Der Mythos vom billigen Strom aus Erneuerbaren Energieträgern

Inhalt

• Eigenschaften von Energieträgern
• Physik der Energie
• Energiewandler
• Energiewandler für fossile Energieträger
• Energiewandler für Erneuerbare Energieträger (EE)
• Kosten von Energieträgern
• Leistungsdichten
• Volatilität von EE
• Grundlastfähigkeit 
• Lager- und Speicherfähigkeit
• Wasserstoffwirtschaft
• Transportfähigkeit und Netze
• Verfügbarkeit
• Regelbarkeit
• Wirkungsgrade
• Risiken
• Zahlenbeispiel
• Fazit

Eigenschaften von Energieträgern

Physik der Energie

Entgegen dem allgemeinen Glauben kann man Energie weder erzeugen, noch verbrauchen und schon gar nicht erneuern. Man kann nur vorhandene Energie von einer Form in eine andere Form wandeln (z.B. Wind in elektrischen Strom).

Energiewandler

Die in Energieträgern enthaltene Energie muss gewandelt werden, um sie für den Bedarf der Anwender aufzubereiten.

Energiewandler für fossile Energieträger

Die in fossilen Energieträgern gespeicherte Energie wird z.B. gewandelt durch

• thermische Kraftwerke in elektrische Energie (ca. 20% des heutigen Energiebedarfs),

• Antriebssysteme (z.B. Verbrennungskraftmaschinen) in kinetische Energie (Mobilität),

• Heizungsanlagen in Wärmeenergie.

Energiewandler für Erneuerbare Energieträger (EE)

Die mit Wind und Sonnenstrahlung transportierte Leistung wird z.B. durch

• Windenergieanlagen (WEA) oder

• Photovoltaikanlagen (PVA)

in elektrische Leistung gewandelt. Wandler werden durch ihre Nennkapazität (maximal lieferbare Leistung) gekennzeichnet.

Die von WEA gelieferte Leistung ist proportional zur dritten Potenz der Geschwindigkeit des Windes. Halbiert sie sich, reduziert sich die gelieferte Leistung auf 1/8 (=12,5%). Über alle Standorte gemittelt liefern WEA im Jahresmittel rund 20% ihrer Nennkapazität.

Es müssen also im Mittel 5 WEA errichtet werden, um die volatile elektrische Leistung in Höhe der Nennkapazität einer einzigen WEA ernten zu können.

Für PVA gilt, dass 10 m2 die Nennkapazität von einem m2 an Ernte liefern.

Die Wandlung der Energie aus EE ist damit vergleichsweise extrem ineffizient. Herstellung, Betrieb und Erneuerung der Wandler erfordern enorme Ressourcen (Geld, Material, Fläche).

Kosten von Energieträgern

Viele Politiker tragen wie ein Mantra vor sich her, Energie aus Wind und Sonne werde immer billiger. Genau das Gegenteil ist richtig. Für fossile Energieträger zahlen wir zwar nichts auf ein Konto der Erde, der wir diese Energieträger entnehmen. Für EE (Wind und Sonne) zahlen wir ebenfalls nichts auf ein Konto der Sonne. Wir haben aber Jahrzehnte mit dem Einsatz von Hunderten von Milliarden Euro gebraucht, um eine Kapazität von nur etwa 10% unseres gewaltigen Energiebedarfs aus Wind und Sonne zu gewinnen.

Viele Menschen glauben, man könnte die Energienachfrage an das Angebot anpassen:

• Die Waschmaschine wird dann in Betrieb genommen, wenn die Wandler Überschussleistung liefern, vorausgesetzt, ausreichend Reservewäsche ist vorhanden.

• Das E-Auto wird bei längeren Schwachwindzeiten in der Garage bleiben.

• Passt eine Fabrik ihre Produktion dem volatilen Stromangebot von WEA an, muss sie etwa die 5-fache Kapazität an Anlagen und Personal vorhalten. Sie würde manchmal gar nicht, selten mit Nennkapazität und im Mittel mit 20% der Nennkapazität arbeiten (s.u. Volatilität). Das wäre extrem ineffizient und unbezahlbar. Für die alternative Lösung mit Stromspeichern (s.u.) fehlt (noch) eine wirtschaftlich realisierbare Technologie.

Viele Menschen glauben irrtümlich bei Energie sei eine KWh gleich einer KWh. Der Mythos vom billigen Strom aus EE resultiert daraus, dass nur der Strompreis am Ausgang eines Wandlers betrachtet wird. Es wäre etwa genauso falsch, vom Preis für 50 g Weizen (ca. 5 Cent) auf den Preis eines Weizenbrötchens (ca. 50 Cent) zu schließen, da ja Weizen und Brötchen exakt denselben Energiegehalt (ca. 150 kcal) haben. Grundlastfähiger Strom ist ebenfalls um ein Vielfaches teurer als volatiler Strom.

Leistungsdichten

Zur besseren Vergleichbarkeit werden Leistungsdichten (Leistung pro Fläche) betrachtet. Die aus einem Energieträger mit einem Wandler gewonnene elektrische Leistung wird durch die Fläche des Wandlers geteilt. Bei WEA zählt z.B. die vom Rotor überstrichene Fläche (bei WEA im Mittel weniger als 0,3 KW/m2, bei PVA noch weniger) und bei Kohle die Oberfläche des Kessels (ca. 250 KW/m2, d.h. fast 1.000-mal soviel wie bei EE). Der Rotor einer 6 MW-WEA überstreicht eine Fläche von ca. 20.000 m2 (= 2 Hektar, Grundstücksfläche von 25 Einfamilienhäusern je 800 m2) und liefert im Jahresmittel an Land volatilen Strom von im Mittel ca. 1.200 KW.

Volatilität von EE

Es wird häufig behauptet, sogenannte Dunkelflauten kämen nur selten vor und könnten mit Energielieferungen aus den europäischen Nachbarländern überbrückt werden. In der realen Welt liefern die Wandler in ganz Europa gleichzeitig wenig, viel oder keinen Strom (eine Vervielfachung der Wandler bedeutet: ein Vielfaches von Null bleibt Null). Die Eintrittswahrscheinlichkeit einer bestimmten Leistung einer WEA wird aus der Weibüllverteilung (Verteilungsfunktion) hergeleitet. Die höchste Wahrscheinlichkeit besteht darin, dass kein Windstrom fliest. Danach liefert eine WEA an ca. 70 Tagen des Jahres weniger als 2% der Nennleistung und an ca. 220 Tagen weniger als das Jahresmittel von 20%. Überschussenergie von windreichen Tagen muss über Speicher zu den Mangelzeiten verschoben werden. Je nach Standort liefert eine WEA im Jahresmittel eine Leistung von

• 10 % der Nennleistung (z.B. in Oberbayern, mittlere Windgeschwindigkeit 3 m/s ),

• 20 % über alle WEA in Deutschland gemittelt,

• 30% an den Küsten von SH (mittlere Windgeschwindigkeit 5 m/sec),

• 40% auf hoher See (mittlere Windgeschwindigkeit 8 m/sec).

Die Gesamternte schwankt von Jahr zu Jahr.

Grundlastfähigkeit

In einem stabilen elektrischen Energieversorgungssystem (EVS) muss zu jedem Zeitpunkt die nachgefragte Menge an Strom geliefert werden. Das nennt man Grundlastfähigkeit. Wind und Sonne sind nicht von der Nachfrage, sondern ausschließlich von Wetterlagen und Tageszeiten abhängig und daher nicht grundlastfähig. In einem CO2-feien EVS müssen alle erforderlichen technischen Elmente (Wandler, Regler, Umformer, Netze, Elektrolyseure, Speicher, Ladestationen, Backup-Kraftwerke etc.) für den Bedarf ausgelegt und damit jeweils mindestens mehrfach überdimensioniert werden. Die einzelnen Elemente liefern im Mittel aber nur 10-20% ihrer Nennkapazität. Das ist extrem unwirtschaftlich und nicht bezahlbar.

• Um eine mittlere volatile Leistung von 1 KW zu liefern, muss eine Wandlerkapazität von etwa 5 KW installiert werden.

• Um eine grundlastfähige Leistung von 1 KW zu liefern, muss eine Kapazität von etwa 10 KW installiert werden.

• Bei fossilen Energieträgern ist Grundlastfähigkeit mit geringen Zusatzkosten möglich.

Lager- und Speicherfähigkeit

Speicher haben die Aufgabe,

• die bei Wandlung von volatilen EE anfallende überschüssige Energie zu speichern,

• sie in Zeiten geringen Energieangebots aus den Vorräten ins Netz zu liefern.

Fossile Energieträger wie Kohle, Öl und Gas können jederzeit und überall beliebig lang gelagert werden. Wind und Sonne sind jedoch nicht speicherfähig. Elektrischer Strom besitzt keine Masse und kann daher (außer in kleinen Mengen im Kondensator) nicht gespeichert werden. Um elektrische Energie speichern zu können, muss diese erst gewandelt werden, z.B.

• in mechanische Energie (Pumpspeicher)

• in chemische Energie {Batterie oder Gase wie Wasserstoff (H2)}

und muss dann wieder in Strom zurück gewandelt werden. Vom möglichen zukünftigen elektrischen Jahresenergiebedarf könnten alle vorhandenen Deutschen Pumpspeicher gerade einmal den Bedarf für 15 Minuten speichern. Eine Batterie für die Deckung des Energiebedarfes eines Tages würde ca. 800 Milliarden € kosten.

Wasserstoffwirtschaft

Für die saisonale Speicherung eignet sich z.B. Wasserstoff (H2). Überschüssige Energie aus WEA und PVA kann (mit Elektrolyseuren) in Wasserstoff gewandelt und gespeichert werden. Beim Prozess 

                               Wind/Sonne➔Strom➔H2➔Verdichtung➔Transport➔Speicher➔Strom

entstehen erhebliche Verluste, so dass für eine KWh aus gespeichertem Wasserstoff mehrere KWh Wind- oder Solarstrom erforderlich sind. Die Elektrolyseure wären an mehr als 60% der Jahreszeiten nicht in Betrieb, müssten aber an ca. 100 Tagen ein Vielfaches des durchschnittlichen Stromangebotes aufnehmen. Das ist extrem ineffizient und daher teuer. Die Weibüllverteilung liefert die Erkenntnis, dass etwa 40% der Jahresernte einer WEA über Speicher (z.B. H2) aus den Überschusszeiten über Monate zu den Mangelzeiten verschoben werden müssen. Das bedeutet, dass für jede WEA eine zweite WEA nur für den Backup errichtet werden muss, deren Strom dazu dient, H2 und daraus in H2-Kraftwerfken wieder Strom bereitzustellen.

Transportfähigkeit und Netze

Fossile Energieträger (fest, flüssig, gasförmig) können jederzeit einfach transportiert werden. EE (Wind oder Sonne) sind lokal gebunden und nicht transportfähig. Sie müssen zunächst gewandelt werden (s.o.). Der geerntete Strom würde in einer Menge von 0 bis 30-mal so groß ausfallen wie der aus allen heutigen Kraftwerken. Das erfordert gigantische Netze (und Speicher), u.a. für die Versorgung von E-Mobilen (Ladenetze) und Wärmepumpen mit Strom sowie für H2-Gas für die Gaskraftwerke. Dafür muss eine riesige Infrastruktur aufgebaut werden. Woher sollen dafür z.B. die Flächen besonders in den Großstädten herkommen?

Verfügbarkeit

Fossile Energieträger sind wegen ihrer Lagerfähigkeit jederzeit verfügbar. Wind und Sonne sind in ihren Leistungsdichten zwischen Null und Nennkapazität unbeeinflussbar und daher nicht jederzeit verfügbar. Allein saisonal sind im Sommer (Juni, Juli) die Sonnenscheindauern pro Tag etwa 5-mal so groß wie im Winter (November bis Januar) und die Solarstromproduktion etwa 10-mal so groß.

Regelbarkeit

Aus fossilen Energieträgern gewandelte Leistungen sind einfach durch Mengensteuerung der Energieträger regelbar. EE Wind- und Sonne sind unbeeinflussbar, daher volatil und nicht regelbar. Die Amplitude der volatilen Leistung variiert im Tagesverlauf um mehr als den Faktor 10. Für die Verstetigung der Lieferung müssten riesige Speicher vorhanden sein.

Wirkungsgrade

Bei Wandlern von fossilen Energieträgern (z.B. Verbrennungskraftmotoren, Heizungen) treten Verluste auf. Die Wirkungsgrade liegen zwischen 35 % (Motor) und 90% (Gasheizung). Bei Strom aus EE Wind und Sonne betragen die Wirkungsgrade 5 bis 20%.

Die nicht vorhandenen, aber notwendigen Eigenschaften von EE (s.o.) müssen mit großem technischem Einsatz von Ressourcen (Geld, Material, Energie, Flächen) hergestellt werden. Daran kann auch noch so viel Forschung nichts ändern. Wir haben nicht für alle technischen Probleme realisierbare Lösungen. Insofern ist die Deutsche Energiewende eine Utopie. Eine Utopie liegt dann vor, wenn die Zukunftsbilder auch theoretisch nicht realisierbar sind. Wir wissen jedoch heute nicht, was wir in Zukunft wissen werden. Deutschland verfügt bei Weitem nicht über die erforderlichen Ressourcen und wird allein wegen seiner ungünstigen klimatischen Position nicht wettbewerbsfähig sein (u.a. Sonnenscheindauer). Als Folge wird der Wohlstand in Deutschland dramatisch sinken. Deutschland verfolgt eine Strategie, die in einer Sackgasse enden wird. Wir werden weiterhin unser Land irreversibel in eine gigantische Industriewüste verwandeln. Diese Nebenwirkungen werden heute verdrängt.

Risiken

Die Nutzung jedes technischen Systems ist mit Risiken verbunden:

• Im Verkehr sterben jährlich weltweit ca. 1,3 Millionen Menschen. Das ist kein Grund, das technische System Verkehr als unbeherrschbar zu bezeichnen.

• Pro gelieferte Energiemenge (1 TWh pro Jahr) versterben an den Folgen der Emissionen bei Verbrennung von Braunkohle (Schwefeldioxid, Stickoxid, Feinstaub) 33 Menschen pro Jahr, von Steinkohle 25, von Öl 18, von Holz und Biomasse 4,6 und bei Nutzung von Wasserkraft 1,3 Menschen pro Jahr. Damit sterben bei Verbrennung von Braunkohle mehr als 1000-mal so viele Menschen wie infolge der Nutzung von Kernenergie.

• Das tatsächlich realisierte Risiko durch den Betrieb von Kernkraftwerken (KKW) ist noch geringer als durch Nutzung von Windstrom.

• Das Problem der Lagerung der verbrauchten Brennstäbe ist lösbar.

Kernenergie ist eine unverzichtbare Technologie. Die Hysterie eines großen Teils der Deutschen Bevölkerung gegenüber der Nutzung von Kernenergie ist irrational. Dabei wird ein angebliches, theoretisch potentielles Risiko durch KKW zur Realität erklärt. Nach einer Amerikanischen Studie hat allein der Ausstieg aus der Kernenergie seit 2011 in Deutschland jährlich etwa 1.100 Todesopfer zur Folge (durch die verlängerte Kohleverstromung). Die

KKW-Gegner sehen keine Gefahr darin, dass radioaktives Material weitere 50 Jahre auf dem Gelände ehemaliger KKW oberirdisch gelagert wird. In ihrer Vorstellung entstehen unbeherrschbare Risiken erst durch Lagern der Abfälle 1000 m unter der Erde.

Über Risiken der Nutzung der in Wind und Sonne gespeicherten Energie wird kaum berichtet. WEA entziehen die von ihnen gelieferte Energie dem Wind. Entgegen der landläufigen Meinung wird der dadurch verursachte Energieverlust des Windes nicht erneuert. Die Wirkung eines Windparks auf den Wind kann noch im Abstand von einigen 10 km gemessen werden. Die Rotoren der WEA erzeugen erhebliche Wirbel, die nicht zur Wandlung in Strom beitragen. Windparks können daher zur Bildung von stationären Hochdruckgebieten beitragen, Niederschläge verringern und den Boden darunter austrocknen. Die WEA-Fundamente im Boden aus Millionen Tonnen Stahl und Beton verändern das ökologische Gleichgewicht in unbekanntem Maße. Es ist zu erwarten, dass der Fortschritt zu immer größeren WEA (bis zu 300 m Höhe) führen und die Risiken ebenfalls vergrößern könnte.

PVA Parks entziehen die von ihnen gelieferte Energie der Sonnenstrahlung, die dann nicht mehr zur Photosynthese und Speicherung von CO2 beitragen kann. Durch Absorption und Reflexion wandeln sie einen Teil der Sonnenstrahlung in langwellige Wärme um, die ebenfalls der Photosynthese entzogen wird und stattdessen die lokale Temperatur erhöht.

Zahlenbeispiel

Niemand kann heute sagen, wie ein Energieversorgungssystem (EVS) ohne CO2-Emissionen in 25 Jahren tatsächlich aussehen wird. Dazu sind Annahmen erforderlich. Das folgende Rechenbeispiel kann nur die Größenordnung des Problems sichtbar machen. Der heutige Energiebedarf in Deutschland beträgt ca. 2500 TWh pro Jahr. Davon werden heute aus Kraftwerken ca. 20 % in Form von elektrischer Energie geliefert.
In einem CO2-freien EVS der Zukunft gibt es keine fossilen Energieträger mehr, sondern nur noch elektrische Energie und H2 (gewonnen z.B. aus Windstrom) zum Betrieb von Gaskraftwerken. Der Gesamtbedarf wird auf ca. 1500 TWh/a geschätzt. Beiträge aus Wasserkraft und Biokraftwerken werden wegen ihrer geringen Größe vernachlässigt.
Die Erneuerbare Energie soll von WEA geliefert werden. Sie liefern an den 220 windärmeren Tagen ca. 15 % ihrer Jahresernte (davon an 70 Tagen weniger als 2% ihrer Nennleistung) und an den windreicheren 140 Tagen die verbleibenden ca. 85 %. Bei Windstille liefern H2-Gaskraftwerke 100% des Strombedarfes und an den 220 windärmeren Tagen unterstützen die Gaskraftwerke die WEA bis zu mehr als 90% des Gesamtbedarfes. Dazu wären erforderlich:

• ca. 20-mal so viel Kapazität an WEA wie heute

• mehr als 400 Gaskraftwerke je 400 MW

Fazit

Die Errichtung/Unterhalt/Betrieb je gelieferte Energiemenge erfordert mehr als 50-mal so viele hochwertige Materialien (Sand, Stahl, Beton, Aluminium, Kobalt, Nickel, Lithium, Kupfer, seltene Erden, Kunststoffe, Carbon- und Glasfaser, Silizium, die mit enormem Ressourceneinsatz aus der Erde oder Tiefsee gefördert und verarbeitet werden müssen) und mehr als 50-mal so viel Energie sowie bis zu 500-mal soviel Fläche wie für die gleiche Energiemenge aus einem Kernkraftwerk. Das ist realitätsfern. Mit zunehmendem Ausbau des emissionsfreien EVS würde Energie unvermeidbar immer teurer.

Das ist Physik. Und Physik ist nicht verhandelbar.