Sonntag, 16. September 2012

Die Speicherung von Windstrom

Es ist eine bekannte Tatsache, dass Windstrom und Solarenergie im Tages- und Jahresverlauf stark schwanken können und, dass eine Vorhersage nur für einen kurzen Zeitraum möglich ist. Die Energieeinspeisung kann jedoch heute schon enorm sein. Wenn der Wind kräftig weht, muss der Strom aus 30.000 Megawatt (MW) Windleistung verteilt werden. Scheint mittags bundesweit die Sonne, so können noch einmal 25.000 MW an Solarleistung hinzu kommen. Zu einer windigen Stunde im Sommer könnten Wind- und Sonnenenergie also bereits heute die ganze Republik mit Strom versorgen.

Dieser an sich erfreuliche Umstand birgt aber auch ein Problem: Wohin mit dem Strom, wenn das Angebot höher ist als der Bedarf und wenn regional mehr eingespeist wird, als über die Netze verteilt werden kann? An manch windigen Tagen müssen Windparks aufgrund der knappen Leitungen "abgeregelt", d. h. abgeschaltet werden. Zwar hat dies keine finanzielle Auswirkungen (worauf clevere Betreiber wie PROKON immer wieder hinweisen), da auch die nicht erzeugte Strommenge per Gesetz vergütet wird. Im Endeffekt zahlen aber die Privatverbraucher das alles über die berüchtigte EEG-Zulage. Diese beträgt zur Zeit bei Windstrom knapp 9 Cent pro Kilowattstunde; bei Solarstrom sind es 16,5 ct/kWh.

Pumpspeicher keine Lösung

Als Ausweg in der Speicherfrage wird häufig auf die Pumpspeicherkraftwerke in den Mittelgebirgen und in den Alpen verwiesen. Im Kern entfällt damit aber nicht das Problem der unzureichend ausgebauten Stromnetze, denn auch hier liegen Energieerzeuger und Speicher zumeist räumlich weit voneinander entfernt. Idealerweise müsste sich der Energiespeicher dort befinden, wo der Strom erzeugt wird, um ihn bedarfsgerecht dahin abzugeben, wo er gebraucht wird.

Dieses Dilemma erleben zur Zeit die Schweizer Lieferanten von Pumpspeicherstrom hautnah. Deutscher Wind- und Solarstrom lässt ihre Strompreise zeitweise ins Bodenlose sinken; die Rentabilität laufender Projekte ist in Gefahr. In der Vergangenheit trieb günstiger Atom- und Kohlestrom zu Nacht- und Ferienzeiten die Pumpen in den Alpen an. Zur Mittagszeit lieferten die Schweizer Stromhändler Spitzenenergie für gutes Geld nach Norden. Heute müssen sie feststellen, dass ihr einst hochwertiger Strom dort nicht mehr gebraucht wird. "Die deutschen Wind- und Sonnenparks haben unser Geschäft kaputt gemacht", klagte kürzlich eine Stromhändlerin bewegt in der Neuen Züricher Zeitung. Im Jahr 2008 erzielten die Schweizer Pumpspeicherunternehmen noch 2  Milliarden Franken an Einnahmen; inzwischen haben sich diese halbiert. Das führt zu der brisanten Frage: Wer bezahlt für die 4,5 Mrd. Fr. teuren Spitzenkraftwerke, welche derzeit iin der Schweiz schon im Bau sind? Ein neues Geschäftsmodell wird händeringend gesucht.

Wind zu Gas

Statt Pumspeicher ist derzeit der Ansatz "Wind-to-Gas" in aller Munde. Aus Windstrom soll Gas gemacht werden. Gas kann man speichern und über Rohrleitungen dorthin befördern, wo es gebraucht wird. Verschiedene Verfahren sind in der Planung, wovon drei kurz beschrieben werden sollen. Bei der Elektrolyse wird die elektrische Energie (der Windräder) genutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Der Wasserstoff kann dann als Gas in Brennstoffzellen oder in Verbrennungsmotoren zu Strom und Wärme gewandelt werden. Allerdings lässt sich reiner Wasserstoff schwer speichern, da das Gas sehr flüchtig ist. Die Speicherung unter hohem Druck und niedrigen Temperaturen erfordert spezielle Tanks und der Komprimierungsvorgang verschlingt nochmals 10 bis 20 % der eingesetzten Energie. Eine Alternative ist die Beimischung des Wasserstoffs in das Erdgasnetz, was aber nur bis zu einem Anteil von 5 % zulässig ist. Der Grund: viele Gasturbinen in konventionellen Gaskraftwerken funktionieren bei einem höheren Wasserstoffgehalt im Erdgas nicht mehr.

Ein anderer Prozess, der unter dem Ansatz Wind-zu-Gas verfolgt wird, ist die Methanisierung. Dazu wird mit einer Luftzerlegungsanlage Kohlendioxid aus der Umgebungsluft gefiltert. Den im Kohlendioxid enthaltenen Kohlenstoff lässt man mit dem zuvor gewonnenen Wasserstoff reagieren und erhält sodann Methan. Dieses Erdgas kann man ohne Probleme in das bestehende Erdgasnetz einspeisen. Das Gasnetz ist dabei Speicher und Transportweg zugleich. Die Erdgasspeicherkapazitäten in Deutschland sind riesig und können, je nach Witterung, die ganze Republik für 2 bis 5 Monate vollständig mit Energie (Strom und Wärme) versorgen.

Eine dritte Methode wird von dem schon erwähnten Betreiber Prokon propagiert. Sie beruht auf der Umwandlung des "Windgases" in flüssige Kohlenwasserstoffe für Autos, was sich bereits jetzt bei hohen Benzinpreisen lohnen soll. Entsprechende Forschungsarbeiten sind bei dieser Firma im Gange.

Wirtschaftlichkeit und Finanzierung

Ein Knackpunkt bei all den genannten Verfahren ist ihre Wirtschaftlichkeit und, damit verbunden, die Finanzierung. Sowohl für die Aufspaltung des Wassers, als auch für die Luftzerlegung, benötigt man viel Energie, was mit den Wirkungsgraden dieser Prozesse zusammen hängt. Für die Erzeugung von Wasserstoff rechnet man mit Wirkungsgraden von 57 bis 73 %, für die Methanisierung mit 50 bis 64 %. Erzeugt man aus diesem Gas wiederum Strom, so fallen die Wirkungsgrade auf bescheidene 34 bis 44 %, bzw. 30 bis 38 %. Das bedeutet, dass rund zwei Drittel der ursprünglichen Stromenergie verloren gehen. Nutzt man noch die entstehende Wärme aus (durch Kraftwärmekopplung), so steigen die Wirkungsgrade bei Wasserstoff auf 48 bis 62 % an, bei Methan auf 43 bis 54 %. Da nicht nur in Deutschland, sondern weltweit, an diesem Problem gearbeitet wird, darf man in Zukunft wohl auf eine Steigerung der Effizienz hoffen.

Bleibt noch die Finanzierung als Problempunkt. Heute kann ein Windpark an Land mit der gesetzlich festgelegten Vergütung von 8,93 ct/kWh wirtschaftlich betrieben werden. Dieser günstig hergestellte Strom muss dann eigentlich nur noch zum Verbraucher kommen, der dafür heute allerdings im Schnitt 25 ct/kWh bezahlen muss. Woher kommt dieser riesige Unterschied? Die untenstehende Abbildung zeigt die Kostenkomponenten des Strompreises im Jahr 2011 für Privathaushalte. Viele verdienen sich daran eine goldene Nase, deren Beteiligung an der Wertschöpfung fraglich ist. Aber das muss - und sollte - nicht auf alle Zeiten so bleiben. Lässt man nur die Umsatzsteuer gelten, so könnten beispielsweise die Netzentgelte, Konzessionsabgabe und (mittelfristig) auch die EEG-Umlage zur Finanzierung der oben genannten Verfahren herangezogen werden.


Aufteilung des Strompreises 2011 für Privathaushalte

Eines kann man jetzt schon vorhersagen: will man grossflächig auf Wind- und Solarenergie umstellen, dann wird die deutsche Stromwirtschaft total umgekrempelt werden müssen. Dazu müssen auch noch die technischen und wirtschaftlichen Besonderheiten der Biogasanlagen und der kleinen Blockkraftwerke berücksichtigt werden, die oben noch gar nicht angesprochen wurden.

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