Von Wolfgang G. Winkler und Gustav W. Sauer
Die Energiewende ist in einer kritischen Phase, weil sich das Narrativ der Klimakatastrophe sehr schnell zu einer von der Politik zu verantwortenden Energieversorgungskatastrophe entwickeln könnte, da die notwendige Energiespeicherung in der Planung vernachlässigt wurde. Mit einer in diesem Artikel vorgestellten neuen nachhaltigen Kreislaufwirtschaft lässt sich Versorgungssicherheit sicherstellen.
Seit die Menschheit sesshaft geworden ist, ist von den Pionieren, die Neuland besiedelt haben, stets sorgsam darauf geachtet worden, mit der Anlage von Feldern auch für ausreichende Speicher zu sorgen, um sich selbst und das Vieh im Winter versorgen zu können. Diese selbstverständliche Vorsorge konnte der deutsche Bürger naturgemäß auch von der deutschen Politik erwarten, speziell wenn mit einem Programm wie der Energiewende eine Rückbesinnung auf natürliche erneuerbare Ressourcen im Vordergrund einer als ausdrücklich werte- und verantwortungsorientiert bezeichneten Politik steht. Die große Sorgfalt, mit der deutsche Kernkraftwerke gebaut und betrieben wurden, ließen ein ähnlich verantwortungsvolles Handeln der Politik bei der Umsetzung der Energiewende erwarten. Es wurde so auch nicht als alarmierend gesehen, dass das Thema Energiespeicher und ihr Ausbau im Vergleich zum Ausbau der Wind- und Solarstromerzeugung eine deutlich geringere Priorität hatte. Zusätzlich beruhigend war dabei der Hinweis, dass ein ausreichend ausgebauter konventioneller Kraftwerkspark für die Übergangsphase eine sichere Energieversorgung auch weiterhin garantiere. Die Debatte der letzten Jahre über den gleichzeitigen Ausstieg aus Kohle und Kernenergie hat allerdings hier schon deutliche Fragen aufgeworfen, wie dies alles funktionieren kann. Dies insbesondere dann, wenn die Politik in Deutschland und in der EU, ohne ein klares technisch fundiertes Ausbaukonzept zusätzlich die Klimaziele verschärft, die Wunschtermine verkürzt und gleichzeitig noch die Elektromobilität deutlich ausbauen will. Die wahre Dramatik der dahinterstehenden offensichtlichen Planungsmängel wird aber erst deutlich, wenn man dazu die den Regierungsentscheidungen im Frühjahr 2021 zugrunde liegende Studie „Klimaneutrales Deutschland“ aus dem Herbst 2020 hinsichtlich der Aussagen zum zukünftigen Speicherbedarf heranzieht. Maximal wird von einer Nutzung gespeicherter Energie von insgesamt 84 TWh berichtet, wobei sowohl die vorgesehenen Reserven bei Winterbeginn und der Füllstand des Speichers am Winterende fehlt. Übernimmt man den niedrigsten Füllstand der vorhandenen Gasspeicher als Referenz, so lag dieser Ende März 2018 unter 15 Porzent. Damit würden maximal 12,6 TWh als Stromreserve zur Verfügung stehen, was bestenfalls für zwei Tage den Strombedarf decken könnte. Eine Dunkelflaute zu diesem Zeitpunkt würde so zum Netzzusammenbruch führen.
Die nahezu regelhafte recht kritische Bewertung der Ergebnisse der Energiewende durch den Bundesrechnungshof mit seinem periodischen „Bericht nach § 99 BHO zur Umsetzung der Energiewende im Hinblick auf die Versorgungssicherheit und Bezahlbarkeit bei Elektrizität“ wird von der Politik in ihren Handlungen über Jahre weitestgehend ignoriert. Vor diesem Hintergrund kann man nicht mehr von einem langfristig geordneten und sachgerechten Regierungshandeln durch die deutsche Politik sprechen, wobei auch die Opposition die Themen Versorgungssicherheit und Bezahlbarkeit der Energiewende kaum ernsthaft berührt hat. Es ist daher an der Zeit, dass sich die an der Zukunft dieses Landes interessierten Bürger mit diesem Themenkomplex ernsthaft befassen. Dazu ist es aber notwendig, die wesentlichen Fakten zu kennen und in ihren Auswirkungen zu verstehen.
Das Prinzip der Energiespeicherung als Umwandlung von Arbeit in Potential lässt sich am anschaulichsten mit dem in der Stromversorgung schon lange etablierten Pumpspeicherkraftwerk erläutern. Im Stromnetz nicht benötigte elektrische Arbeit (kWh) wird in einer Pumpe genutzt, um Wasser in einen deutlich höher liegenden Speicher, der mit Hilfe von Staumauern gebildet wurde, zu pumpen und so durch die Höhendifferenz, die Erdbeschleunigung und die gespeicherte Wassermasse ein Potential zu bilden, das bei Bedarf über tieferliegende Wasserturbinen wieder in elektrische Arbeit umgeformt werden kann. Die Netzstabilität wird durch die Leistungsbilanz (Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit also kW) sichergestellt. Ein Pumpspeicherkraftwerk gestattet es also, bei geringer Leistung über längere Zeiträume hinweg ein Potential zu erzeugen, das dann zur Verfügung steht, wenn kurzfristig eine deutlich höhere Leistung benötigt wird. Dieses Prinzip lässt sich so zusammenfassen, dass in einem ersten Verfahrensschritt (Pumpe) ein Potential aus zugeführter Arbeit (Leistung mal Zeit) erzeugt wird und einer geeigneten Speichereinheit (Stausee) zur Lagerung bis zum Bedarf an Leistung zugeführt wird. In dem zweiten Verfahrensschritt (Turbine) wird das benötigte Potential aus dem Speicher entnommen und wieder in elektrische Leistung (Arbeit pro Zeiteinheit) umgewandelt. In Deutschland stehen heute Pumpspeicherkraftwerke mit etwa 7,0 GW (7 Millionen kW) Leistung und einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent zur Verfügung. Da für einen weiteren Ausbau jedoch kaum noch Standorte zur Verfügung stehen, muss das gleiche Grundprinzip von Potentialerzeugung und Potentialnutzung mit anderer Technologie umgesetzt werden. Im Rahmen der Energiewende werden wegen der großen Energiemengen hier vor allem elektrochemische Verfahrensprinzipien zum Einsatz kommen.
Die hier in Entwicklung befindlichen elektrochemischen Technologien sind einerseits Batterien und andererseits die synthetische Brennstofferzeugung unter dem eingebürgertem Oberbegriff „Power-to-Gas“, der auch die Wasserstofferzeugung einschließt. Batterien sind hierbei die bekannteste elektrochemische Technologie, bei der beim Laden durch Zufuhr elektrischer Arbeit eine chemische Reaktion erfolgt, die das Potential in der Batterie erhöht, das dann beim Entladen wieder elektrische Arbeit auf Abruf zur Verfügung stellt. Bei den Power-to-Gas Technologien werden mittels elektrochemischer Verfahren ggf. in Verbindung mit thermischen Verfahren aus den Reaktionsprodukten Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) unter Energiezufuhr wieder die Brennstoffe Wasserstoff (H2) oder Kohlenwasserstoffe (CnHm) erzeugt, womit wieder ein chemisches Potential entsteht, das in nachgeschalteten Kraftwerken nach aktuellem Leistungsbedarf in elektrische Arbeit umgewandelt wird. Diese wesentliche Aufgabe der Speicher, Potential genau nach Bedarf an elektrischer Leistung zur Verfügung zu stellen und damit eine bedarfsgerechte Nutzung der in Wind- und Solarstromerzeugern erzeugten elektrischen Arbeit überhaupt erst zu ermöglichen, ist in der bisherigen Debatte über mangelnde regenerative Einspeisung kaum diskutiert worden. Der technische Wert der Wind- und Solarstromerzeugung ist also im Wesentlichen der von Primärenergie, ähnlich wie Kohle oder Erdgas, allerdings mit deutlich höherem thermodynamischem Wert und partieller direkter technischer Nutzbarkeit bei möglicher Netzeinspeisung. Zur besseren Übersicht der hier relevanten Technologien dient Bild 1.
Die wesentlichen Technologien basieren auf der Erzeugung und Nutzung mechanischer und (elektro-)chemischer Potentiale zur Sicherstellung der Leistungsanforderung in elektrischen Netzen. Die bedeutendste Nutzung mechanischer Potentiale ist in Pumpspeicherkraftwerken realisiert, demgegenüber ist etwa die Nutzung von gespeicherter Druckluft oder von rotierenden Massen von geringerer Bedeutung. Batterien und der Komplex Power-to-Gas basieren auf elektrochemischen Verfahrensprinzipien.
Der klassische Aufbau von Batterien beinhaltet sowohl den elektrochemischen Geräteteil (Reaktor mit Elektroden, Elektrolyt etc.) als auch die benötigten Speicherstoffe (Reaktionsteilnehmer) in einer Einheit mit dem Vorteil relativ großer Kompaktheit, aber beschränkter Speicherkapazität.
Wie sich zeigt, eignet sich Lithium sehr gut als Speichersubstanz im Automobilbau. Im stationären Bereich gelten jedoch deutlich schärfere Anforderungen hinsichtlich der zulässigen Kosten aber auch der Umstand, dass es nach heutiger Ressourcenlage fraglich erscheint, den für stationäre Stromnetze erforderlichen Bedarf überhaupt sicher zu decken. Sicherlich werden noch weitere Vorkommen entdeckt werden, wobei Fragen des Abbaus und der Umweltverträglichkeit noch offen sind. Demgegenüber kommen Wasser (H2O) und CO2 in der Umwelt in großem Umfang vor und sind so sicher als umweltverträglich einzustufen und stoßen keinesfalls an Kapazitätsgrenzen ihres Vorkommens. Die Power-to-Gas Technologien beziehen sich im Wesentlichen auf die Wasserstoffelektrolyse und die sie ergänzenden Verfahren zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen. Grundlage dieser Verfahren ist die Wasserstoffelektrolyse, die in Bild 2 dargestellt und auch zur generellen Erläuterung elektrochemischer Verfahren dient.
Mit Hilfe einer elektrischen Spannungsdifferenz (ΔU) werden aus dem Wasser (H2O) die H Atome herausgebrochen und gleichzeitig zu Wasserstoffionen H+ (Protonen) transformiert. Gemeinsam mit den gleichzeitig gebildeten Elektronen e- entsteht am Ende des Prozesses auf den beiden Seiten der Zelle H2 und O2. In einer Brennstoffzelle wird der Prozess umgekehrt und aus gespeicherten H2 bei Bedarf elektrische Leistung erzeugt. Der Ablauf ist im untenstehenden Kasten genauer erläutert.
Wasserstoff mit CO2 oder ggf. Kohlenmonoxid (CO) bildet auch einen wichtigen Grundstoff für die Herstellung von Kohlenwasserstoffen in nachgeschalteten Reaktionen, worauf in der Folge noch eingegangen wird. Aber allein Wasserstoff kann zukünftig bei offenen Verbrennungsprozessen eingesetzt werden, die ihr Abgas direkt an die Atmosphäre abgegeben. Bei geschlossenen Prozessen, die keine Stoffe nach außen abgeben, können aber auch in Zukunft Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Da CO2 aber als wesentlicher Rohstoff für die synthetische Herstellung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserstoff benötigt wird, darf es allein aus technischen Gründen gar nicht an die Umgebung abgegeben werden. Damit können auch in Zukunft bei allen stationären Anwendungen (Stromerzeugung, Industrie, Gebäude usw.) synthetische mit Hilfe von nachhaltigem Strom erzeugte Kohlenwasserstoffe in geschlossenen Prozessen eingesetzt werden.
Ein Beispiel eines geschlossenen Prozesses zeigt das in Bild 3 vorgestellte auf synthetischem erneuerbaren Gas basierende Energiespeichersystem. Dieses, das für die Strom- und Gasversorgung genutzt werden kann, besteht aus der elektrochemischen Gaserzeugung (Elektrolysesystem), der Gasspeicher- und Gasversorgungsanlage sowie einer vorzugsweise elektrochemischen Stromerzeugung (Brennstoffzellensystem).
Im Gaserzeuger wird der Verbrennungsprozess durch Elektrolyse unter Stromzufuhr rückgängig gemacht, indem den Verbrennungsprodukten (H2O und CO2) der Sauerstoff (O2) entzogen und wieder die gasförmigen Brennstoffe Wasserstoff (H2) oder Kohlenwasserstoffe wie Methan (CH4), Ethen (C2H4) etc. erzeugt werden. Kohlenwasserstoffe werden in der Regel in einer zweiten Stufe erzeugt, die der H2O-Elektrolyse nachgeschaltet ist. Das erzeugte Gas kann dann für eine nachfolgende Stromerzeugung gespeichert oder für die Gasversorgung von Industrie und anderen Verbraucher genutzt werden. Bei der Stromerzeugung kann so, wenn auch mit schlechterem Wirkungsgrad, auf vorhandene modifizierte Gaskraftwerke zurückgegriffen werden.
Die Brennstoffzelle nutzt stets unmittelbar O2, das bei der elektrochemischen Reaktion aus der Luft gewonnen wird, für die Verbrennungsreaktion zur direkten Stromerzeugung bei maximalem Wirkungsgrad. Die stickstofffreien sauberen Reaktionsprodukte Wasser (H2O) und CO2 ermöglichen eine einfache Weiterverarbeitung in den nachgeschalteten Gaserzeugern. Beim Einsatz von Kohlenwasserstoffen in vorhandenen Gasturbinenkraftwerken kann O2 etwa elektrochemisch aus der Luft gewonnen werden, mit Dampf vermischt, wie Verbrennungsluft die Brennkammer kühlen und ebenfalls Wasser (H2O) und CO2 als nutzbares Abgas liefern. Der dabei entstandene zusätzliche Dampfkreislauf erhöht den Wirkungsgrad und kompensiert so weitgehend den Energieaufwand zur O2 Abtrennung. Nachteilig ist jedoch bei heutiger Technologie der immer notwendige Energiebedarf der Wasser (H2O) Elektrolyse für die Verdampfung des zugeführten Wassers am Beginn der Prozesse, der für sich allein zu einem Mindestverlust von 15,4 % der Stromzufuhr führt. Dies ist ein deutlicher Nachteil der gegenwärtigen Power-to-Gas Technologie, der sich wegen der grundsätzlichen Bedeutung von Wasserstoff (H2) auch auf die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen auswirkt.
Wenn bei vorhandener Technik am Ende kaum mehr als die Hälfte des eingespeisten Stroms aus den Speichern zurückgewonnen werden kann, wäre zu erwarten, dass eine verantwortungsbewusste und lösungsorientierte Politik aufgrund ihrer oben beschriebenen Bedeutung die Lösung des Speicherproblems an die erste Stelle ihrer Klimapolitik gesetzt hätte. Man hat aber entschieden, ohne den Bedarf eines Stromversorgungssystems irgendwie zu berücksichtigen, ungeregelt aus Wind- und Solarstromerzeugern massiv einzuspeisen. Der damals langsame Aufbau einer leistungsfähigen deutschen Industrie wurde so verfehlt, der der chinesischen Wind- und Solarindustrie aber über massive Strompreiserhöhungen in Deutschland deutlich gefördert.
Wie nachfolgend gezeigt wird, lässt sich mit Hilfe einer systematischen Analyse der Lösungsweg des Speicherproblems allgemein verständlich herleiten. Mit den vorangegangenen Überlegungen stehen neben Wasserstoff auch regenerativ erzeugte Kohlenwasserstoffe als gleichwertige Speichermaterialien zur Verfügung. Deren diesbezügliche Eignung wird anhand ihrer physikalischen Eigenschaften mit Hilfe von Netzdiagrammen in Bild 4 verglichen. Für eine geschlossene Übersicht werden die betrachteten Größen auf die entsprechenden Werte von Wasserstoff bezogen und dabei so dargestellt, dass größere Werte technisch vorteilhafter sind. Die dabei betrachteten Eigenschaften sind die volumetrische Energiedichte, also der Raumbedarf pro gespeicherte MWh, die Verringerung des Strombedarfs zur Verdampfung des zugeführten Wassers für die Elektrolyse, die Verminderung des Wasserbedarfs bezogen auf die gespeicherte Energie. Hinsichtlich eines möglichen Seetransports ist auch die volumetrische Energiedichte im verflüssigten Zustand ebenso von Bedeutung, wie der Energieverbrauch, der umso geringer ist, je höher die Verflüssigungstemperatur ist. Die Nachhaltigkeitsanforderungen sind widersprüchlich. Einerseits wird ein CO2 freies Abgas gefordert und zum anderen dessen Rückgewinnungsmöglichkeit im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft.
Die Moleküle von Methan (CH4) und Ethen (C2H4) erfüllen alle Anforderungen mit der Ausnahme eines CO2 freien Abgases deutlich besser als Wasserstoff (H2). Demgegenüber genügt reiner Wasserstoff nicht den Anforderungen einer Kreislaufwirtschaft, die erst mit seiner Einbindung in Kohlenwasserstoffen gelingt. Der deutlich geringere Wasserbedarf zur Synthese von Kohlenwasserstoffen reduziert gleichzeitig den Strombedarf zu seiner Verdampfung. Reiner Wasserstoff ist daher nur als Speichermaterial geeignet, wenn ein CO2 freies Abgas eine technische Notwendigkeit darstellt. Diesem Ergebnis steht allerdings der heutige Stand der Technik entgegen, der einerseits eine Konsequenz des bereits genannten Wärmeverlusts bei der Verdampfung des zugeführten Wassers ist, aber auch in den thermischen Verfahren zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen selbst seine Ursache hat.
Im Gegensatz zur Elektrolyse haben die zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen verwendeten thermische Verfahren keine Möglichkeit den freigesetzten Sauerstoff von den gebildeten Kohlenwasserstoffen zu trennen. Ohne weitere Maßnahmen würde sofort eine Rückreaktion auftreten und den Prozess ergebnislos beenden. Nur eine gleichzeitige Zufuhr von zusätzlichem Wasserstoff zur Reaktion mit dem freien Sauerstoff verhindert die Rückreaktion und das gebildete Wasser lässt sich durch Kondensation entfernen. Dies führt aber zu einer deutlich erhöhten Wasserstofferzeugung mit den entsprechenden Verlusten. Daraus folgt die deutliche Verschlechterung der Effizienz und der erhöhte Wasserbedarf der heutigen Technologie, wie im unteren Teil von Bild 4 zu erkennen.
Eine genaue Prozessanalyse zeigt die folgenden Möglichkeiten auf, die beschriebenen Verluste deutlich zu vermindern.
- Eine Abwärmenutzung eventuell auch über Wärmepumpen zur Verdampfung des der Elektrolyse zugeführten Wassers vermindert den Strombedarf deutlich.
- Eine heute verfügbare CO2-Elektrolyse zur Erzeugung von CO vermindert die Sauerstoffzufuhr bei der Kohlenwasserstofferzeugung deutlich.
- Entwicklung eines elektrochemischen Reaktors zur Kohlenwasserstofferzeugung, der elektrochemisch für eine direkte simultane Sauerstoffentfernung sorgt.
- Optimierung der Systemintegration des Gesamtverfahrens, wie etwa der Stromrückgewinnung bei der Wasserstoffeinspeisung über Brennstoffzellen bei der Kohlenwasserstofferzeugung.
Die Entwicklung eines derartigen Energiespeichersystems ermöglicht darüber hinaus eine weitere Verbesserung der Nachhaltigkeit und der Energieunabhängigkeit, wie in Bild 5 gezeigt.
Die Notwendigkeit, CO2 bei der synthetischen Erzeugung von Kohlenwasserstoffen wieder zu nutzen, führt automatisch zu einem geschlossen Kreislauf von Kohlenstoff, der allein schon aus technischen Gründen keine Abgabe des Rohstoffs CO2 an die Atmosphäre zulassen kann. Die Freiheit von CO2 Emissionen ist somit stets gewährleistet. Die geschlossene Kreislauftechnologie mit CH4 oder C2H4 verbindet eine erneuerbare Energiespeicherung und Rohstoffversorgung zu einer Kreislaufwirtschaft. Diese erneuerbare Rohstoffversorgung mit Kohlenwasserstoffen ermöglicht darüber hinaus eine verbesserte Versorgungssicherheit für Industrie und weitere Energieverbraucher. Damit ist dieses Verfahren auch über 2050 hinaus zukunftstauglich.
Das bestehende Strom- und Erdgasnetz einschließlich seiner Speicheranlagen muss lediglich mit einem neu zu errichtenden CO2-Gasnetz und den zugehörigen Speichern und Gaserzeugern kombiniert werden. Ohne große Änderungen der Infrastruktur können Gemeinden und Industrie so mit Strom und erneuerbarem Gas versorgt werden. Allerdings wird es zu einer Verlagerung von thermischen Prozessen zu elektrischen oder elektrochemischen kommen.
Eine enge Verbindung von Gaserzeugung und Industriegebieten ermöglicht nicht nur eine Versorgung mit den erneuerbaren Rohstoffen Methan (CH4), Ethen (C2H4), Sauerstoff (O2), CO2 und Wasserstoff (H2), sondern auch eine energetisch optimale Versorgung der Gaserzeuger mit industrieller Abwärme. Wasserstoff, der im Verkehr und in anderen offenen Prozesse benötigt wird, kann aus der Elektrolyse oder durch Reformierung von Methan (CH4) oder Ethen (C2H4) aus dem erneuerbaren Gasnetz geliefert werden.
Vergleicht man abschließend noch die erzielbaren Wirkungsgrade bei der Stromspeicherung, so lässt sich erwarten, dass bei Ausnutzung aller heutigen technischen Optionen mit kombinierten Hochtemperaturbrennstoffzellen mit Gasturbinen (SOFC-GT) etwa ein elektrischer Wirkungsgrad von 80 Prozent erreicht werden kann und eine C2H4 Erzeugung mit circa 90 Prozent denkbar ist, so liegt die heute absehbare Größenordnung des Wirkungsgrades einer fortschrittlichen Power-to-Gas Technologie wie bei Pumpspeicherkraftwerken bei etwa 70 Prozent. Dies liegt zwar unter den in der Studie „Klimaneutrales Deutschland“ für Batterien angegebenen Werten von 85,7 Prozent, die aber erst im Langzeitbetrieb noch nachzuweisen sind. Nach den dort angegebenen Kosten würde eine Batterielösung mit nur circa. 24 TWh Speicherkapazität schon eine Investitionssumme von insgesamt etwa 2 Billionen Euro erfordern. Demgegenüber dürfte das hier vorgestellte Speicherkonzept, kombiniert mit SOFC-GT, etwa nur ein Zehntel dessen kosten. Die heute in Deutschland vorhandenen sehr großen Erdgasspeicher würden ohne hohe Zusatzkosten eine ausreichende Versorgungssicherheit gewährleisten.
