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(Original: „The catch-22 of energy storage“ des Blogs „Brave New Climate“, Autor John Morgan, Erstpublikation in der Zeitschrift „Chemistry in Australia„, Übersetzung ins Deutsche durch Christof Merkli)
Der Autor
John Morgan ist Wissenschaftler in einem australischen Unternehmen, welches intelligente Stromnetze (Smart Grids) und deren Technologie entwickelt. Er ist Lehrbeauftragter in der „School of Electrical and Computer Engineering at RMIT„, besitzt den wissenschaftlichen Titel als PhD in physikalischer Chemie und ist ein erfahrener Leiter für industrielle Forschung und Entwicklung. Sie können John auf twitter folgen über @JohnDPMorgan. First published in Chemistry in Australia.
Man kann praktisch jeden Forschungsbericht über Batterietechnologie, Brennstoffzellen, Energiespeicher-Technologie oder irgendeine andere Quelle über Hochtechnologie in Betracht ziehen. Meist findet sich in der Einführung der Hinweis, dass diese Technik zur Speicherung der „Erneuerbaren Energie“ beitragen kann. Die Speicherung von Energie ist sinnvoll, um den Übergang von der Versorgung durch fossile Energieträger zu unbeständigen Energiequellen wie Wind und Sonne zu ermöglichen. Das Problem der Speicherung von Energie ist eine entscheidende Herausforderung für Chemiker und Materialwissenschaftler… Oder etwa nicht?
Energie kann nicht „so einfach“ gespeichert werden
Verschiedene aktuelle Analysen der Stromversorgung zeigen, dass gegen die landläufigen Erwartungen der Gesellschaft, die Speicherung der Erneuerbaren Energie aus Wind und Sonne das Problems der unzuverlässigen Produktion nicht lösen kann. Nicht aus Gründen der technischen Leistung, der Kosten oder der Speicherkapazität, sondern wegen etwas wesentlich Widerspenstigerem:
Es bleibt nicht genug nutzbare Energie für die Gesellschaft nach Abzug für den Aufwand für Konstruktion der Generatoren und der gesamten Verteilung.
Dieses Problem wurde durch das wissenschaftliche Papier von Weißbach et al.1 analysiert. Weissbach und seine Wissenschaftler beurteilen die Erzeugung und Verteilung unserer Energie mittels einem Faktor namens „energy returned on energy invested“ (Erntefaktor), oder EROEI – das Verhältnis der produzierten Energie über die gesamte Lebenszeit eines Kraftwerks zum Energieaufwand, um dieses Kraftwerk zu bauen und zu betreiben. Es braucht Energie, um die Komponenten des Kraftwerks zu bauen. Es braucht weitere Energie, um den Treibstoff zu gewinnen. Viele Komponenten sind notwendig, um ein Kraftwerk betreiben zu können. Sie alle benötigen für sich alleine betrachtet Energie, damit sie funktionieren. Ein Kraftwerk benötigt demnach mindestens diese Gestehungsenergie, um eine ausgeglichene Energiebilanz vorweisen zu können (break even). So ein perfekt ausgeglichenes Kraftwerk würde einen EROEI mit dem Wert „1“ aufweisen. Aber solch ein Kraftwerk wäre sinnlos, weil es keinerlei darüber hinaus nutzbare Energie produzieren würde.
Es braucht einen minimalen EROEI-Faktor grösser als 1 für jedes Kraftwerk, damit es mit seiner produzierten Energie die Gesellschaft unterstützen kann. Ein Energiesystem muss nach allen energetischen Aufwendungen einen Überschuss erzeugen, der gross genug ist, um damit Dinge produzieren zu können wie Nahrung, der Betrieb von Spitälern und Universitäten, wo die Ingenieure ausgebildet werden, die solche Kraftwerke später bauen und betreiben können. Diese überschüssige Energie wird zusätzlich benötigt, um unsere Häuser zu bauen, Menschen und Material transportieren und die Elemente unserer Zivilisation betreiben zu können.
Mindestens EROEI „7“
Für Länder wie die USA und Deutschland schätzen Weißbach et al. dieses ökonomische Minimum des EROEI-Faktors auf den Wert 7. Eine Energiequelle mit tieferem EROEI kann keine Gesellschaft auf dieser Stufe der Komplexität (USA oder Deutschland, Anm. Übers.) erhalten. Wenn wir unsere Energieversorgung transformieren und dabei auch noch die Klimawirkung berücksichtigen wollen, tun wir gut daran, den EROEI-Faktor der „Erneuerbaren“ genauestens und umfassend zu beachten.
Die EROEI Werte für verschiedenen Kraftwerke sind in der Grafik zusammengefasst. Die mit fossilem Treibstoff betriebenen Kraftwerke weisen einen durchwegs hohen EROEI-Faktor von 30 aus. Das liegt wesentlich über dem benötigten Minimum von 7. Die Nutzung von Windkraft liegt bei einem Wert von 16 und die Solarthermie (Wärmegewinnung aus Sonne, nicht zu verwechseln mit Photovoltaik, Anm. Übers.) bei 19. Sie weisen zwar einen tieferen Wert aus als die fossil betriebenen Kraftwerke. Aber der energetische Überschuss reicht im Prinzip aus, um eine Industriegesellschaft zu betreiben. Biomassenkraftwerke und die Photovoltaik (Photozellen) können das zumindest in Deutschland nicht. Mit einem EROEI von lediglich 3.9 oder 3.5 können diese Energiequellen ihren eigenen Produktionsaufwand und die Bedürfnisse einer 1.-Welt Gesellschaft nicht unterstützen.
Diese EROEI Werte entsprechen der Betrachtung bei Lieferung direkt ins Stromnetz oder an den Verbraucher (die Werte für “unbuffered” in der Grafik). Aber das gute Bild ändert sich schnell, wenn wir diese Energie zwischenspeichern müssen. Wenn wir diese Energie in Batterien speichern wollen, müssen wir zuerst die dazu benötigten Resourcen schürfen und die Batterien irgendwie herstellen. Es wird mehr Energie dafür investiert und der EROEI-Faktor sinkt konsequenterweise.
Weißbach et al. berechneten die EROEI-Faktoren unter Annahme der Speicherung mittels Pumpspeicherkraftwerken. Das ist die am wenigsten energieintensive Speichertechnologie, die wir heute kennen. Der Aufwand für den Bau von Pumpspeicherkraftwerken ist im Wesentlichen die Erdbewegung und die Konstruktion. Es ist deshalb eine konservative und vorsichtige Methode für die Berechnung; denn die chemische Speicherung benötigt wesentlich grössere Mengen von speziell bearbeiteten Materialien und ist deshalb auch wesentlich energieintensiver in der Anwendung. Carbajales-Dale et al.2 bestätigen, dass Batterien bis zum 10-fachen energieaufwendiger sind, als Pumpspeicherkraftwerke.
Berücksichtigen wir demnach die Speicherung für die Berechnung des EROEI (die Werte für “buffered” in der Grafik) änders sich das Bild entscheidend. Die Produktion mittels Nutzung der Windkraft mit Speicherung in einem dafür optimal geeigneten Pumpspeicherkraftwerk reduziert den EROEI der Windkraftnutzung auf 3.9. Sie trifft damit auf die Photovoltaik und die Biomassennutzung, die für die Gesellschaft ebenfalls unrentabel werden. CSP (Solarthermie in der Wüste, Produktion von Strom, Anm. d. Übers.) erhält eine nur noch marginale Bedeutung von EROEI ~9. Auch mttels Anwendung der Flüssigsalzspeicherung bei Solarthermie ist diese Technologie nicht wirklich rentabel. Der EROEI-Faktor von Photovoltaik sinkt dabei auf kaum mehr bemerkbare 1.6 und mit einer Batteriespeicherung besteht sogar ein Defizit. Speicherung von PV mittels Batterien benötigt mehr Energie für Produktion und Betrieb, als die Anlage während ihres Lebens erzeugen kann.
Dies ist eine eher beunruhigende Schlussfolgerung, wenn wir auf erneuerbare Energien für den Übergang zu einem kohlenstoffarmen Energiesystem setzen: Wir können keine Energiespeicher verwenden, um die Variabilität der Sonnenstrahlung und Windkraft zu überwinden.
Ganz eindeutig können wir weder Batterien noch irgendwelche chemische Speicher dafür benutzen, weil das zu noch wesentlich schlechteren Werten für die Erneuerbaren führen würde, als sie uns Weißbach et al. hier präsentieren. Wasserkraft ist die einzig verfügbare erneuerbare Energie, die wirklich ökonomisch funktioniert. Aber Wasserkraft ist nicht einfach skalierbar, sie ist abhängig von einer passenden Geographie. Das gilt auch für jedes Pumpspeicherkraftwerk.
Diese Studie steht längst nicht alleine da. Springer hat ein Buch veröffentlicht, Energy in Australia,3 welches eine vertiefte Diskussion der Energiesysteme unter Berücksichtigung des EROEI. Sie ziehen die gleichen Schlüsse wie Weißbach et al. Eine weitere Studie einer Guppe der Stanford University2 ist etwas optimistischer für die meisten Formen der Speicherung von Sonnenenergie und Windkraft. Aber diese Studie berücksichtigt einen minimal benötigten EROEI von lediglich >1, was die Bedürfnisse der Versorgung einer Gesellschaft (EROEI~7), den Transportverlust, den Lebenszyklus der Anlagen und die energetischen Kosten des Ersatzes nicht berücksichtigt. Würden diese Werte in die Berechnung des EROEI einfliessen, würde die Nutzung von Windenergie mit Sicherheit unter den benötigten Wert fallen.
Es ist wichtig, die Natur des EROEI zu verstehen. Es ist keine Frage der unpassenden Speicherkapazität – wir könnten einfach mehr Speicher kaufen oder bauen, damit es funktioniert. Es ist auch keine Frage von Energieverlusten während des Lade- oder Entladevorgangs für Batterien. Die Anzahl möglicher Ladezyklen einer Batterie ist hier nicht entscheidend. Wir betrachten hier keine neuen Materialien oder den technischen Fortschritt, weil die Limite durch die zukünftige Entwicklung der Welt und die zukunftsweisenden Technologien definiert werden muss. Das Problem kann nicht durch Marktmechanismen, Kohlenstoffsteuern oder Preisreduktionen gelöst werden. Es handelt sich hier um fundamentale energetische Grenzen, die sich nur verschieben lassen, wenn wir weniger material- und energieintensive Methoden zur Konstruktion der Speicher finden.
Man kann auch nicht sagen, dass Wind- und Sonnenkraft keine Rolle spielen können. Sie können ein System von fossiler Energie ergänzen und damit vergängliche Resourcen einsparen. Aber ohne ökonomische Speicherung der Wind- und Sonnenkraft ist ihre Integration in das Stromnetz limitiert durch die variable Menge an zufällig produziertem Strom. Wir könnten natürlich versuchen, das Problem mit einer Generation von dicht gebauten Windkraft- und Solarkraftwerken zu lösen, deren Stromproduktion in massenhaft gebauten Stromspeichern jedwelcher Art gefasst würde. Aber das müssten wir mit dem Ausbau der Nutzung von fossiler Energie ergänzen, was nicht nachhaltig wäre. Ohne Speicherung könnten wir die Variabilität dieses Netzes glätten, indem wir überflüssige Kapazitäten über weite Distanzen verbinden. Aber die zusätzliche Infrastruktur drückt den EROEI-Faktor in den unrentablen Bereich. Die beste Möglichkeit von Windkraft und Sonnenkraft liegt im Bereich der Emissionsbegrenzung von fossiler Energie. Aber Wind und Solar können sie nicht vollständig verhindern. Sie offerieren uns lediglich eine Linderung aber niemals den Ersatz konventioneller Kraftwerke.
Wir können nicht sagen, dass die Speicherung von Energie keinen Wert hat. Batterien in Elektromobilen offerieren ein Potenzial zur Reduktion der Abhängigkeit von Öl, wenn sichergestellt ist, dass der dafür benötigte Strom aus sauberen Quellen stammt. Eine auf dem Hausdach montierte Photovoltaikanlage kombiniert mit einer Batterie kann den Stromverbrauch in Spitzenzeiten mittragen helfen3, reduziert den Bedarf an konventionellen Kraftwerken und den Ausbau des Stromnetzes. Die Entwicklung der Batterietechnik ermöglicht die Benützung netzunabhängiger Konsumelektronik. Aber was die Stromspeicherung nicht kann, ist der komplette Ersatz fossiler Eergie durch erneuerbare Energie.
Die Lösung heisst Wasserkraft und Kernenergie
Wenn wir Emissionen beschränken und fossile Resourcen schonen wollen, können wir das machen: Die Antwort findet sich am oberen rechten Rand der Grafik. Frankreich und Ontario, zwei moderne, weitentwickelte Gesellschaften, haben fossile Energieträger aus ihren Stromnetzen verbannt. Sie benutzen hochwertige EROEI-Resourcen wie Wasserkraft und Kernkraft. Ontario hat erst kürzlich seine letzte Tonne Kohle verbrannt. Einige wenige Prozent der Stromversorgung wird durch Gaskraftwerke erzeugt. Das ist erwiesenermassen ein funktionierender Weg, seine Stromversorgung zu „dekarbonisieren“.
Die Idee, dass ein Fortschritt in der Entwicklung der Speichertechnologie die Erneuerbaren funktionieren lässt, ist ein Trugbild – ja sogar eine Falle, welche uns suggerieren soll, dass Speicherung von unzuverlässiger erneuerbarer Energie eine Lösung darstellt. Was wir damit erreichen, ist der Effekt, dass wir weniger Nettoenergie zur Verfügung haben und diese nicht mehr ausreicht, um eine Zivilisation westlicher Bauart betreiben zu können.
Nachtrag
Als dieser Artikel erstmals in CiA publiziert wurde, bekundeten einige Leser Mühe mit der Idee eines minimalen gesellschaftlichen EROI-Faktors. Warum sollten wir nicht in der Lage sein, mit dem Bau von mehr erneuerbaren Kraftwerken das Versorgungsproblem zu lösen? Hall4 erklärt das gut mit dem Beispiel der Nutzung von Öl:
„Denk an eine Gesellschaft, die abhängig ist von einer Resource: Hauptsächlich Öl. Wenn der EROI-Faktor für dieses Öl 1.1:1 beträgt, dann kann einer dieses Öl aus dem Boden pumpen und in Fässer abfüllen. Wenn der EROI-Faktor bei 1.2:1 liegt, kann man dieses Öl raffinieren (in seine Produktbestandteile zerlegen). Mit einem EROI von 1.3:1 kann man den gewonnen Treibstoff dorthin transportieren, wo er gebraucht wird.“
„Hall et al. 2008 bestimmten den benötigten EROI-Faktor von Öl um einen Lastwagen zu betreiben auf 3:1 am Bohrloch. Dieser EROI-Faktor wird benötigt, um den Lastwagen zu bauen, zu warten und die notwendigen Strassen und Brücken für ihn zu bauen.
„Wenn man nun die Absicht hat, mit dem Lastwagen Getreide zu transportieren, benötigen wir schon einen EROI von 5:1, nur um das Getreide wachsen zu lassen. Will man die Aufwände der Arbeiter auf dem Ölfeld, den Raffinerieangestellten, den Lastwagenfahrer und den Bauern mit einrechnen, brauchen wir einen EROI-Faktor von 7 oder 8:1. um ihre Familien zu unterstützen. Um ihre Kinder richtig ausbilden zu können, benötigen wir noch mehr EROI-Faktoren, nämlich 9 bis 10:1. Benötigen sie alle eine medizinische Versorgung sind es schon 12 EROI-Faktoren, die wir dafür benötigen. Geben wir diesen Menschen noch etwas Kunst und Kultur, werden 14 EROI-Faktoren benötigt. Offensichtlich benötigt man in einer modernen Zivilisation nicht nur ein wenig mehr Energie, als für die Energieversorgung investiert werden muss, sondern wesentlich mehr. Und das braucht nun mal entweder einen hohen EROI-Faktor von Wasserkraft oder Kernkraft für die ökonomische Energieproduktion oder eine wesentlich massivere Quelle von unökonomischen Quellen mit kleinem EROI-Faktor wie Sonne und Wind.“
Diese Punkte werden auch durch die EROI-Pyramide gut dargestellt (blaue Werte sind veröffentlicht, gelbe Werte sind zunehmend spekulativ).
Referenzen
- Weißbach et al., Energy 52 (2013) 210. Preprint available here.
- Carbajales-Dale et al., Energy Environ. Sci. DOI: 10.1039/c3ee42125b
- Graham Palmer, Energy in Australia: Peak Oil, Solar Power, and Asia’s Economic Growth; Springer 2014.
- Pedro Prieto and Charles Hall, Spain’s Photovoltaic Revolution, Springer 2013.