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Wissenschaft: Umwelt & Naturschutz

Zukunft mit Wind, Sonne und Wasserstoff

Erstveröffentlichung: www.readers-editon.de Autor: Norbert Jakobi

Foto:  Pixelquelle.de
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Der Klimawandel und stetig steigende Energiepreise stellen die Bedrohungen dar, denen wir uns zu stellen haben. Es sollten Lösungen gefunden werden, mit der ein echter Wettbewerb bei der Energieversorgung ermöglicht und der Klimawandel aufgehalten wird.

Die Pläne, die man uns derzeit präsentiert, wie der Einstieg in die Kernkraft oder das CO2 freie Kohlekraftwerk, sind nicht zukunftsfähig. Dagegen ist der Ausbau von alternativ erzeugter Energie der richtige Weg, jedoch eben nur ein Teil der Lösung. Der andere Teil steckt in unserer zentralen Energieversorgung, die niemand ernsthaft in Frage stellt. Diese stellt aber regeltechnisch hohe Anforderungen an die Netzbetreiber, die der normale Verbraucher nicht nachvollziehen kann, denn sein Strom kommt schließlich aus der Steckdose. Durch den verstärkten Einsatz von alternativ erzeugter Energie wurde der Aufwand an Regeltechnik sowie die Belastung des Netzes noch größer, und die Energiepreise werden trotz Liberalisierung weiter steigen.

Windkraftkapazität verdoppeln

Nach einer Studie der Deutschen-Energie-Agentur (dena) würden beispielsweise im Jahr 2015 nur rund 6 Prozent der in Deutschland zu erwartenden 36.000 MW Windkapazität verlässlich zur Verfügung stehen. 94 Prozent der Windleistung müssen demzufolge durch konventionelle thermische Kraftwerke abgesichert werden. Denn die Physik des Netzes setzt voraus, dass zu jedem Zeitpunkt so viel Energie ins Netz eingespeist wie entnommen wird, verursacht durch die derzeitige Netzregelung (Quellenregelung). Dazu wird entsprechend einer Tagesverbrauchskurve Energie bereitgestellt, die einem Grundverbrauch entspricht (Grundlast). Diese Leistung muss ständig zur Verfügung stehen und wird derzeitig durch Atom- und Kohlekraftwerke angeboten, da sie regeltechnisch sehr träge und ihren maximalen Wirkungsgrad nur im Dauerbetrieb erreichen können. Diese Grundlast kann durch Wind und Sonne nicht verlässlich erbracht werden.

Ungeheure Energieverschwendung

Steigt der Energiebedarf im Tagesverlauf, wird dieser durch Mittel- und Spitzenlastkraftwerke ausgeglichen. Spitzenlastkraftwerke stellen schnell verfügbare Energie über fossile Energieträger (Öl und Gas) oder Wasserkraft (Pumpspeicherwerk) bereit, die sie in kürzester Zeit ins Netz einspeisen können. Die Regelleistung muss zum Bedarfszeitpunkt vorhanden sein und stellt einen enormen Kostenfaktor dar. Dagegen können zig MW Grundlast (aus Atom-, Kohle- oder wenn vorhanden Windkraft) zu bestimmten Zeiten mit wenig Abnehmern keinen Cent kosten, da sie nur zu dem Zeitpunkt verfügbar aber nicht speicherbar und damit wertlos ist. Das Ausmaß an Verschwendung kostbarer Energie ist so riesig, dass der Stand-by-Verbrauch nur Peanuts darstellt. Energieeffizienz ist nicht ein Problem der Verbraucher, sondern der Energieerzeuger. Auch Regelleistung kann durch Wind und Sonne nicht zuverlässig bereitgestellt werden!

Massive Leerlaufkosten

Ein weiteres Problem von alternativ erzeugter Energie besteht darin, dass zu bestimmten Zeiten, wenn sie reichlich vorhanden ist, konventionelle Kraftwerke heruntergefahren oder abgeschaltet werden müssen – dramatisch verstärkt durch das Einspeisegesetz, um bei Mangel an alternativ erzeugter Energie diese wieder ans Netz zu schalten. Die dabei entstehenden Leerlaufverluste konventioneller Kraftwerke werden uns als Verbraucher natürlich in Rechnung gestellt. Und jeder der behauptet, dass durch immer mehr alternative Energieerzeuger das Problem gelöst würde, täuscht sich gewaltig. Denn diese zentrale Netzsteuerung ist auf verlässliche Energie ursächlich angewiesen. Ein Beispiel: Inversionswetterlage, die im Winter immer mal entsteht. Nebel, keine Sonne, kein Wind den ganzen Tag lang: Wo soll die benötigte Energie in so einem Moment herkommen, wenn die gesamte Energieversorgung auf alternative Energien umgestellt ist?

Koppelung Regenerative Energie – Wasserstoff

Dazu hat man an der Universität Oldenburg ein Projekt mit dem Namen “HyWindBalance” ins Leben gerufen. Man versucht ein Wind-Wasserstoff-System zu entwickeln, das die Überschüsse an Windenergie chemisch in Wasserstoff speichert, um bei Bedarf an Regelenergie diese wieder ins Netz einzuspeisen. Der Nutzen ist rein finanzieller Art, da Regelenergie die kostspieligste Form an Energie in einem zentral gesteuerten Netz ist. Ca. 65 Prozent der eingesetzten Energie werden verschwendet und an die Umwelt abgegeben, um 35 Prozent wieder einzuspeisen. Eine zweite favorisierte Lösung ist, überschüssige Energie über Kompressoren als komprimierte Luft in unterirdische Hohlräume zu pressen, um bei Bedarf an Regelleistung diese Energie wieder in Form von Strom in das Netz einzuspeisen – mit Verlusten, wie bereits erwähnt.

Weitere Herausforderung: Die Blindleistung

Als Zugabe noch ein kleines Problem mit dem Namen Blindleistung. Der überwiegende Teil, der am Drehstromnetz angeschlossenen Geräte oder Maschinen, wie Asynchronmotoren (Stabmixer, Wasserpumpen etc.), Wechselrichter (Fernseher, Computer) und Transformatoren benötigen Blindleistung (Erregerstrom, Magnetisierungsstrom) zum Aufbau eines Magnetfeldes, um überhaupt zu funktionieren. Blindleistung belastet die Leitungen zusätzlich und führt zu erhöhten Spannungsabfällen und Verlusten. Deshalb werden die Standorte von Kraftwerken, die Blindleistung zur Verfügung stellen, so gewählt, dass sie relativ gleichmäßig über das Netz verteilt sind, um Leitungsverluste zu minimieren. Die derzeitig vorhandenen Windkraftanlagen sind größtenteils aus Kosten- und konstruktiven Gründen mit Asynchron-Generatoren ausgestattet und müssen den notwendigen Magnetisierungsstrom (Blindleistung) extern beziehen. Werden nun große Offshorewindparks mit Asynchron-Generatoren in der Nordsee errichtet, muss dennoch dafür gesorgt werden, dass die Blindleistung in der Nähe des Bedarfs bereitgestellt wird.

Windparks im Norden – die Stromabnehmer im Süden

Um die Energie die aus riesigen Windparks im Norden zu den historisch gewachsenen Industriestandorten in der Mitte und im Süden zu transportieren, ist auch dringend das Netz auszubauen. Planung und Errichtung dieser Trassen benötigen Vorlaufzeiten von 10-20 Jahren und enorme finanzielle Mittel. Dazu kommen noch Bürgerproteste wegen Verunstaltung der Natur durch Überlandleitungen und Umweltschäden durch Erdkabelverlegung. Aus der Not heraus wurde eine technische Lösung entwickelt, mit der die Durchleitungskapazität der Hochspannungsleitungen witterungsgeführt erhöht wird. Auch diese Lösung führt nur kurzfristig zu einer Verbesserung.

Für die hier angeführten Probleme einer zentral gesteuerten Energieversorgung sind real und derzeit sind keine plausiblen zukunftsfähigen Konzepte in Sicht.

Eine mögliche Lösung

Dazu ist es wichtig, alle technischen Möglichkeiten zur Energieerzeugung, die uns derzeit zur Verfügung stehen, kritisch zu betrachten.

Wind und Sonne sind nach unserer Meinung die Energielieferanten der Zukunft. Ihre Vorteile sind so enorm, dass deren Nachteile in den Hintergrund rücken. Nur haftet ihnen der scheinbare Mangel schwankender Verfügbarkeit an. Dieser Nachteil kann nur durch eine dezentrale Energieversorgung (regionale Erzeugung und Vermarktung) und durch Speicherung beim Verbraucher ausgeglichen werden.

Wasserstoff als Speichermedium

Der ideale Energieträger zur Speicherung ist Wasserstoff. Er entsteht bei der Elektrolyse durch Strom und Wasser. Den notwendigen Druck zur Zwischenspeicherung des Wasserstoffes in Druckgasflaschen erhält man durch die thermochemische Wasserstoffverdichtung auf Hydridbasis (Hydridpumpe). Die hierfür erforderliche thermische Energie liefert entweder die Verlustwärme des Elektrolyseurs oder eine gesteuerte elektrische Beheizung der Hydridröhrchen. Zu diesem Zweck einsetzbare Verfahren sind bekannt und müssen technisch optimiert werden.

Um die Speicherung von Energie beim Verbraucher zu steuern, benötigt man ein Energiemanagementsystem (EMS, Software-Datenbank), das die Kommunikation zwischen Verbraucher und Erzeuger herstellt, damit das Energieangebot mit der Energienachfrage abgestimmt wird, ohne das derzeitige Netz zu beeinflussen.

Mehr Wettbewerb mit Energiemanagement

Dazu muss jeder Energieerzeuger entsprechend seines mittleren jährlichen Energieangebotes genügend Kunden vertraglich binden, um die angebotene Energie an den Mann zu bringen und in Form von Wasserstoff zwischenspeichern zu lassen. Dieses Energiemanagementsystem registriert die angebotene Leistung des Energieanbieters sowie die relevanten Daten des Verbrauchers, wie Adresse, Name, Kundennummer, Anschlussleistung, vertraglich festgelegte Leistungsabnahme, Ladezustand, Speicher und die Speichergröße. Bei einem entsprechenden Leistungsangebot seitens des Energierzeugers wird äquivalent durch das Energiemanagementsystem, bedingt durch die fest definierte und hinterlegte Anschlussleistung des Verbrauchers, eine entsprechende Anzahl Verbraucher und dessen Elektrolyseur zugeschaltet und die Energie in Form von Wasserstoff zwischengespeichert. Jeder Verbraucher ist daraufhin in der Lage, gemäß der Größe seines Speichers noch andere Energieanbieter vertraglich zu binden, was folglich zu Wettbewerb führt.

Dezentrale Energieversorgung mit Wasserstoffspeicherung

Die entsprechenden Wirkenergien (Wärme, Strom, Mobilität) können jetzt durch den zwischengespeicherten Wasserstoff beim Verbraucher bereitgestellt werden. Durch die direkte Verbrennung von Wasserstoff über einen Wasserstoffbrenner (thermischer Wirkungsgrad 100 Prozent) wird die Wärmeversorgung (Warmwasser und Heizung) im Gebäude realisiert. Denn ca. 92 Prozent unseres Energiebedarfes benötigen wir für Heizung und Warmwasser, davon fast die Hälfte von Dezember bis Februar und nur ca. 8 Prozent benötigen wir als Strom.

Stromerzeugung im Keller

Den Strom erzeugt man über einen Motorgenerator (Stirlingmotor) oder Brennstoffzelle, und die dabei entstehende Abwärme wird der Heizungsanlage des Gebäudes zugeführt. Die elektrische Energie wird mittels Batterien gepuffert. Diese Pufferung ist deshalb wichtig, da der Strombedarf entsprechend einer Tagesverbrauchskurve abgenommen wird und jahreszeitlich schwankt. Die Batterien müssen so dimensioniert werden, dass für einen ausreichenden Zeitraum die Versorgung des Gebäudes mit Strom über einen Wechselrichter sicher gestellt werden kann.

Mobilität mit Wasserstoff

Eine vierköpfige Familie erzeugt pro Jahr ca.16 Tonnen CO2 (Quelle: Greenpeace Magazin). Der Anteil der Mobilität liegt etwa bei 38 Prozent. Da wäre doch eine Wasserstofftankstelle am Haus, aus heutiger Sicht, eine sehr interessante Ergänzung. Wasserstoff, der über die hauseigene Photovoltaikanlage erzeugt wird, ist steuerfrei. Wenn die Autoindustrie die erforderlichen Wasserstoffahrzeuge entwickelt (Reichweiten bis 400 km sind für Kurzstrecken völlig ausreichend), stände CO2 frei erzeugter Energie auch in diesem Bereich nichts mehr im Weg.

Erstveröffentlichung bei "Readers Edition" Autor Norbert Jakobi Grundlage für Zweitveröffentlichung Creative Commons-Lizenz

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