1. Die Energiewende

1.1 Der Tsunami in Japan

Am 11. März 2011 kommt es zum schwersten Erdbeben der japanischen Geschichte. Geologisch gesehen liegt Japan auf dem Pazifischen Feuerring, charakterisiert durch eine erhöhte Häufigkeit von stärkeren Erdbeben. Durch das Erdbeben und den von ihm ausgelösten Tsunami sterben bis zu 18 500 Menschen.

Der verheerende Tsunami beschädigt überdies das Kühlsystem des an der Meeresküste gelegenen Kernkraftwerks Fukushima-Daiichi, wobei radioaktive Strahlung freigesetzt wird. Es werden 160 000 Bewohner der Region evakuiert. Wie ein  Ende März 2016 von der Weltgesundheitsorganisation der Vereinten Nationen (WHO) veröffentlichtes Dokument (1) feststellt, gab es keine direkten durch Strahlung verursachten Todesfälle und es wird vermutet, dass  auch die Zahl der langfristig möglichen Krebstoten statistisch wohl nie auffällig werden wird.  Eine Studie eines englischen Forscherteams kommt zu dem Schluss (2), dass die durch die Evakuierung erzielte Verringerung der gesundheitlichen Strahlengefährdung viel zu gering war, um die körperliche, soziale und psychische Belastung durch die Umsiedlung zu rechtfertigen. Zur Zeit laufen langfristige spezielle Untersuchungen, ob durch das ausgetretene radioaktive Iod die Häufigkeit von Schilddrüsenkrebs ansteigt.

1.2 Der Ausstieg aus der Atomenergie zugunsten der sog. umweltfreundlichen Energien

Am 30. Juni 2011, also nur 3 Monate später, beschließt die Industrienation Deutschland

  • den totalen Ausstieg aus der Kernenergie bis Ende 2022

Entsprechend einer repräsentativen Umfrage unterstützten 80% der deutschen Bevölkerung diesen Beschluss. (Wikipedia)

1.2.1 Pariser Abkommen

Dieser Ausstieg aus der CO2- sauberen Atomenergie erschwert Deutschland allerdings die Maßnahmen, um die bei der Klimakonferenz in Paris (2015) festgelegten CO2 Einsparungen, einzuhalten. Denn die Reduzierung der Treibhausgasemission soll ermöglichen die globale Erwärmung bis 2100 auf deutlich unter 2 °C, möglichst  1.5 °C, zu begrenzen. (Wikipedia)

Der Ausfall der Kernenergie soll durch die erneuerbaren Energien, also vor allem Sonne und Wind kompensiert werden. Schon im Herbst 2010 hatte sich die Bundesregierung darauf geeinigt, die Treibhausgasemissionen bis 2050 drastisch zu reduzieren – also sich nach und nach von Kohle, Öl und Gas zu verabschieden. So werden weiterhin folgende Ziele beschlossen. (3)

  • Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch bis 2020 auf 18 Prozent, bis 2030 auf 30 Prozent und bis 2050 auf 60 Prozent.
  • Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch auf 35 Prozent bis 2020, auf 50 Prozent bis 2030 und auf 80 Prozent bis 2050. Diese Zielwerte sind in der Novelle 2012 des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) festgehalten.
  • Reduktion der Treibhausgasemissionen bis 2020 um 40 Prozent, bis 2030 um 55 Prozent und bis 2050 um 80 bis 95 Prozent (gegenüber dem Basisjahr 1990).
  • Reduktion des Stromverbrauchs bis 2020 um 10 Prozent und bis 2050 um 25 Prozent (gegenüber 2008)
  • Reduktion des Wärmebedarfs in Gebäuden bis 2020 um 20 Prozent und Reduktion des Primärenergiebedarfs um 80 Prozent bis 2050.

1.3 Die Dunkelflaute

Beim Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien muss offensichtlich die Frage der Energieverfügbarkeit betrachtet werden.

Am 24. Januar 2017 hatte die deutsche Stromversorgung eine sogenannte „Dunkelflaute“ zu überstehen. Witterungsbedingt (Windstille, kein Sonnenschein)  deckten die umweltfreundlichen Energien nur etwa 5% des deutschen Strombedarfs ab (4). An jenem  Januartag deckten also die fossilen Kohle-und Gaskraftwerke sowie die Nuklearenergie mehr als 90 Prozent des deutschen Strombedarfs.

Ein weiteres Beispiel aus der jüngeren Zeit. 27.November 2020 morgens :kein Wind und wenig Sonne, eine typisch herbstliche Wetterlage. Um 7:00 morgens liefern die rund 30 000 Windräder und die Millionen von Fotovoltaikanlagen 774 MW Strom. Das klingt viel, aber es  nicht einmal die Strommenge eines mittleren Kohlekraftwerks. Aber das erwachend Deutschland verbraucht zu diesem Zeitpunkt 72,613 GW, das ist 100 mal soviel wie an grüner Energie verfügbar.   

In Bild 1a aus (4a) ist der flächige Bereich die erzeugte Energie. Am obigen Rand des flächigen Bereichs verläuft die rote Kurve der verbrauchten Stromenergie, d.h. vom Netzbetreiber wird exakt soviel Strom eingespeist wie verbraucht wird. Im flächigen Bereich liegen die eingespeisten erneuerbaren Energien am unteren Rand, blau der Windstrom, gelb der Solarstrom und grün der Strom aus Biomasse. Um die rote Kurve des verbrauchten Stroms zu erreichen muss die Kluft zu den  grünen Energien durch den dunkelgrauen Bereich aufgefüllt werden, der die Kohle – und Kernkraftwerks -Energie darstellt. Ohne diese konventionellen Energiebeiträge bleibt es Deutschland dunkel , selbst wenn im Mittel der Anteil der Erneuerbaren über 50% liegt.

Bild 1a: Stromerzeugung und Stromverbrauch Nov 27/Nov 28 2020

Um solche Lücken bei der deutschen Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien abzufedern sind Energiespeichersysteme erforderlich, doch leistungsfähige bezahlbare Speichersysteme sind beim jetzigen Stand der Technik nicht vorhanden, d.h. die Abschaltung unrentabler Kraftwerke mit Energieerzeugung durch Verbrennung fossiler Materialien (Kohle, Gas) wird möglicherweise nicht in dem zur Zeit geplanten Maße weitergehen (4) und  auch bei den Protagonisten der erneuerbaren Energien setzt sich die Überzeugung durch, dass noch längere Zeit konventionelle Kraftwerke, vorzugsweise Gaskraftwerke beibehalten werden müssen.

Am 26. Januar 2019 hat die Kohlekommission den Kohleausstieg bis spätestens 2038 beschlossen (Wikipedia).

1.4 Der grüne Wasserstoff

1.4.1 Stromspeichertechnologien und Power to Gas

Um die Grundlast der Stromversorgung sicherzustellen sind leistungsfähige und kostengünstige Speichertechnologien erforderlich. In (4b) vergleicht Rüdiger Paschotta die verschiedenen Technologien, die im Folgenden zusammengefasst sind.

Die wesentlichen Speicheroptionen sind Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke, Akkumulatoren sowie die Power to Gas-Technologie. Für die Pumpspeicherkraftwerke mangelt es in Deutschland an einer geeigneten Anzahl von Standorten, die Druckluftspeicherkraftwerke weisen große Energieverluste auf und die Schaffung der enorm großen Kapazitäten dürfte schwierig sein. Die Lösung mit aufladbaren Batterien ist als Energiespeicher für das deutsche Stromnetz zu teuer und würde beim technischen Stand von heute nicht nachhaltig hergestellt werden können.

Power to Gas bedeutet, dass man Wasserstoff mit Strom, z.B. mit dem überschüssigen Strom der Windkraftanlagen/Photovoltaik, durch Elektrolyse erzeugt, wobei der Wasserstoff evtl. wegen der höheren Energiedichte in Methan umgewandelt wird. Das Gas lässt sich nun speichern und schließlich bei Bedarf (z.B. in der Nacht oder während einer Dunkelflaute) in Gaskraftwerken wieder verstromen. Dieses Verfahren ist durch sehr hohe Energieverluste gekennzeichnet, bei der Rückverstromung bekommt man nur 30 bis 40% der eingespeisten Energie zurück. Die Folgen sind eine massive Erhöhung der erforderlichen Windkraft-PV-Kapazitäten und der Stromkosten.

Rüdiger Paschotta schätzt, dass eine vor allem auf Energiespeichern basierende Energiewende absehbar zum Scheitern verurteilt wäre und sieht die einzige aktuell realistische Lösung in einem europäischen Supergrid. Dazu müssten sehr leistungsfähige Übertragungsnetze errichtet werden, die einen viel stärkeren Austausch elektrischer Energie innerhalb von ganz Europa ermöglichen, wobei zusätzlich noch einige Länder in Nordafrika einbezogen werden. Bereits vorhandene große Energiespeicher in Form von Wasser-Speicherkraftwerken z. B. in Norwegen könnten eingebunden und damit weitaus besser genutzt werden als bisher. Hier sei auch ein erheblicher Ausbau ziemlich problemlos und kostengünstig möglich.

1.4.2 Erzeugung von Wasserstoff

Paschotta diskutiert die verschiedenen Herstellungsmethoden (4c) .

Herstellung aus Erdgas.

Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan CH4.

In einem ersten Schritt, der Dampfreformierung, wird Wasserdampf und Wärme zugeführt, wobei neben Wasserstoff Kohlenmonoxid entsteht

CH4 + H2O + Wärme → 3 H2 + CO

In einem weiteren Schritt kann das Kohlenmonoxid zu weiterem Wasserstoff und CO2 umgesetzt werden.

CO + H2O→ H2 + CO2

Bei dieser Technologie der Wasserstoffherstellung wird allerdings CO2 erzeugt.

Das CO2 kann mit Hilfe der  CCS Technologie (carbon capture and storage) aus dem Abgas  abgeschieden und dann unterirdisch gelagert werden (sequestrieren), dass es möglichst dauerhaft nicht in die Atmosphäre gelangen kann.

Biomassenvergasung

Das Grundprinzip ist, dass die Biomasse bei erhöhter Temperatur unter Sauerstoffmangel bei einigen hundert Grad Celsius zur Reaktion gebracht wird. So werden nicht alle organischen Bestandteile unter Freisetzung von Wärme oxidiert, sondern es verbleibt ein wesentlicher Anteil brennbarer Substanzen wie Wasserstoff (H2), Methan (CH4) und Kohlenmonoxid (CO) im erzeugten Gas.

Aus dem Synthesegas lässt sich beispielsweise Biokraftstoff herstellen.

Elektrolyse

Mit Hilfe elektrischer Energie kann aus Wasser durch Elektrolyse Wasserstoff (und Sauerstoff) hergestellt werden. Dieser Prozess weist Energieverluste von typischerweise 25 bis 35 % auf, ähnlich wie die Reformierung von Erdgas.

Auf die Verwendung der Elektrolyse im Power to Gas-Prozess zur Sicherung der Stromgrundlast wurde bereits unter 1.4.1 hingewiesen. Paschotta hält dies Methode wegen der hohen Enegieverluste für diesen Zweck für ungeeignet und stellt fest, dass die Hoffnung, man könnte durch weitere Forschung die Energieverluste massiv reduzieren, völlig unrealistisch sei.

1.4.3 Speicherung und Transport von Wasserstoff

Wasserstoff kann in Druckgasflaschen gespeichert werden. Jedoch lassen sich wegen der geringen Dichte von Wasserstoff keine hohen Energiedichten erreichen. Nach Umwandlung in Methan ist die Energiedichte dreimal größer.

Alternativen mit höheren Energiedichten sind flüssiger Wasserstoff, Metallhydridspeicher oder die chemische Bindung an organische Flüssigkeiten, siehe (4c) .

Wasserstoff lässt sich transportieren, indem Druckgasflaschen in Wasserstoff-Autos oder Tanks für flüssigen Wasserstoff in Schiffen verwendet werden. Wasserstoff  lässt sich sehr viel schlechter transportieren als flüssige Brennstoffe und Kraftstoffe wie Heizöl und Benzin.

Wasserstoff kann außerdem ähnlich wie Erdgas in Rohrleitungen (Pipelines) transportiert werden, wobei allerdings nicht alle Materialien geeignet sind, weil sie z. B. unter dem Einfluss von Wasserstoff verspröden könnten. Die niedrige Energiedichte von Wasserstoff wirkt sich hier so aus, dass die transportierbare Leistung nur ein Bruchteil der von Erdgas ist und dass die Energieverluste durch den Pumpaufwand ebenfalls wesentlich größer sind.

Wegen der ungünstigen Lager- und Transporteigenschaften wird erwogen, Wasserstoff in chemisch gebundener Form zu transportieren, beispielsweise als Methanol (ein Alkohol).

1.4.4 Wasserstoffwirtschaft

Über seine Verwendungsmöglichkeit als (kostspieliger) Energiespeicher für Wind- und Sonnenstrom hinaus (1.4.1 Power to Gas) könnte Wasserstoff im Prinzip zukünftig eine große Rolle als sekundärer Energieträger spielen; er wäre die Basis der sog. Wasserstoffwirtschaft.

Wasserstoff lässt sich z.B. wie Erdgas direkt mit Luft verbrennen, entweder um Wärme zu gewinnen oder in Wärmekraftmaschinen wie z. B. Auto-Verbrennungsmotoren.

Verbrennungsmotoren mit H2 erreichen heute in der Entwicklungsphase einen Wirkungsgrad bis 45% und liegen damit etwa bei dem Wirkungsgrad von Dieselmotoren (4d) .

Mit Brennstoffzellen kann Wasserstoff am effizientesten in Strom umgewandelt werden. In dem galvanischen Element wird an der Anode der Wasserstoff zu Protonen oxidiert, die abgegebenen Elektronen wandern über die Leitung zur Kathode wo der Sauerstoff der Luft zu Sauerstoffionen reduziert wird. Im Elektrolyten vereinigen sich Protonen und Sauerstoffionen zu Wasser. Die Energieeffizienz liegt um die 60%. Brennstoffzellen sind teurer als einfache Brenner.

Bei manchen chemischen Prozessen kann Wasserstoff als Reduktionsmittel eingesetzt werden. So wäre im Prinzip eine klimaneutrale Stahlherstellung möglich.

1.4.5 Wirtschaftlichkeit von  Power to Gas-Anlagen

Power-to-Gas- und Power-to-Liquid- (Erzeugung synthetischer Flüssigkeiten)- Anlagen brauchen für einen wirtschaftlichen Betrieb günstigen Erneuerbaren-Strom und hohe Volllaststunden von mindestens 3.000 bis 4.000 Stunden pro Jahr (4e) .

Die Speicherung des Überlaststroms von Windkraft und PV stellt rein mengenmäßig keine ausreichende Basis für den wirtschaftlichen Betrieb von PtG-/PtL-Anlagen in Deutschland dar. Denn Stromüberschüsse an Erneuerbaren Energien sind in dieser Größenordnung in der absehbaren Zukunft nicht zu erwarten.

Die Wirtschaftlichkeit muss durch zusätzliche Stromanwendungen im Rahmen der Wasserstoffwirtschaft (siehe 1.4.4) erreicht werden. Synthetisches  Gas könnte   generell  zum  Ersatz  von  Erdgas  werden. Synthetische  Gase  und Flüssigkeiten zum Ersatz von Benzin und Diesel (Wasserstoff-Fahrzeuge  mit  Brennstoffzelle  und  Elektromotor)  oder als  Flugtreibstoff. Auch in der Industrie und Chemie gibt es einige Anwendungen. Dazu gehören zum Beispiel gewisse Hochtemperaturprozesse wie das Brennschneiden von Materialien und die Herstellung von Grundstoffen der Chemie wie Methanol und Polymere.

Für die wirtschaftliche Erzeugung dieser synthetischen Materalien werden nach der Agora Studie explizit für diesen Zweck Erneuerbare Energien-Anlagen gebaut werden müssen – entweder in Deutschland (Offshore-Windkraft) oder beispielsweise in Nordafrika beziehungsweise im Nahen Osten (Onshore-Windkraft und/oder Photovoltaik)

Die Herstellung von synthetischem Methan und Öl in Europa kostet mit Offshore-Anlagen in Nord- und Ostsee nach Agora anfänglich etwa 20 bis 30 Cent pro Kilowattstunde Mit Strom aus Windkraft/Photovoltaik Kombinationen in Nordafrika und im Nahen Osten lägen  die Kosten um 40% niedriger.

Laut Biogas-Monitoringbericht 2013 lagen die Herstellungskosten für aufbereitetes Biogas in Erdgasqualität im Jahre 2012 im Durchschnitt bei 5,7 Cent/kWh.

Der Großhandelspreis an der europäischen Strombörse, d.h. Kohlestrom, Atomstrom und grüner Strom, schwankt in den letzten Jahren zwischen 2 und 5 ct/kWh (IWR-Institut).

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