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, April 2013 –

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.

Erst grübeln, dann dübeln.

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