aus energetischer Sicht der Logik, den Kessel einer Dampflok mit Strom aus der Oberleitung zu beheizen. Spinnerei?! Keineswegs! Im Energiewende-Jargon heißt so etwas „Power-To-Heat-Technologie“!
Abb. 4: Power-To-Heat Lokomotive der Schweizer Bundesbahn, 1940er Jahre
Folgende Analogie möge das Prinzip verdeutlichen: Ein im Rückwärtsgang betriebenes Kohlekraftwerk nimmt CO2 und Strom auf und produziert damit Kohle und Sauerstoff. Diese Kohlenhalde geben wir als Stromspeicher aus, den Sauerstoff geben wir an die Atmosphäre ab und verkaufen diese gigantische Energie- und Ressourcenverschwendung einem Laien als Paradigmenwechsel.
Dies illustriert den ganzen physikalischen Widersinn dieser Konzepte. Für die gleiche Strommenge wie zum Betrieb der Gotthardbahn vor hundert Jahren müssten wir heute die 16-fache Generator-Leistung in Windkraftanlagen installieren: Faktor vier für den Wirkungsgrad und Faktor vier für die Volllaststunden.
Das sehr grundsätzliche Mengenproblem
Neben den beschriebenen unvermeidlichen Energieverlusten gibt es noch ein massives Mengenproblem, das durch folgenden Vergleich sehr schnell deutlich wird:
| Am Frankfurter Flughafen wurden in Vor-Corona-Zeiten die Flugzeuge jährlich mit 5,4 Mio. Kubikmeter Kerosin betankt. Der Energiegehalt dieses Kerosins liegt bei 50 TWh (Terawattstunden). Um die Flugzeuge zukünftig mit synthetischen Kraftstoffen betanken zu können, ist unter sehr, sehr optimistischen Annahmen für die Kraftstoffsynthese die doppelte Menge an Energie erforderlich, also 100 TWh. Das entspricht in etwa der Jahresproduktion aller ca. 30.000 deutscher Onshore-Windkraftanlagen. Mit anderen Worten: sämtliche an Land gebauten Windkraftanlagen zusammen reichen gerade mal aus, um den Energiebetrag bereitzustellen, der für die Synthese des Treibstoffbedarfs allein am Frankfurter Flughafen erforderlich ist. |
Zur Orientierung: der Kraftstoffverbrauch in Deutschland beträgt je nach Quelle zwischen 52 und 110 Mio. t. Das entspricht ca. 65 bis 135 Mio. Kubikmeter Kraftstoff – also um Größenordnungen mehr als das Volumen, das bisher nur am Frankfurter Flughafen vertankt wurde. Ist es angesichts dieser Größenordnung realistisch zu glauben, dass Synthesekraftstoffe aus deutschem Wind- und Solarstrom eine ernstzunehmende Option für eine gesicherte Energieversorgung sind?
Neben der Umwandlung von Überschussstrom in „E‑Fuels“ ist natürlich auch die Nutzung von „grünem“ Wasserstoff in Betracht zu ziehen. Leider lässt sich auch für die Umwandlung von Strom in Wasserstoff der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik nicht außer Kraft setzen: Die Energie, die beim Betrieb einer Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung aufgewandt wird, ist doppelt so groß wie die Energie, die anschließend im Wasserstoff noch vorhanden ist. Anders ausgedrückt: von der Energiemenge, die man vorne in den Prozess hineinsteckt, kommt hinten nur noch die Hälfte raus. Und sollte dieser Wasserstoff dann „rückverstromt“ werden, dann bleiben am Ende noch 25% der ursprünglich eingesetzten Strom-Energie übrig. Würde ein vernünftig denkender Mensch jemals auf die Idee kommen, ein Kohle- oder Gaskraftwerk rückwärts laufen zu lassen, in dem Strom aufgewandt wird, um am Ende Gas oder Kohle zu erhalten…?
Der Übergang zu einer ganz auf Elektrizität begründeten Energieversorgung wird heute gern als „Paradigmenwechsel“ schöngeredet, weil wir ja in Zukunft elektrische Energie im Überfluss haben. Und dieser Überfluss ist eine systemimmanente, unüberwindliche Eigenschaft des “Zappelstroms” (vgl. Abb. 2). Im Kern geht es bei Power-To‑X nur um das Recycling von überschüssigem, nicht verwertbaren Strommüll!
Da sich die politische Diskussion nicht nur um E‑Fuels sondern vorrangig um „grünen“ Wasserstoff dreht, sei auch hier kurz aufgezeigt, dass wir es z.B. beim möglichen Ersatz von Erdgas durch Wasserstoff ebenfalls mit einem gigantischen Mengenproblem zu tun haben:
| Im Jahr 2019 (Statista) wurden in Deutschland 89 Mrd. m³ Erdgas verbrannt. Der Heizwert von Erdgas beträgt 10,1 kWh/m³ – der von Wasserstoff „nur´“ 3,0 kWh/m³. Unter der Voraussetzung, dass es technische Lösungen für eine Umstellung der Heizungen von Gas auf Wasserstoff geben sollte, so würden 300 Mrd. m³ Wasserstoff nur im Gebäudesektor benötigt. Zum Vergleich: dieses Volumen ist 50% größer, als Russland 2020 weltweit an Gas exportiert hat. |
Auch hier stellt sich also die Frage: woher soll diese Menge an Wasserstoff kommen?
Das können wir drehen und wenden, wie wir wollen. Das ist der Kern der Sache!
Dieser Beitrag erschien in leicht veränderter Form auch im “Club der klaren Worte”.
Dr.-Ing. Detlef Ahlborn – Dr. rer. nat. Horst Heidsieck
