Speicherung von Energie und Sektorenkopplung

Die Energiewende gelingt nur, wenn Energiespeicher die Kopplung der Verbrauchssektoren ermöglichen.

Heizung, Mobilität, Strom und Industrie – Nur im Verbund der Energiesektoren und abgesichert durch geeignete Energiespeicher werden die fossilen Energieträger durch erneuerbare Energie ersetzt werden können. Als Speicher bieten sich vor allem chemische Speicher unterschiedlicher Art an.

Klimawandel

Die Begrenzung der Auswirkungen menschlicher Aktivität auf die Erde durch die Verwendung fossiler Energie ist allgemein gewollt. Die Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas setzt Kohlendioxid frei, das durch den Treibhauseffekt die Erdatmosphäre und Erdoberfläche aufheizt. Diese Aufheizung führt zu erheblichen Problemen bis hin zur Gefährdung des Fortbestands der Menschheit.

Das Aussterben der Art Homo sapiens wäre für den Planeten mit seinem Ökosystem vielleicht die beste Lösung. Ohne Menschen könnte die Natur wieder zu einem Gleichgewicht zurück finden. Wir, als „Krone der Schöpfung“ sehen das verständlicherweise anders. Daher ist ein 2-K-Ziel definiert worden: Nicht mehr als 2 Grad Celsius (Kelvin) Klimaerwärmung bis Ende des Jahrhunderts. Die Absurdität eines solchen Ziels muss hier nicht weiter diskutiert werden.

Herunter gebrochen auf praktische Handlungsfelder lautet das Ziel, wenn man es denn ernst mit dem Klimaschutz meint: Vollständige Beendigung des Verbrennens fossiler Energieträger! Also:
– Autos ohne Benzin und Diesel,
– Strom aus 100% erneuerbaren Quellen,
– Null-Energie-Häuser
und selbst den Stahl und Aluminium müssen wir ohne Einsatz fossiler Energiequellen schmelzen.

Konventionelle Lösungsansätze

Bislang werden die Sektoren der Energieverwendung (Mobilität, Gebäudeheizung, Elektrizität und Industrie) überwiegend getrennt betrachtet. Im Mobilitätssektor ist außer Unsinn und Betrug in den letzten Jahrzehnten praktisch gar nichts passiert. Bei der Heizungstechnik wird immer noch der Brennwertkessel als das Non-plus-ultra gefeiert. Beim Strom wird mittags zu viel Fotovoltaik-Strom und an manchen Tagen zu viel Windstrom produziert, der ungenutzt bleibt, während die Grundlast nach wie vor von Braunkohle- und Atomstrom gedeckt wird.

Und in der Industrie setzt sich das Abteilungsdenken weiter fort. Sind nebenan zwei Unternehmensbereiche, in denen einer heizt, der andere kühlt, dann bekommt der erste einen Kessel, der zweite eine elektrisch betriebene Kältemaschine mit Abwärme-Entsorgung auf dem Dach. Dazwischen: Keine Verbindung.

Es wird an der Effizienz der einzelnen Prozesse geschraubt, die aber durch Naturgesetze begrenzt ist. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagt sinngemäß, dass kein technischer Prozess verlustfrei reversibel sein kann. Viele Prozesse können überhaupt nur in eine Richtung laufen. Illustriert wird dies mit folgendem Beispiel einer hocheffizienten Wärmepumpenheizung:

Unter Einsatz von 1 kWh elektr. Stroms wird dem Erdreich eine Menge von 4 kWh Wärme bei 8°C entnommen und der Heizung bei 35°C zugeführt. Die (Flächen-)Heizung bekommt also 5 kWh Wärme. Die Wärme wird dem Raum übergeben, der so auf behaglichen 21°C gehalten werden kann. Diese Wärmemenge kann nicht wieder zurück verwandelt werden in Strom und Wärme bei 8°C. Nach den Regeln der Thermodynamik wäre es theoretisch möglich, eine Menge von 4,4% wieder in Strom zu verwandeln. Dabei würde der Raum dann auf 8°C abgekühlt. Technisch ist dies gar nicht realisierbar.

Integrierte Lösungsansätze

Aber gerade mit dem Beispiel der Wärmepumpe lässt sich zeigen, wie die Sektoren sinnvoll verbunden werden können und so die Energiewende doch noch gelingen kann.

Aus oben Gesagtem lässt sich ableiten, dass wir stofflich in eine Kreislaufwirtschaft gelangen müssen. Um diesen Kreislauf in Gang zu halten, brauchen wir die einzige externe Energiequelle die die Erde hat: Die Sonne.

Ob nun Sonnenlicht direkt (in Pflanzen oder PV-Anlagen) gesammelt wird oder indirekt als Wind, Wellen oder Fließwasserströmung spielt zunächst kaum eine Rolle. Fakt ist, dass die Sonne 10-15.000 mal so viel Energie auf die Erde schickt, wie die Menschheit derzeit braucht. Und Sonnenlicht ist sehr hochwertige Energie.

Aus Sonnenenergie lässt sich chemische Energie (Zucker-Synthese der Pflanzen) gewinnen oder elektrischer Strom produzieren. Mit einer Umsetzungsrate von ca. 15% ist die Fotovoltaik (PV) mittlerweile ein effizientes Mittel dafür. Diesen elektrischen Strom muss man aber unmittelbar verwenden. Strom als solcher ist nicht lagerfähig.

In obigem Beispiel heißt das, dass die Wärmepumpe läuft, wenn – und nur wenn – die Sonne scheint. Das ist ungünstig. Nachts und im Winter, wenn die Wärme gebraucht wird, scheint keine Sonne. Es kann kein PV-Strom erzeugt werden und also auch keine Wärme.

Die Natur hat genau dafür Lösungen entwickelt. Bei großem Nahrungsangebot im Sommer fressen sich viele Tiere einen Fettvorrat an, um über den Winter zu kommen. Pflanzen stellen ihre Aktivität im Winter fast ein und zehren ebenfalls von ihrem eingelagerten, chemisch gebundenen Energievorrat. Wenn wir fossile Energie verfeuern, nutzen wir einen extremen Langzeitspeicher von vor Jahrmillionen eingelagerter Energie. Speicherung ist das Zauberwort.

Energiespeicher

Energiespeicher helfen, die Unzeitmäßigkeiten von Erzeugung und Verbrauch zu überwinden. Strom ist zwar leicht zu erzeugen und die höchstwertige Energieform, die wir technisch verfügbar haben. Leider aber ist Strom nicht speicherfähig. Man muss ihn umwandeln um eine lagerfähige Form von Energie zu erhalten.

Als Speicher bieten sich an:

• Rotationsspeicher (kinetische Energie)
• Pumpspeicher (Potenzialenergie)
• Druckluftspeicher (Druck-/Volumenänderungsarbeit)
• Chemische Speicher
• Wärmespeicher (sensible und latente Wärme)

(Erläuterungen zu den Speicherarten siehe am Ende des Aufsatzes)

Wenn die Rückumwandlung in Strom erforderlich ist, sinkt jedes mal wieder die Ausbeute, weil die Prozesse alle weder reibungsfrei noch per se umkehrbar sind.

Schaut man wieder auf die Natur als Vorbild, dann hat diese den chemischen Speicher favorisiert: Holz, Zucker, Fett sind typische Vertreter der biologischen Speicherung. Aber auch was daraus weiter werden kann: Alkohol, Kohle, Teer, Öl ist chemisch gebundene Energie. In Lebewesen erfolgt die Umsetzung in biologischen Kreisprozessen, technisch in Verbrennungsprozessen. Jedesmal kommt Luftsauerstoff für einen Oxidationsprozess dazu.

Auch für menschliche, technische Anwendungen scheinen die chemischen Speicher die aussichtsreichsten Kandidaten. Sicherlich lassen sich einige Bergwerke für Druckluftspeicher nutzen oder Berge und Täler für Pumpspeicherwerke. Das Potenzial ist jedoch zumindest in Mitteleuropa sehr gering.

Sehr viel interessanter scheint dagegen die Hydrolyse (Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff) und die folgende Synthese mit CO₂ aus der Luft von Methan oder Methanol. Insbesondere Methanol kann, weil flüssig, sehr vielseitig verwendet werden. Sowohl als Kraftstoff für Fahrzeuge wie als Brennstoff für Heizungen oder Grundstoff für weitere chemische Prozesse. Selbst in Flugzeugen und Schiffen kann Methanol als einfach zu produzierender, zu lagernder und zu hantierender Kraftstoff benutzt werden. So wird ein Stromnetz entlastet, das einfach nicht praktikabel für flexible Nutzung ist.

Andererseits ist das Methanol auch in Kraftwerken jeder Art einsetzbar. Besonders in Turbinen kann es mit hoher Effizienz und guter Regelbarkeit für die Deckung von Lastspitzen wieder eingesetzt werden.

Im Wohnbereich sind dagegen andere Modelle aussichtsreicher. Das vorhandene Gasnetz könnte statt mit fossilem, russischen Erdgas mit solar erzeugtem Methan gefüllt werden. Dieses Netz ist bereits gut ausgebaut, die infrastrukturellen Änderungen wären gering. Wo Wärmepumpen zum Einsatz kommen, um Umweltwärme hinzu zu gewinnen, sind kurz- und mittelfristige Speicher wünschenswert, die für Stunden bis wenige Wochen Wärme einlagern können.

Damit können die Wärmepumpenanlagen dem Stromangebot besser angepasst werden. Statt fester Abschaltzeiten werden dann Zeiten hoher Verfügbarkeit elektrischen Stroms genutzt und Wärme steht jederzeit zur Verfügung.

Dagegen sind die oft angeführten Verschiebungen durch „smart metering“ eher geringfügig oder gar nicht realisierbar. Ein Kühlhaus das regulär mit -18°C gefahren wird, kann eben nicht auf -25°C herunter gekühlt werden, wenn viel Strom da ist, und auf -12°C herauf gefahren werden, wenn wenig elektrischer Strom zur Verfügung steht. Gerade Lebensmittel reagieren schlecht auf Abweichungen von der optimalen Temperatur.

Auch das Laufenlassen der privaten Waschmaschine in Abhängigkeit vom Strompreis ist wohl eher eine Wunschvorstellung derer, die alles messen und überwachen wollen. Ganz abgesehen davon, dass private Waschmaschinen eine eher kleine Rolle im Gesamtgeschehen spielen, möchten die meisten doch nicht auf den Waschtag warten, sondern dann waschen, wenn das ansteht.

Robuste Systeme schaffen

Es ist wichtig, dass die Systeme, die wir im Rahmen der Energiewende zukünftig schaffen, wenig störanfällig sind. Und das bedeutet tendenziell eher weniger Vernetzung.

Robuste Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass Störungen an einer Komponente von den anderen Komponenten abgefedert und nicht verstärkt werden. Auch absichtliche Störungen (Sabotage, Terrorakte, Staatsterror oder auch nur jugendlicher Unfug) dürfen die Systeme nicht insgesamt gefährden. Auf welch kritischem Weg wir mit der Vernetzung und smart metering sind, hat Marc Elsberg in seinem Roman Blackout sehr plastisch geschildert. Die Warnung ist ernst zu nehmen. Die Vernetzung der Welt im Internet der Dinge ist außerordentlich fragil und nicht geeignet, die Robustheit von Systemen zu sichern.

Robuste Systeme sind z.B. das Gasnetz in dem für mehrere Wintermonate genug Gas gespeichert ist. Volumen und Druck reichen aus, selbst wenn diverse Pumpen ausfallen. Keine Lieferung „just in time“, sondern das bloße Vorhandensein macht es robust. Auch Methanol in privaten Tanks (wie früher Heizöl) steht unabhängig von politischen und technischen Ereignissen in der Welt zur Verfügung. Dagegen ist schon der Anschluss einer Heizanlage an das Stromnetz ein Risikofaktor. Es muss noch nicht einmal der örtliche Trafo des Stromversorgers kaputt gehen. Schon eine durchgeknallte Sicherung im eigenen Haus legt die Wärmeversorgung lahm.

Dies ist ein Plädoyer für dezentrale Speicher! Speicher sollten sich überall finden. Sie sollten bei den Produzenten und den Verbrauchern vorhanden sein, um Netze zu entlasten.

Produzentenseitig: War dies im klassischen Kraftwerk der Kohlebunker, ist es fortan der kleine Batterie-Stromspeicher bei der Hausdach-PV-Anlage.

Verbraucherseitig: Methanoltank, Wärmespeicher etc.

Den Strom nach Norwegen zu schicken, um ihn dort in Pumpseicherwerken zu lagern ist ökologischer Unsinn, viel zu teuer und das Gegenteil von einem robusten System.

Soziologische und wirtschaftspolitische Rahmenbedingungen

Die Notwendigkeit der Energiewende zur Rettung des Klimas wird nur noch von wenigen Unverbesserlichen bestritten. Es ist allgemeiner Konsens in der Bevölkerung, wie mittlerweile auch in der Industrie. Selbst die Energie-intensive Schwerindustrie will überwiegend den Paradigmenwechsel.

Leider sind unsere politischen Führer jedoch nicht im Stande, die Regeln so klar zu fassen, dass die Energiewende gelingen kann. Sie fühlen sich mehr für nationale Wirtschaftsinteressen verantwortlich als der globalen Lebenswelt verbunden.

Unsere deutsche Gesellschaft ist nach dem letzten Krieg unter amerikanischer Führung als eine freiheitliche und auf wirtschaftliche Überlegenheit orientierte aufgebaut worden. Freiheit meint dabei die individuelle Freiheit oder anders ausgedrückt: Die Unverbundenheit der Individuen untereinander. Niemand soll auf einen Anderen Rücksicht nehmen müssen. Also ist das Gefälle an Verbundenheit der Menschen untereinander extrem groß. Halbwegs interessiert man sich noch für die eigene Familie, auf Grund der politischen Organisation noch ein wenig mit dem eigenen Staatsvolk, der sogenannten Nation, alles außen herum sind eher Gegner als Partner.

Das macht die Energiewende schwierig, denn diese ist kein privates Thema, auch keines einzelner Staaten, sondern eine globale Notwendigkeit. Um Nachteile zu vermeiden, will niemand den ersten Schritt auf einem neuen Weg gehen. Deutschland könnte das.

Als Land mit einem ungeheuren Außenhandelsüberschuss könnten wir sehr viel vorleisten, ohne befürchten zu müssen, dadurch arm zu werden. Wie bisher schon, kann in Deutschland Technologie entwickelt, gebaut und umgesetzt werden, die später weltweit genutzt wird. Alle profitieren davon, so wie es mit der Fotovoltaik war. In Deutschland durch das frühe EEG hoch gebracht , ist sie eine weltweit gebrauchte Technologie.

Dass es heute in China ein Vielfaches der Produktionskapazität gibt, muss im Sinne des globalen Geschehens froh stimmen. Es entspricht auch vollständig dem Geist eines ungebremsten Freihandels: Dort produzieren, wo die Bedingungen am besten sind. Statt dessen lamentieren wir über ein vermeintliches Ausbluten. Es ist immer wieder das egoistische Denken, das uns ärgert: Die haben uns etwas weg genommen. Ich sage dagegen: Nein, die machen mit.

Hemmnisse des Ausbaus der erneuerbaren Energie und von Energiespeichern für die Energiewende gibt es viele. Überwiegend sind sie wirtschaftlicher Natur. Großkonzerne sehen in der kleinteiligen Produktion ihre Vormachtstellung schwinden. Aber auch im privaten Bereich gibt es unterschiedliche Hindernisse. Bei vielen Mitmenschen erkenne ich eine „Fördermittel-Hörigkeit“.

Gerade als Energieberater komme ich oft in Kontakt mit Leuten, die Fördermittel haben wollen. Oft sind die sauer, wenn ich ihnen erklären muss, dass es Fördermittel nur für besondere Leistungen gibt, nicht für Standardlösungen. „Ich mache nur dann etwas, wenn ich Staatskohle dafür kriege,“ diese Einstellung fördert oft nicht, sondern hemmt sogar Entwicklung (vergleiche auch den Beitrag 26. April 2017: Fordern und Fördern beim Klimaschutz).

Als die KfW ein Förderprogramm für PV-Speicher auflegte, gab es eine große Nachfrage. Die Förderung ist auf ein Minimum zurück gegangen, damit auch die Nachfrage nach PV-Speichern. Wenn es keine Förderung gibt, dann muss sich eine Energieeffizienzmaßnahme wenigstens „rechnen“, lautet ein weiterer Anspruch. Warum?

Bauherren sind ohne Weiteres bereit, zigtausende von Euro in den Marmor ihrer Gästetoilette zu stecken. Aber für eine Effizienzmaßnahme, die sich erst in 20 Jahren rechnet, reicht es dann nicht mehr. Noch einmal: Warum?

Bildnachweise:
Karrikatur Energiespeicher, Copyright: Mester/SFV
Grafik Methanolsysnthese, Aus dem Endbericht „CO₂ -Recycling zur Herstellung von Methanol“ von ZSW, ITTK und IPE, 2000

Weitere Beiträge zum Thema Energiespeicher:
Beitrag vom 01.03.2016: Energiespeicher sind der Effizienzschlüssel
Fachbeitrag: Energiespeicher – Der Drehpunkt für Energie-effiziente Systeme
Beitrag vom 10.11.2014: Stromspeicher statt Stromtrassen
Webartikel auf leifiphysik.de der Joachim-Herz-Stiftung: Energiespeicherung