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Dienstag, 6. Dezember 2011

Energieversorgung in Deutschland

Das folgende Papier wurde als Einführungstext für die Sylter Runde "Energie" erstellt.

Sylter Runde Energie

Energie ist die entscheidende physikalische Größe, die es erlaubt, Ordnung in die Welt zu bringen.

Mit der Fähigkeit, gespeicherte Energie in Form des Feuers aktiv für eigene Zwecke zu nutzen, hat die Menschheit praktisch unbegrenzte Fähigkeiten für die Organisation der Welt gewonnen. Dieser mythologisch mit Prometheus verbundene Vorgang ist einmalig, und wir stehen möglicherweise am Ende einer Jahrtausende währenden Entwicklung.

Gespeicherte Energie ist eine Rarität und ist daher schnell konsumiert,  jedoch schwer wieder zu gewinnen, da einmal verbrauchte Energie nicht, wie bei Metallen üblich, recycelt werden kann. Daher werden die Prognosen von Meadows über die Grenzen des Wachstums auch zuerst an den endlichen Vorräten gespeicherter Energie in Form von Öl, Gas und Kohle sichtbar. Zudem ist die CO2-Müllhalde Atmosphäre endlich und droht unter dem hohen CO2-Anteil, gefährliche Veränderungen des Strahlungshaushalts zu verursachen, die eine unkontrollierbare Veränderung der Temperatur der Biosphäre bedeutet. Daher wird es zwingend zu einer Entcarbonisierung der Energieproduktion kommen.

Die Alternativen bei der Energieerzeugung sind überschaubar, es kann die in Uran und Thorium gespeicherte Kernenergie mit geeigneten Reaktoren in Strom umgewandelt werden. Dieser Weg verursacht verschiedene Probleme, die unsere Gesellschaft in Deutschland nicht tragen will. Letztendlich ist aber auch die Nutzung der Kernenergie aufgrund der endlichen Ressourcen nicht beliebig lange möglich, da innerhalb einiger Generationen auch diese Speicher erschöpft sind.

Verbleibt als einzige dauerhafte Energiequelle die Sonne, deren Strahlkraft für die nächsten Äonen gesichert erscheint. Sonnenenergie ist zwar scheinbar kostenlos, die Umwandlung in nutzbringenden Strom erfordert aber erhebliche Investitionen, unabhängig davon, ob man eine direkte Umwandlung in Solarzellen, in konzentrierenden Solarkraftwerken oder eine indirekte in Form von Wind- oder Wasserkraftwerken anstrebt. Wobei letztere inzwischen weitgehend alle verfügbaren Gefälle nutzen.

Da die Strahlungsleistung der Sonne, die auf die Erde fällt, um etwa den Faktor 10.000 größer als der Energiebedarf unserer heutigen Zivilisation ist, kann von Energieknappheit im weiterem nicht gesprochen werden. Allerdings gibt es zwei neuartige Engpässe. Zum einem sind die Flächen und Investitionen, die für die Umwandlung der Energie benötigt werden nicht beliebig vorhanden, mithin besteht also ein einfaches wirtschaftliches Knappheitsproblem, das letztendlich über den Preis gemanagt werden kann. So ist es gelungen, dass bereits heute 20% der elektrischen Energie in Deutschland aus erneuerbaren Quellen stammen. Eine Verfünffachung erscheint in den nächsten zwanzig Jahren auch unter pessimistischen Annahmen nicht unmöglich.

Wesentlich schwieriger ist das Problem der fluktuierenden Quellen. Sowohl Wind als auch Sonne und im geringerem Maße Wasser, sind schwankende Energiequellen, die sich nicht an den Bedarf der Gesellschaft anpassen. Daher kann sich entweder die Gesellschaft an den Bedarf anpassen, was heute unter dem merkwürdigen Begriff „smart Grid“ propagiert wird, oder die Energie wird gespeichert.

Das Speichern von Strom ist allerdings eine äußerst schwierige Angelegenheit. Letztendlich gelingt es großtechnisch nur in Pumpspeicherwerken, in denen Wasser von einem tieferen Niveau mittels überschüssiger elektrischer Energie auf ein höheres Niveau angehoben wird. Bei Bedarf treibt das herabstürzende Wasser eine Turbine mit Generator für die Stromerzeugung an.  Der Wirkungsgrad von 80% ist dabei so gut und die Investitionen sind so gering gewesen, dass dieses Verfahren heute eingesetzt wird, um kommerziell Arbitragegewinne aus dem geeigneten Betrieb solcher Anlagen einzufahren.

Betrachtet man die gespeicherten Energiemengen, sieht man allerdings sofort das Problem. Alle Speicherkraftwerke in Deutschland, die im Verlauf von 80 Jahren gebaut wurden, können gerade einmal 30 Minuten das Land mit Strom versorgen. Aus präzisen Analysen und Simulationsrechnungen wird der Speicherbedarf für eine vollständig auf erneuerbare Quellen basierende Stromversorgung auf sieben Tage geschätzt. Das ist das 280-fache der bisherigen Speicherkapazität oder in anderen Worten,  die Speicherkapazität muss innerhalb von wenigen Jahren um 28.000% gesteigert werden.

Dies ist offensichtlich nicht mit Pumpspeicherkraftwerken innerhalb der Landesgrenzen möglich. Daher könnte eine Alternative die Speicherung in Norwegen sein. Ein Land, das aufgrund seiner günstigen Orographie mehrere Tagesladungen deutscher Stromversorgung speichern könnte. Dabei sind erhebliche Investitionen in Fernleitungen zu tätigen, die aber prinzipiell nicht unmöglich sind. Eine andere Frage ist die politische Abhängigkeit von einem Land als Speichereigner.

Eine besondere Form des Pumpspeichers ist der Lageenergiespeicher, der mit Wasserdruck einen sehr großen Felszylinder anhebt, der mit bergmännischen Verfahren aus der Umgebung abgelöst wurde. Dieses Verfahren hat den Charme, dass die Speicherkapazität mit der vierten Potenz des Systemradius wächst, während die Baukosten, die im Wesentlichen durch die Freilegung der Oberfläche bestimmt sind, nur mit der zweiten Potenz wachsen. Damit sind theoretisch beliebig preiswerte Speicher möglich.

Chemische Verfahren der Energiespeicherung skalieren nur bei der Umwandlung in Wasserstoff, da Wasser praktisch unbegrenzt vorhanden ist. Die Speicherung großer Wasserstoffmengen bereitet aber durchaus Probleme, weshalb die weitere Umwandlung in Methan vorgeschlagen wurde. Aus diesem Methan kann letztendlich wieder Strom über Gasturbinen gewonnen werden. Bei dieser langen Kette der Umwandlung bleibt allerdings nur ein Drittel der ursprünglich eingesetzten elektrischen Energie übrig, das entspricht einen Wirkungsgrad von 33%.

Andere Konzepte sehen die Nutzung von Biomasse in Zeiten zu geringer Energielieferung vor, dabei ist jedoch die Biomasse wesentlich ökonomischer für zukünftige Konzepte des Verkehrs geeignet. So ist der Luftverkehr praktisch zwingend auf kohlenstoffhaltige Speicher, heute Kerosin, angewiesen. Der Gütertransport benötigt Diesel, zukünftig wohl Biodiesel, die Schifffahrt ist ebenfalls auf solche Treibstoffe angewiesen.

Generell ist der Verzicht auf ein Speicherkonzept sehr unökonomisch, da große Energiemengen sowohl bei Wind als auch bei Sonne nicht direkt verbracht werden können, wenn diese im Überfluss anfallen. Eine generelle Entschärfung des Problems stellt die Verbesserung des Stromnetzes dar. Bei einem hypothetischen Netz, das den gesamten europäischen Kontinent optimal überspannen würde, werden nur noch zwei, statt sieben, Tagesladungen Speicherkapazität benötigt. Die Rechnung mit sieben Tagesladungen geht, das sei angemerkt, von einem perfekten Stromnetz in Deutschland aus, das in dieser Form noch keineswegs existiert.

Die Entwicklung des Stromverbrauchs wird von verschiedenen Quellen unterschiedlich angesetzt. Dabei geht man in allen Szenarien von einer energetischen Optimierung der stromverbrauchenden Systeme aus. Ein Trend, der praktisch seit fünfzig Jahre anhält, genauso, wie die ständige Elektrifizierung aller Systeme, die der Verbrauchsminderung entgegenläuft. In der Summe ist der Stromverbrach in Deutschland daher seit fast 40 Jahren annähernd konstant und es ist keine gewagte Prognose, dies für die nächsten 40 Jahre genauso anzunehmen. Am Rande sei hier bemerkt, dass es kein Land auf der Erde gibt, das mit weniger als 5.000 kWh Stromverbrauch pro Einwohner und Jahr eine durchschnittliche Lebens­erwartung von über 80 Jahren seinen Einwohnern bieten kann!

Die Bundesrepublik hat als führende Industrienation eine hochgradig von der Stromversorgung abhängige Industrie- und Gewerbestruktur. Aufgrund der bisherigen Zuverlässigkeit der Stromversorgung, die auf gespeicherter Energie basiert, ist noch kein Bewusstsein für die kommende Problematik eines schwankenden Angebots vorhanden. Es gibt eine Energiebörse, die EEX in Leipzig, die eine sehr hohe Transparenz bietet, wie das aktuelle Angebot ist, aber auch dort werden nur aktuelle Strommengen verteilt und nicht zukünftige Situationen, die erst in zehn oder zwanzig Jahren auftauchen, gehandelt.

Damit liegt ein „terra inkognita“ der Stromversorgung vor uns. Welche Pfade sicher und wirtschaftlich ans Ziel führen sollte man frühzeitig analysieren. Geeignete Entscheidungen müssen im Konsens mit der Bevölkerung gefunden werden, die zwar sehr streng ist was die richtige oder vermeintliche Schonung der Welt betrifft, die aber auch erstaunlich offen für neue Entwicklung und daraus entstehende Kosten ist, man denke nur an das EEG.


Das Memorandum der Sylter Runde zum Thema Energie ist online.

Autor: EduardHeindl

Freitag, 2. Dezember 2011

IRES Konferenzsplitter 2011

Die IRES 2011 Konferenz in Berlin hat sich , wie jedes Jahr, mit der Speicherproblematik beschäftigt. Diese, noch von Hermann Scheer 2006 ins Leben gerufene Veranstaltung, soll das Problem der Speicher, die ja mit dem Umstieg zu erneuerbaren ein wichtiges Element sind, adressieren. Mit über 600 Teilnehmern war das Event im Berliner Congress Centrum, einem alten DDR Bau, gut besucht.
Berliner Congress Centrum

Speichergröße
Thematisch stand unter anderem die Frage im Mittelpunkt, wie viel Speicher brauchen wir. Das Resultat liegt bei mindestens eine Woche Stromspeicherkapazität! In anderen Worten 11 TWh oder 11.000 GWh oder 11.000.000 MWh oder 11.000.000.000 kWh. Man würde nun vermuten, dass Speicher mit vielen GWh Kapazität vorgestellt wurden. Das war aber selten der Fall. Die meisten Lösungen, zumeist Batterien, bewegten sich im einige 100 kWh Bereich. Sehr unbeliebt war die Frage nach dem Preis, die zumeist mit "noch nicht bekannt" oder in Zukunft niedriger als 1000 €/kWh beantwortet wurde.
Bemerkenswerterweise wurde ein Vortrag über den Lageenergiespeicher, der immerhin 2 TWh speichern kann, abgelehnt. Das Poster dazu durfte zwar ausgestellt werden, erschien aber erstaunlicherweise nicht im Poster-Verzeichnis. Man sollte wissen, dass Scheer ein frenetischer Anhänger von dezentralen Lösungen war. Ein Ansatz der in einem Stromnetz sehr fragwürdig ist, da nur ein gutes Leitungsnetz die Chance zum Speichern des Stroms bietet. Ohne Leitungsnetz müsste jeder Haushalt wohl Strom für ein halbes Jahr aufbewahren, ein unmögliches Unterfangen.
Stromangebot und -nachfrage im Jahreslauf und die zwergenhaften Pumpspeicher
Thermische Speicher
Ein weiterer Aspekt waren Verfahren zum Speichern thermischer Energie. Eigentlich ein Unding, Strom in Wärme umzuwandeln, um die Energie dann nach einiger Zeit als Wärme abzurufen. Jede thermische Solaranlage könnte es besser, aber im Anbetracht der fehlenden Speicherkapazitäten eine Art "Notnagel".
Tatsächlich ist die Wärmekapazität aller Warmwasser-Boiler erheblich, wie eine kleine Abschätzung zeigt. Bei 30 Mio. Boilern, á 200 l ergibt das beim Aufheizen von 10 °C auf 80°C eine Energiesenke für 490 GWh Strom, der auf dem Markt oft nahezu kostenlos in Zeiten der solaren Überproduktion ist, der aber dem Betreiber der PV-Anlage etwa 30ct/kWh bringt. Mithin würden bei so einem Aufheiz-Zyklus 147Mio. Euro "verbrannt" oder verkocht, je nach Perspektive.
Elektroautos
Die große Hoffnung, dass wir unsere regenerative Energie in den Batterien unserer Elektroautos speichern können, ist zum Teil richtig. Um alle 30 Mio Elektroautos der Zukunft (2030?) aufzuladen, benötigt man eine vergleichbare Strommenge wie für das Heizen der Wasserboiler. Allerdings ist die Energie schlecht abrufbar, da vermutlich nur wenige eine geleerte Batterie nach einer dunklen Nacht wünschen.
Bemerkenswert ist, dass etwa die Hälfte der Autos tagsüber auf Firmenparkplätzen stehen, die gute Plätze für das Tanken von Solarstrom sind. Die verschiedenen technischen Hürden, etwa Zähler, Stecker, Anschlussleistung usw. wurden angesprochen und können in der Praxis ein Problem werden.
System Energieangebot und Nachfrage, Michael Sterner vom IWES

Wasserstoff, Erdgas und Erdgasnetz
Die Umwandlung von Strom in Wasserstoff ist bekannt und erscheint in vielen Vorträgen. Ein weiterer Schritt ist die Umwandlung von Wasserstoff in Methan, wie er von Michael Sterner propagiert wird. Dieses Erdgas kann man relativ problemlos in ungeheuren Mengen in das Erdgasnetz einspeisen. Damit kann man in der Tat alle überschüssigen Strom, der durch Wind- und Solarkraftwerke entsteht, abfangen. Vorausgesetzt, es werden sehr viele Elektrolyseure im GW Bereich bereitgestellt. Der nicht unerheblicher Flächenbedarf sein erwähnt.
Diese Projekte werden von der Autoindustrie vorangetrieben, weil man eine gewisse Hoffnung hat, damit den Verbrennungsmotor am Leben zu erhalten. Vergleicht man aber den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors, der bei ca. 20% liegt, mit den hocheffizienten Elektromotoren (>90%), und kalkuliert noch die Umwandlungsverluste bei Elektrolyse und Methanisierung ein, so bleiben traurige 10% des Solarstroms für eine sinnvolle Verwendung übrig. Ein Elektroauto kann hingegen 80% der Solarenergie sinnvoll nutzen.

Die Folgerungen von Matthias Popp

Fazit
Die Konferenz hat einen guten Überblick geliefert, wenn auch nicht alle Fragen geklärt sind, so wird zumindest das Thema Energiespeicher inzwischen ernst genommen. Eine Lösung ist aber noch nicht in Sicht. Im Gegensatz zur IRES 2010 habe ich in diesem Jahr jeglichen visionären Vorschlag zu Speichern vermist.

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