Letzte Überarbeitung: 22.07.2024
Nachfolgend habe ich einige Informationen zum Thema Energieversorgung gesammelt, die teilweise zum Verständnis der weiteren Unterseiten erforderlich sind. Hier zunächst die Erklärung von einigen wichtigen Begriffen (interne Links sind mit >>> gekennzeichnet):
Primärenergie >>>
Sekundärenergie >>>
Endenergie (Tertiärenergie) >>>
Nutzenergie >>>
Primärenergiefaktoren >>>
Die Wirkungsgradmethode und ihr Dilemma >>>
Die Substitutionsmethode >>>
∎ Energieeinheiten und deren Umrechnung
∎ Energieverbräuche und deren Zusammensetzung:
Primärenergieverbrauch Deutschland 1990 bis 2030 >>>
Endenergieverbrauch Deutschland nach Sektoren 2003 bis 2045 >>>
Endenergieverbrauch Deutschland nach Energieträgern 2022 >>>
Endenergieverbrauch Deutschland nach Nutzungsarten (Industrie und Privathaushalte) >>>
Bruttostromverbrauch Deutschland 1990 bis 2023 >>>
Primärstromverbrauch Welt 2023 (ausgewählte Daten in Tabellenform) >>>
Energiedichte >>>
Leistungsdichte >>>
Erntefaktor >>>
∎ Eigenschaften der Photovoltaik und der Windkraft
∎ Erneuerbare Kraftstoffe und Gase
Energiekennzahlen
Bevor ich mich mit dem Thema „Energiewende“ beschäftigt habe, hatte ich mir nie Gedanken darüber gemacht, wie viel Energie ich beim Autofahren oder beim Warmhalten der Wohnung verbrauche und ob das wohl mehr oder weniger ist als der Stromverbrauch. Es ist mehr. Zusammen mit meiner Frau verbrauchen wir ca. 1500 Liter Heizöl pro Jahr und fahren ca. 10 Tausend Kilometer mit dem Auto. Bei einem Energieinhalt von ca. 10 KWh pro Liter Heizöl und 6 Liter Dieselverbrauch pro 100 km ergibt das einen Verbrauch von 15 000 KWh an Heizöl und 6000 KWh an Diesel, also 21 000 KWh für Heizöl/Diesel gegenüber 3300 KWh an elektrischem Strom. Das ist ungefähr das 6,35-fache. Dieser Faktor soll klarmachen, dass der Mensch wesentlich mehr Energie als nur Strom verbraucht. Um die verschiedenen Energien miteinander vergleichen zu können, wurden die nachfolgenden Kennzahlen definiert. Die beiden gebräuchlichsten sind die Primärenergie und die Endenergie.
Vor der Erläuterung der Kennzahlen hier eine schöne Grafik von Energieexperten.org, die man nach dem Lesen der Beschreibungen sicher verstehen wird.
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Energiekennzahl Primärenergie:
Primärenergie ist die Energie, wie sie in der Natur vorliegt, die also noch nicht umgewandelt wurde. Das heißt, sie beschreibt den vollständig nutzbaren Energiegehalt eines in der Natur vorkommenden Energieträgers. Typischerweise können die Primärenergieträger nicht direkt vom Verbraucher verwendet werden. Sie müssen zuerst aufbereitet oder umgewandelt werden und können erst danach genutzt werden. Die Umwandlung der Primärenergie führt logischerweise zu Energieverlusten.
Beispiele für Primärenergieträger sind:
Erdöl
Erdgas
Steinkohle
Braunkohle
Holz
Kernenergie
Sonnenenergie
Windkraft
Wasserkraft
Biomasse
Erdwärme
Gezeitenenergie
[Gehe zum Seitenanfang]Energiekennzahl Sekundärenergie:
Sekundärenergie ist das Produkt, das man nach dem Umwandungsprozess der Primärenergie erhält. Die Sekundärenergie befindet sich aber, rein räumlich betrachtet, immer noch im „Primärenergie-Verarbeitungswerk“ (z.B. in einer Erdöl-Raffinerie), also noch nicht beim Endverbraucher.
Beispiele für Sekundärenergien sind:
Heizöl, Benzin, Diesel, Kerosin, Schweröl
Briketts
Holzpellets
Strom
Wärme
Wasserstoff
Theoretisch wäre es denkbar, dass eine ganz bestimmte Primär- und Sekundärenergie (z.B. Erdwärme) identisch sind. Dafür müsste aber der Verarbeitungsaufwand dieser Primärenergie null sein. Im größeren Maßstab kann ich mir dafür kein praktisches Beispiel vorstellen. Aber der Verarbeitungsaufwand der verschiedenen Primärenergien kann sehr unterschiedlich sein.
[Gehe zum Seitenanfang]Energiekennzahl Endenergie (Tertiärenergie):
Die Endenergie ist der Anteil der Sekundärenergie, der nach Abzug der Transportenergie beim Endverbraucher ankommt. Endenergie ist gleich Sekundärenergie minus Transportverluste. Endverbraucher können Privathaushalte sein oder der Gewerbesektor, Industrie, Handel und Dienstleistungen (GHD) sowie der Verkehr.
Beispiele für Endenergien sind:
Strom, der aus der Steckdose kommt
Heizöl im Kellertank
Benzin im Fahrzeugtank
[Gehe zum Seitenanfang]Energiekennzahl Nutzenergie:
Die Nutzenergie stellt die vom Verbraucher eigentlich gewünschte Energiedienstleistung dar. Wenn wir das Licht anschalten, wandelt eine moderne Energiesparlampe knapp die Hälfte der verbrauchten Endenergie in Licht um. Bei den noch gar nicht so lange ausgemusterten Glühlampen waren es gar nur 10%. Moderne Heizungen erreichen Wirkungsgrade von 80 % und mehr. Zwischen der Endenergie und der Nutzenergie steht also der Wirkungsgrad eines Verbrauchers, der nicht elektrisch sein muss (Gegenbeispiel: Verbrennungsmotor). Nutzenergie ist gleich Endenergie mal Wirkungsgrad.
Beispiele verschiedener Verwendungsarten von Nutzenergie sind:
Raumwärme
Prozesswärme
Mechanische Arbeit
Mobilität
Beleuchtung
Informations- und Kommunikationstechnik
Die Nutzenergie bzw. der Wirkungsgrad spielt zwar für den Endverbraucher eine wichtige Rolle (z.B. LED-Leuchtmittel gegenüber Glühlampen), weil er einen schlechten Wirkungsgrad letztendlich bezahlen muss. Sie spielt aber bei Energiestatistiken keine Rolle.
[Gehe zum Seitenanfang]Rechnen mit Primärenergien
Die gebräuchlichste Größe zur Charakterisierung der Energiewirtschaft eines Landes ist der Primärenergiebedarf. Ihr wird die größte Aussagekraft bzw. Vergleichbarkeit zugewiesen. Am besten messen kann man jedoch die Endenergie (z.B. Stromverbrauch, Kraftstoffverbrauch oder Heizölverbrauch). Daher gibt es ein großes Interesse, die gut messbare Endenergie in die aussagekräftige und gut vergleichbare Primärenergie umzurechnen.
Primärenergiefaktoren:
Um die gut messbare Endenergie in Primärenergie umrechnen zu können, wurde im Jahr 2002 im Rahmen der Energieeinsparverordnung der Primärenergiefaktor PEF eingeführt. Es handelt sich dabei nicht um einen physikalisch gemessenen Wirkungsgrad, sondern um einen Bewertungsfaktor.
Primärenergiebedarf = Endenergiebedarf mal Primärenergiefaktor (siehe Kommentar weiter unten)
Hier ein paar Beispiele für Primärenergiefaktoren (Gebäudeenergiegesetz §22, Anlage 4, Stand 2021):
Fossile Brennstoffe (Heizöl, Erdgas, Flüssiggas, Steinkohle): 1,1
Fossile Brennstoffe (Braunkohle): 1,2
Biogene Brennstoffe (Biogas, Bioöl): 1,1
Biogene Brennstoffe (Holz): 0,2
Strom (netzbezogen): 1,8
Strom (Photovoltaik, Windkraft): 0,0
Wärme, Kälte (Erdwärme, Geothermie, Solarthermie): 0,0
Man beachte den Endenergieverbrauch von Strom aus Photovoltaik oder Windkraft, z.B. 2000 KWh. Er führt über den Primärenergiefaktor null zu einem Nullverbrauch an Primärenergie, also 0 KWh. Das ist offensichtlich falsch, da sich 2000 KWh verbrauchter Strom mindestens in 2000 KWh verbrauchter Primärenergie niederschlagen müssen. Allerdings habe ich die oben angegebene Formel weder im §22, noch in der Anlage 4 gefunden, sondern nur in Interpretationen im Internet. Daher lautet die korrekte Formel sehr wahrscheinlich:
Primärenergiebedarf = Endenergiebedarf mal (1 + Primärenergiefaktor)
[Gehe zum Seitenanfang]Die Wirkungsgradmethode und ihr Dilemma:
Die zuvor angegebene Umrechnungsmethode über Primärenergiefaktoren nennt sich Wirkungsgradmethode. Da es sich aber nicht um physikalische gemessene Wirkungsgrade, sondern um Bewertungsfaktoren handelt, ist der Name dieser Methode etwas irreführend. Diese Methode führt, wie man relativ schnell erkennt, in ein Dilemma. Sie führt zu minimalen Verbräuchen an Primärenergie, aber zugleich auch zu minimalen Beiträgen der erneuerbaren Energien an den Primärenergien. Die niedrigen Primärenergieverbräuche sind politisch erwünscht, aber die geringen Beiträge am Gesamtverbrauch eher nicht.
Auszug aus einem Text auf Energie.de:
Es ist klar, dass die Ergebnisse anders ausfallen würden, wenn man für die erneuerbaren Energien eine andere Konvention wählen würde. So könnte man etwa die gleichen Maßstäbe wie bei der Kernenergie anlegen. Die Hinzurechnung der Umwandlungsverluste bei Wasser (20 %), Wind (60 %) und Photovoltaik (80 %) würde deren Werte erhöhen und in diesem Zuge natürlich auch die Struktur des Primärenergieverbrauch verändern. So würde etwa die Photovoltaik – bei Einbeziehung der Umwandlungsverluste – in 2018 mit rund 7 % zum Primärenergieverbrauch beitragen (an Stelle von 1,5 % ohne Umwandlungsverluste).
Wer aber an dieser Stelle über eine mögliche Neufassung der Energiestatistik grübelt, dem sei der guten Vollständigkeit halber der Hinweis gegeben, dass die Durchsetzung der oben angedeuteten Konvention bemerkenswerte Konsequenzen hätte: Der Ausbau der erneuerbaren Energien würde zu einem insgesamt deutlich höheren Primärenergieverbrauch führen. Schlimmer noch: Der Weg in das Zeitalter der erneuerbaren Energie würde geradezu zwangsläufig auf einen stetig wachsenden Primärenergieverbrauch in Deutschland hinauslaufen; ein Ergebnis, dass der Öffentlichkeit sicher nicht einfach zu vermitteln wäre.
[Gehe zum Seitenanfang]Die Substitutionsmethode:
Die Alternative zum Wirkungsgradprinzip nennt sich Substitutionsprinzip. Man ersetzt den Faktor 1 bei der Umrechnung der Endenergie in Primärenergie durch einen höheren Faktor. Das kann man über den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen begründen oder darüber, welche Primärenergie per Ölverbrennung man investieren müsste, um die gleiche elektrische Endenergie zu erhalten. Man könnte auch einen festen Mittelwert ansetzen. Am Ende kommt dann ein Faktor zwischen 2 und 3 heraus. Allerdings befreit die Substitutionsmethode nur über einen Spagat aus dem Dilemma. Wenn man nämlich für den EE Primärenergieverbrauch die Wirkungsgradmethode und für die EE Primärenergieerzeugung die Substitutionsmethode verwendet. Ich gestehe aber gerne zu, dass die Wirkungsgradmethode bei der Erzeugung von Statistiken über Primärenergien wenig Sinn macht.
Die nachfolgende Grafik aus Tech-for-Future zeigt sehr anschaulich, wie unterschiedlich die Anteile von Sonne und Wind an den Energieverbräuchen sein können, abhängig von der Energieform und von der Berechnungsmethode.
In meiner Ausarbeitung tritt das beschriebene Dilemma aber nicht auf, da in meinem Fokus hauptsächlich die Endenergien sind.
[Gehe zum Seitenanfang]Energieeinheiten und deren Umrechnung
Zunächst die Zehnerpotenzen:
Kilo = k = Tausend = 10 hoch 3
Mega = M = Milliarden = 10 hoch 6
Giga = G = Milliarden = 10 hoch 9
Tera = T = Billionen = 10 hoch 12
Peta = P = Billiarden = 10 hoch 15
Exa = E = Trillionen = 10 hoch 18
Energieeinheiten:
1 Joule [J] = 1 Wattsekunde [Ws] = 1 VoltAmperesekunde [VAs] = 1 Newtonmeter [Nm] =
1 [kg m2 s−2] = 1 durch 4.18684 Kilokalorien [kcal].
Weitere Energieeinheiten:
1 kg Steinkohleeinheit [SKE] = 31736 kJ
1 kg Rohöleinheit [RÖE] = 41868 kJ
1 m³ Erdgas [Erdgas] = 31736 kJ
Auf der folgenden Webseite sind die Umrechnungen recht übersichtlich und gut lesbar dargestellt.
In Deutschland sinkt der Jahresverbrauch an Primärenergie seit vielen Jahren kontinuierlich ab (maßgeblich verursacht von der Wirkungsgradmethode) von ca. 15 EJ (Exajoule) im Jahr 1990 auf ca. 10,7 EJ im Jahr 2023. Um die Größenordnung zu vermitteln, wird nachfolgend der Jahresverbrauch 2023 gerundet in ein paar gängigen Einheiten dargestellt.
Jahresverbrauch Primärenergie 2023 in Deutschland:
10,7 Exajoule EJ = 10,7 mal 10 hoch 18 J. Das entspricht
10 700 Petajoule PJ = 10 700 mal 10 hoch 15 J. Das entspricht ca.
3 Petawattstunden PWh = 3 mal 10 hoch 15 Wh. Das entspricht
3000 Terawattstunden TWh = 3000 mal 10 hoch 12 Wh. Das entspricht
3 Billionen Kilowattstunden KWh = 3 mal 10 hoch 12 KWh.
Ich glaube, dass die 3000 Terawattstunden die gebräuchlichste Angabe für den deutschen Jahresverbrauch an Primärenergie darstellen.
[Gehe zum Seitenanfang]Energieverbräuche und deren Zusammensetzung
Die nachfolgenden Grafiken wurden aus dem Internet kopiert und sollen lediglich einen Überblick über die ungefähren Größenordnungen verschaffen. Leider habe ich es nicht geschafft, alle Grafiken für das gleiche Jahr zu finden (Wunschjahr: 2023), aber erstens ändern sich die Zahlen innerhalb weniger Jahre nicht gravierend und zweitens geht es nur um die Größenordnungen.
Primärenergieverbrauch Deutschland 1990 bis 2030:
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Endenergieverbrauch Deutschland nach Sektoren 2003 bis 2045:
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Endenergieverbrauch nach Sektoren und Energieträgern 2022:
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Endenergieverbrauch nach Nutzungsarten (Industrie und Privathaushalte):
Natürlich sieht es in den Privathaushalten deutlich anders aus, zum Beispiel weil sie von der in der Industrie absolut dominanten Prozesswärme nur wenig verbrauchen.
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Bruttostromverbrauch Deutschland 1990 bis 2023:
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Primärstromverbrauch Welt 2023 (ausgewählte Daten in Tabellenform):
Mein Fokus bei der Erstellung der nachfolgenden Tabelle lag auf den großen Primärenergieträgern (Erdöl, Erdgas, Kohle, Uran), um später in der Zusammenfassung anhand dieser Tabelle abschätzen zu können, wie groß z.B. die Aufgabe sein wird, alle deutschen Kohlekraftwerke durch erneuerbare Energien per Wasserstofferzeugung zu ersetzen. Die verwendeten Daten stammen von Our-World-In-Data.org, abgekürzt OWID, von dieser und dieser Unterseite.
Ich habe bei der Umrechnung der Primärenergieverbräuche in Endenergien den deutschen Faktor (3000 TWh zu 2368 TWh: 1,267 und 0,789 als Kehrwert) angewendet, weil mir sowohl die Wirkungsgradmethode als auch die Substitutionsmethode nicht ganz geheuer sind.
Der gesamte Primärenergieverbrauch (alle Energieträger, also nicht nur Erdöl, Erdgas, Kohle und Uran) der Welt betrug im Jahr 2023 laut OWID 172 119 TWh (=> 135 801 TWh Endenergie).
Erklärungen:
PrWelt:
Primärenergieverbrauch der ganzen Welt im Jahr 2023 gemäß Our-World-In-Data.
PrWelt [Uran]:
OWID führt keinen Primärenergieverbrauch (sondern nur den Endenergieverbrauch) von Uran, weil Kernkraft nahezu ausschließlich zur Erzeugung von elektrischer Energie benutzt wird. Daher habe ich von der Endenergie auf die Primärenergie zurückgerechnet. Das gilt für die komplette Uranzeile.
EndWelt:
Endenergieverbrauch der ganzen Welt im Jahr 2023, umgerechnet über den deutschen Faktor.
PrChina/EndChina:
Primärenergiebedarf von China im Jahr 2023 durch Erdöl: 9091 TWh, Erdgas: 4048 TWh, Kohle: 25539 TWh sowie deren Umrechnung in Endenergien. Endenergie durch Uran: 1043 TWh und seine Umrechnung in Primärenergie.
PrUSA/EndUSA:
Primärenergiebedarf der USA im Jahr 2023 durch Erdöl: 9961 TWh, Erdgas: 8865 TWh, Kohle: 2277 TWh sowie deren Umrechnung in Endenergien. Endenergie durch Uran: 1861 TWh und seine Umrechnung in Primärenergie.
PrGer/EndGer:
Primärenergiebedarf von Deutschland im Jahr 2023 durch Erdöl: 1115 TWh, Erdgas: 757 TWh, Kohle: 507 TWh sowie deren Umrechnung in Endenergien. Endenergie durch Uran: 21 TWh und seine Umrechnung in Primärenergie.
Energiebewertungszahlen
Energiebewertungszahl Energiedichte:
Die Energiedichte beschreibt die Menge an Energie, die in einer bestimmten Masse oder einem bestimmten Volumen von Material gespeichert ist. Man verwendet diese sehr aussagekräftige Zahl typischerweise bei Erdöl, Erdgas, Kohle und Uran. Man kann sie aber beispielsweise auch für Energiepflanzen oder Akkus verwenden. Letztendlich beschreibt diese Zahl, welche Energiemenge bei optimaler Ausbeute aus einem Material herausgeholt werden kann. Ich habe in der nachfolgenden Tabelle einige für die „Energiewende“ relevante Energiedichten aufgeführt. Alle Werte sind wegen der besseren Vergleichbarkeit in KWh pro kg aufgeführt, obwohl man bei Flüssigkeiten (z.B. Heizöl oder Benzin) eher zu KWh pro Liter tendieren würde. Die Angaben auf verschiedenen Internetseiten unterscheiden sich etwas. Die Materialien sind nach aufsteigender Energiedichte sortiert.
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Energiebewertungszahl Leistungsdichte
Es leuchtet sofort ein, dass man für Sonne und Wind keine Energiedichte bestimmen kann (Sonnenstrahlung in kg?). Um dennoch die daraus gewinnbare Energie abschätzen zu können, wurde die Leistungsdichte definiert. Es ist die durchschnittliche elektrische Leistung, die man pro investierter Fläche erwarten kann, Einheit: Watt pro Quadratmeter [W/m² = MW/km²]. Man kann diese Kennzahl nicht nur auf Solar- oder Windkraftwerke anwenden, sondern genauso auf Gas- Kohle- oder Kernkraftwerke. In der Broschüre 9 Fragen zur „Energiewende“ von Horst-Joachim Lüdecke (ISBN 978-3-940431-60-8) sind die folgenden Leistungsdichten für ein Kohlekraftwerk und ein Solarkraftwerkangegeben:
Kohlekraftwerk: 150 000 W/m²
Solarkraftwerk: 15 W/m²
Windkraftwerk: 29,3 W/m²
Der Flächenbedarf für On-Shore Windkraftanlagen stammt aus einem Diskussionspapier der Forschungsstelle für Energiewirtschaft FfE, in dem 29,3 MW/km² als Mittelwert angegeben sind (bitte per F3 nach 29,3 suchen). Dieser Wert hat nichts mit der versiegelten Fläche zu tun. Er ergibt sich aus gesetzlichen Mindestabständen (unterschiedliche Werte in den einzelnen Bundesländern) und der optimalen Windausbeute, was in der Regel den zur Anwendung kommenden Mindestabstand vergrößert.
Die angegebenen Leistungsdichten beziehen sich auf die installierte Leistung. Für grundlastfähige Kraftwerke stimmt die Durchschnittsleistung mit der installierten Leistung (ist gleich Nennleistung) überein, für Sonnen- und Windkraftwerke liegt sie weit darunter.
[Gehe zum Seitenanfang]Energiebewertungszahl Erntefaktor
Irgendein schlauer Mensch oder eine Gruppe schlauer Menschen hat sich die Definition eines Erntefaktors für Kraftwerke ausgedacht, um darüber die Effektivität eines einzelnen Kraftwerks bewerten sowie verschiedene Kraftwerkstypen miteinander vergleichen zu können. Man berechnet den Energieaufwand beim Bau eines Kraftwerks wobei alle Kosten in Energie umgerechnet werden. Hinzu kommen die Betriebskosten, Wartungskosten, Brennstoffkosten und Abrisskosten sowie eventuelle Entsorgungskosten (hauptsächlich bei Kernkraftwerken).
Den Energy Return On Invest EROI einer bestimmten Energie-Umwandlungsanlage zu berechnen ist keine einfache Aufgabe. Jeder Fall ist anders und man kann sich oft darüber streiten, welche aufgewendete Energie berücksichtigt werden muss, wo die Abgrenzung liegt. Wie viel Energie ein Kraftwerk schließlich liefert, hängt von seiner Lebensdauer ab. Das ist ebenfalls eine Größe, die nicht zum Vornherein genau bekannt ist. Das Paul Scherrer Institut (PSI) verfügt mit der Gruppe von Stefan Hirschberg über weltweit anerkannte Fachkompetenz. Grundlage für die Berechnung des EROI ist eine „Life Cycle Analysis“, also die Untersuchung des ganzen Lebenszyklus’ einer Anlage von ihrem Bau – einschließlich der Herstellung der Bestandteile und der Transporte – über den Betrieb, die Stilllegung bis hin zur Entsorgung. Eine andere Gruppe, die ähnliche Arbeiten publiziert hat, ist diejenige von Daniel Weissbach in Berlin. Wir verwenden hier beide Quellen.
Eine methodische Schwierigkeit bei der Berechnung des EROI einer Anlage ergibt sich daraus, dass verschiedene Arten von Energie unterschiedlich wertvoll sind. Es ist wie beim Bauern, der sowohl große wie auch kleine Kartoffeln erntet; man kann sie nicht einfach nur zählen. Man muss sie wägen. Bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische oder elektrische Energie findet man meist einen Wirkungsgrad von 30 bis 35%. Deshalb setzt man bei der Berechnung der Energieinvestition die Energiemenge, die aus Wärme stammt 3-fach ein.
Es gibt Kraftwerke, die ihre Produktion zu jeder Zeit dem Bedarf anpassen können, zum Beispiel unsere Speicherkraftwerke. Andere können das nicht und benötigen eine Zwischenspeicherung, eine Pufferung. Beispiele sind Photovoltaikanlagen und Windturbinen. Bei der Berechnung des EROI muss der Energieaufwand für die Herstellung der Puffer mit einbezogen werden. In der folgenden Grafik sind beide Varianten dargestellt, mit und ohne Pufferung.
Wie man sieht, sind die Unterschiede frappant! Unter der “Ökonomischen Schwelle“ ist derjenige EROI gemeint, unterhalb diesem kein lohnender Betrieb der Anlage möglich ist. Gemäß dieser Grafik beträgt diese Grenze 7. Warum das so ist? Erinnern Sie sich an den Bauern mit den Kartoffeln? Eben! Der ist mit einem Erntefaktor von 3 auch nicht zufrieden. Da bleiben ihm 2 Kartoffeln als Ertrag. Damit kann er seine Kosten für das Pflanzen, die Pflege und die Ernte der nächstjährigen Pflanzung kaum decken, geschweige denn seinen Lebensunterhalt. Daniel Weissberg hat plausibel nachgewiesen, dass ein EROI unter 7 ökonomisch nicht genügt.
Die obige Grafik zeigt, dass Photovoltaik-Anlagen, Biomasse-Kraftwerke und Windkraftanlagen mit Pufferspeicher unterhalb der ökonomischen Schwelle liegen.
[Gehe zum Seitenanfang]Eigenschaften der Photovoltaik und der Windkraft
Die Photovoltaik PV und die Windkraft haben eine sehr unangenehme Eigenschaft, die Kompensationsmaßnahmen erforderlich macht. Diese Eigenschaft ist ihre Inkonstanz (Fluktuation; diese wird häufig auch als Flatterstrom, Zufallsstrom oder Fakepower bezeichnet) und die daraus folgende Nicht-Regelbarkeit (Leistung regeln, nicht abregeln). Das Wetter bestimmt die Energieausbeute und nicht der Kraftwerksbetreiber. Daher sind Photovoltaik- und Windkraftanlagen nicht grundlastfähig.
Es gibt eine große Diskrepanz zwischen der installierten Leistung (auch Nennleistung oder Peak-Leistung genannt) und der durchschnittlich über ein Jahr erbrachten Leistung. Bei PV-Anlagen liegt die Durchschnittsleistung in Deutschland bei ca. 11.4% der Nennleistung (1 KWp => 1000 KWh), bei Windkraftanlagen bei ca. 17.7%. Man muss also das sechs- bis achtfache an Leistung installieren, um die jährliche Durchschnittsleistung zu erhalten. Die gesicherte Leistung eines Windkraftwerks (siehe Energiewende ins Nichts) liegt laut Professor Sinns Vortrag bei 3.16% der Nennleistung. Für PV-Anlagen ist die gesicherte Leistung null.
Das große Problem liegt nun aber darin, dass auch die Durchschnittsleistung keineswegs garantiert ist, wenn nämlich gar keine Sonne scheint und kein Wind weht (Stichwort Dunkelflaute). Daher braucht man zur Kompensation der nicht vorhersehbaren Leistungsausfälle entweder große Stromspeicher oder Ersatzkraftwerke. Da es aber keine großen Stromspeicher gibt (Ausnahme Pumpspeicherkraftwerke, aber da sind sie Teil des Konzepts), bleiben nur die Ersatzkraftwerke. Die Durchschnittsleistung von PV- und Windkraftanlagen muss über Ersatzkraftwerke doppelt zur Verfügung gestellt werden.
PV und Windkraft kommen auch noch als Hauptverursacher der sogenannten Redispatch-Maßnahmen ins Spiel. Unter Redispatch versteht man Planänderungen bei der Leistungssteuerung von Kraftwerken, weil die nicht vorhersehbaren Leistungsänderungen von Sonnen- und Windkraftwerken Eingriffe in die Erzeugungsleistung von anderen Kraftwerken am Netz erfordern. Die Anzahl diese Redispatch-Maßnahmen nimmt zu:
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Erneuerbare Kraftstoffe und Gase
Wir haben gelernt, dass der Mensch nicht nur Strom verbraucht, sondern in sehr viel höherem Maße die sogenannte Primärenergie. In dem Unterkapitel Substitutionsmethode ist ein schönes Diagramm mit dem Namen Anteile von Wind und Solar in Deutschland. Dort ist für Realisten (der mittlere Balken von fünf) der Anteil der erneuerbaren Energien an der Primärenergie mit 12% gezeigt. Dieser Anteil lässt darauf schließen, dass man möglicherweise doch nicht alle Industrieprozesse künftig über Strom abwickeln kann. Man braucht einen über erneuerbare Energien herstellbaren Ersatzstoff, der in der Zukunft Erdöl, Erdgas und Kohle ersetzen kann. Und dieser Stoff heißt Wasserstoff. Ich will überhaupt nicht in Abrede stellen, dass Wasserstoff die drei genannten Stoffe prinzipiell ersetzen kann. Den Wasserstoff gibt es in den Ausführungsarten Grün, Blau, Grau und Schwarz, die ich nachfolgend kurz erläutere.
Wasserstoff entsteht durch die Zerlegung von Süßwasser in Sauerstoff und Wasserstoff über einen Elektroliseur. Grün heißt der Wasserstoff, wenn der erforderliche Strom für die Elektrolyse zu 100% aus erneuerbaren Energien gewonnen wurde.
Blauer Wasserstoff entsteht aus der Dampfreduzierung von Erdgas. Dabei wird das Gas in Wasserstoff und CO2 gespalten. Bei der Herstellung von blauem Wasserstoff wird das entstandene Kohlendioxid mittels Carbon Capture and Storage-Technik (CCS) gespeichert und unterirdisch gelagert (Energis.de).
Grauer Wasserstoff wird durch die Dampfreformierung fossiler Brennstoffe wie Erdgas, Kohle oder Öl erzeugt. Dabei entsteht als Abfallprodukt CO₂, das in die Atmosphäre abgegeben wird (EnBW.com).
Brauner Wasserstoff ist Wasserstoff, der unter Einsatz von Braunkohle erzeugt wird, in der Regel durch eine Vergasungsmethode (Ikem.de).
Schwarzer Wasserstoff ist Wasserstoff, der unter Einsatz von Steinkohle erzeugt wird, in der Regel durch eine Vergasungsmethode (Ikem.de).
Ich weiß nicht, wie man den Wasserstoff nennt, den man per Elektrolyse erzeugt, die erforderliche Energie aber aus Erdöl, Erdgas, Kohle oder Kernkraft gewonnen wird. Eigentlich sollte sich ein solcher Herstellungsprozess verbieten, aber man weiß ja nie.
Alternativ zu den aufgeführten Wasserstoffvarianten gibt es aber auch noch weitere Flüssigkeiten oder Gase, deren Herstellung zwar noch etwas mehr Energie verbraucht, die aber andere Vorteile haben (z.B. weniger explosiv, weniger flüchtig). Die Oberbegriffe dieser Energieträger heißen Power-to-Gas (z.B. Methan), Power-to-Liquid (z.B. Methanol und Ethanol) und Power-to-Fuel (synthetisches Benzin, Diesel und Kerosin) und werden im Kapitel über Wasserstoff kurz beleuchtet.
HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) passt übrigens nicht in die Aufzählung der Wasserstoffalternativen, weil man es aus Altöl oder Altfetten herstellt (ca. 1.2 kg Altfett wird benötigt, um einen Liter HVO herzustellen). Aber interessant klingt HVO allemal.
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