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Die Achillesferse der Energiewende



Als Pufferspeicher in Betracht kommen Wasserkraft und Biomasse. Besonders Pumpspeicherkraftwerke verdienen es, explizit genannt zu werden, denn sie sind nur aus dem einzigen Grunde geschaffen worden, Schwankungen im Netz auszugleichen. Sie funktionieren folgendermaßen: Zwei voneinander getrennte Wasserreservoirs haben ein unterschiedliches Höhenniveau. Wenn das Kraftwerk Energie erzeugen soll, wird das im oberen Becken gespeicherte Wasser über große Rohre in das untere Becken oder Gewässer abgelassen. Das Wasser stürzt sodann mit hoher Geschwindigkeit in die Tiefe und treibt eine am Ende der Rohre installierte Turbine an, die die kinetische Energie des Wassers in Strom umwandelt. Besteht im Netz wiederum ein Überschuss an Energie, kann man den Vorgang einfach umdrehen und mit Hilfe von Strom das Wasser aus dem unteren wieder in das obere Becken zurückpumpen. Einfache Speicherkraftwerke, wie man sie an Talsperren vorfindet, funktionieren ganz ähnlich; allerdings sind sie gewissermaßen Energieeinbahnstraßen, denn das bereits abgeleitete Wasser wird nicht wieder nach oben gepumpt.

Leider gibt es in Deutschland nicht genügend geeignete Gewässer, um ausreichend Wasserkraftwerke und Energiepuffer bereitzustellen. Sie spielen daher schon jetzt eine eher untergeordnete Rolle und werden in Zukunft, wenn der Anteil an der Sonnen- und Windenergie noch deutlich zunehmen wird, noch weniger ins Gewicht fallen. Dazu kommt ein weiteres Problem: Viele der deutschen Wasserkraftwerke speisen sich aus Alpengletschern. Aktuelle Prognosen deuten darauf hin, dass ein Großteil der Gletscher bis zum Ende des Jahrhunderts aufgrund des Klimawandels verschwunden sein wird.[1] Damit sinkt der Pegelstand in den Stauseen und Wasserreservoirs. Entsprechend seltener werden die Wasserturbinen betrieben werden können.


Größter Hoffnungsträger für die Speicherung von Strom ist die Batterietechnologie, an der momentan überall auf der Welt fieberhaft geforscht und entwickelt wird. Ziel der Industrie ist es, deren noch recht begrenzte Kapazität zu verbessern, die Produktionskosten zu senken und Batterien (genauer: Lithiumionenbatterien) in millionenfacher Stückzahl für die zukünftig wachsende Zahl von Anwendungen bereitzustellen. Ob dies realistisch ist, wird sich zeigen. Immerhin steigen die Kosten für die Rohstoffe seit vielen Jahren drastisch an. So hat sich allein der Preis für Lithium – eines der wichtigsten Materialien für Batterien – auf dem Weltmarkt in nur 12 Monaten verzehnfacht.[2] Grund ist die überall auf der Welt zunehmende Nachfrage nach Batterien und Elektrotechnik. Mit fast 70 Prozent an den Gesamtkosten diktieren Rohstoffe daher mittlerweile den Preis, den man für eine Batterie zu bezahlen hat.[3] Im Schnitt muss man für eine Batterie noch mit rund 100 Euro pro kWh rechnen. Ist das viel oder wenig? Das hängt stark davon ab, wie sehr sich die Kosten auf den Verwendungszweck, die Dauer der Nutzung und die Anzahl der Ladezyklen verteilen. Eine durchschnittliche Autobatterie hat 60 kWh und kostet etwa 6000 Euro. Damit macht sie den größten Posten aller Bestandteile eines PKWs aus. Allerdings verteilen sich die Kosten auf die Anzahl der möglichen Ladezyklen, die bei modernen Batterien durchaus bei 2000 oder 3000 liegen kann. Ein einmaliges Auf- und Entladen kostet runtergereicht demnach den Besitzer eines E-Autos zwischen 2 und 3 Euro extra zu den noch hinzukommenden Ladekosten. So gesehen ist die Autobatterie schon jetzt eine konkurrenzfähige Alternative zum Verbrenner. Immerhin werden hier mit jedem Volltanken je nach Fassungsvermögen des Tanks satte 60 bis 100 Euro fällig.


Und so verhält es sich auch bei anderen Anwendungsfällen. Batterien sind, auch wenn die einmaligen Anschaffungskosten sehr hoch erscheinen, bereits jetzt eine wirtschaftliche Lösung, solange es nur darum geht, kurzfristige Schwankungen, wie beispielsweise im Tag-Nacht-Rhythmus der Fotovoltaik zu puffern. Schwierig wird es allerdings, wenn die Intervalle deutlich größer werden, so wie es bei jahreszeitlichen Schwankungen in der Solarenergie der Fall ist. Ein Beispiel: Mal angenommen, man würde versuchen, in den drei Monaten Juni, Juli und August eine ausreichend große Batterie aufzuladen, um damit zehn Prozent seines Energiebedarfs für die Wintermonate Dezember, Januar und Februar zu speichern. Solch eine Batterie müsste eine Kapazität von 900 kWh aufweisen, (90 Tage á 10 kWh Energieverbrauch pro Person und Tag) und kostete stolze 90.000 Euro! Immerhin würde sich der Betrag auf 9.000 Euro pro Jahr aufteilen, wenn man von einer Lebensdauer von 10 Jahren ausginge. Aber das ist natürlich immer noch ein hübsches Sümmchen.

Übrigens wäre ein Akku mit dieser Kapazität nicht eben ein Leichtgewicht. Allein eine Autobatterie mit 60 kWh bringt ungefähr 500 kg auf die Waage. Ein Speicher mit hochgerechnet 15-facher Kapazität brächte es demnach auf ganze 7,5 Tonnen! Nicht unbedingt etwas für den normalen Hausgebrauch.

Aber nicht nur die hohen Herstellungskosten und das hohe Gewicht begrenzen das Einsatzfeld von Batterien, sondern auch der enorm hohe Energieverbrauch, der für ihre Herstellung nötig ist. Eine durchschnittliche Autobatterie erzeugt in der Produktion ungefähr 5 Tonnen CO2.[4] Der Abbau der Metalle und Seltenen Erden, die für ihre Herstellung benötigt werden, wird von Jahr zu Jahr aufwendiger, kostspieliger und umweltbelastender. Giftige Gase, Schlämme und Abräume kontaminieren Land und Wasser in den Abbaugebieten.


Derweil wird parallel auch an anderen Batterielösungen gearbeitet, deren Bauteile und Materialien deutlich leichter zu beschaffen und weniger umweltbelastend sein sollen. So entwickelt etwa ein französisches Unternehmen eine Batterie, bei der durch die Verwendung von zwei unterschiedlich geladenen Flüssigkeiten auch große Mengen an Strom gespeichert werden können. Der Vorteil gegenüber der Lithiumionenbatterie: Die verwendeten Flüssigkeiten sind biologisch abbaubar.[5] Andere Entwicklungsprojekte setzen auf physikalische Verfahren. So sollen noch im Versuchsstadium befindliche Schwungräder, Kondensatoren oder Osmosebatterien zukünftig dabei helfen, kurzfristige Stromschwankungen im Netz auszugleichen.


Trotz dieser insgesamt recht vielversprechenden Fortschritte bleibt das Problem der Speicherung von Energie über sehr lange Ladezyklen bestehen. Abhilfe soll daher der mit Hilfe der Elektrolyse gewonnene Wasserstoff leisten. Solange der für seine Herstellung nötige Strom vollständig aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, ist er erfreulicherweise klimaneutral. Der große Vorteil von Wasserstoff: Man kann ihn auf Vorrat anlegen. So könnte man die in Spitzenzeiten überschüssig produzierte Sonnen- und Windenergie für die Herstellung von Wasserstoff verwenden und diese in Zeiten eines Strommangels in Gaskraftwerken wieder in elektrische Energie umwandeln. Leider ist die Energiedichte von Wasserstoff im Vergleich zu fossilen Energieträgern wie Benzin, Diesel oder Heizöl sehr gering. Ein Liter Diesel enthält beispielsweise 3.200 mal mehr Energie als 1 Liter Wasserstoff unter normalem Atmosphärendruck. Selbst wenn man Wasserstoff unter sehr hohen Druck setzt und komprimiert, bedarf es immer noch riesiger Tanks, um größere Mengen an Energie zu speichern. Hier sind also praktische Grenzen gesetzt.

Anders verhält es sich, wenn man Wasserstoff unter Hinzufügung von Kohlendioxid mit Hilfe eines Katalysators in Methan umwandelt. Methan ist chemisch gesehen nichts anderes als Erdgas. Das heißt, es ließe sich über diesen Umweg ein klimaneutrales Gas[6| erzeugen, das praktisch die gleichen Eigenschaften hat wie Erdgas. Im Vergleich zu Wasserstoff hat Methan eine wesentlich höhere Energiedichte, es lässt sich leichter verflüssigen und damit auch lagern.


Damit einhergeht ein weiterer Vorteil, denn man kann die gesamte vorhandene Gasinfrastruktur (Gasspeicher, Gaskraftwerke, Leitungen, Brenner) ohne großen Anpassungsbedarf, weiternutzen. Noch ein Vorteil: Es gibt in Deutschland bereits ausreichend vorhandene Lagerstätten. Momentan werden sie für die Speicherung von Erdgas genutzt. Aber schon bald könnten sie Wasserstoff oder Methangas lagern. Zusammengenommen ist ihre Kapazität sogar groß genug, um damit Versorgungslücken von bis zu drei Monaten zu schließen.[7]

Dabei ist jedoch zu bedenken, dass über den gesamten Prozess: von der Elektrolyse, über die Methanisierung, Speicherung und schließlich der Wiederverstromung jedes Mal Energieverluste in Kauf genommen werden müssen. So wird von 1 kWh erzeugtem Strom aus erneuerbaren Quellen bestenfalls am Ende nur circa 0,3 kWh übrig bleiben. Das entspricht ungefähr dem Wirkungsgrad eines modernen Benzinmotors.[8] Das ist immer noch besser als gar nichts, bedeutet aber eben auch, sehr viel mehr Kapazitäten an erneuerbaren Energien von vornherein bereitstellen zu müssen, um ausreichend Überschüsse für die Gasgewinnung gewährleisten zu können.



 

Literatur/Quellen:


[1] Nick Raimer und Toralf Staud, Deutschland 2050 - Wie der Klimawandel unser Leben verändern wird, Kiepenheuer & Witsch, 2021

[2] Ulrike Herrmann, Das Ende des Kapitalismus – Warum Wachstum und Klimaschutz nicht vereinbar sind – und wie wir in Zukunft leben werden, Kiepenheuer & Witsch, 2022, Kap. 13. Die Energiewende wird teuer, nicht billig

[3] Ulrike Herrmann, Das Ende des Kapitalismus – Warum Wachstum und Klimaschutz nicht vereinbar sind – und wie wir in Zukunft leben werden, Kiepenheuer & Witsch, 2022, Kap. 13. Die Energiewende wird teuer, nicht billig

[4] Volker und Cornelia Quatschning, Energierevolution jetzt!, Kap:Ist das Elektroauto ein Klimasünder?

[6] das gilt natürlich nur dann, wenn Methan zuvor durch erneuerbare Energien gewonnen wurde.

[7] Volker und Cornelia Quatschning, Energierevolution jetzt!, Kap. Ist Wasserstoff Lösung oder Irrweg?

[8] Vernachlässigt wird hier, dass bei der Raffinerie von Benzin aus Erdöl ebenso Energie verlorengeht.


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