Superkondensatoren: stehen Energiespeicher vor dem Durchbruch ?

werden Ultrakondensatoren die zweite Energiewende einläuten ?

Superkondensatoren

kurz vor dem Durchbruch zum Massenmarkt ?

Wir haben immer gesagt, dass die Energiewende weder notwendig noch machbar ist, da u.a. die Speichertechnologie fehlt, um Öko-Strom auch über eine längere Dunkelflaute von mehreren Wochen speichern zu können. Nun sehen Experten die Ultrakondensatoren als Nachfolger der Lithium-Ionen-Batterie auf dem Vormarsch. Sie sollen sich durch eine hohe Energiedichte auszeichnen und können blitzartig aufgeladen werden. Im Vergleich zur Batterie liefern sie eine deutlich höhere elektrische Leistung und wiegen erheblich weniger. Wir haben uns daher mit der Frage beschäftigt, ob wir unsere These überprüfen müssen und ob die Energiewende doch noch bis 2050 gelingen wird.      

Ladungsverteilung in einem Doppelschicht-Kondensator, Illustration: Elcap, CCO 1.0, wikimedia commons

was ist ein Kondensator ?

Allgemein formuliert kann man sagen, das ein Kondensator ein elektrisches Bauteil ist, welches elektrische Ladungen speichern und verdichten kann. Das wichtigste Bau-element aller Kondensatoren sind zwei voneinander isolierte Metallplatten, zwisch-en denen sich Luft befindet. Elektrische Lad-ungen können auf der Kondensatorplatte allerdings nicht unbegrenzt gespeichert werden, sondern bei vorgegebener Spann-ung nur stets eine begrenzte Anzahl von Ladungsträgern aufnehmen. Die Metall-platten beim Plattenkondensator sind mit je einem Pol mit einer Spannungsquelle ver-bunden. Kondensatoren lassen sich als En-ergiespeicher, Blindwiderstände und als Sensoren verwenden.

Bevor wir eine Überprüfung anhand der Kriterien „Bezahlbarkeit, Sicherheit, Nach-haltigkeit“  starten,  wollen wir zunächst die Frage klären “ aus was besteht eigentlich ein Kondensator bzw. ein Superkondensator ?“ Anschließend werden wir uns mit den Vor-und Nachteilen beschäftigen.

was ist ein Superkondensator ?

Bei einem Superkondensator handelt es sich um einen elektrochemischen Konden-sator. Dieser besteht aus elektrochemisch-en Doppelschichten auf Elektroden, die mit einem Elektrolyt befeuchtet sind. Beim  An-legen einer Spannung sammeln sich an beiden Elektroden Ionen entgegengesetzer Ladung und bilden hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern. Anders als bei Akkus tritt nur eine Ladungsverschieb-ung, aber keine chemische Stoffänderung ein. Die Doppelschichten bestehen aus Graphen. Graphen besteht aus reinem Kohlenstoff. Genauer gesagt: (für die Chemiker:) aus polycyclischem aromat-ischem Kohlenwasserstoff. Eine Graphen-Lage ist etwa 0,3 Nanometer dick.( viel dünner als ein Haar!) Man unterscheidet einlagiges Graphen, Graphen mit bis zu 10 Lagen und mit mehr als 10 Lagen (Graphit). Diese haben eine bienenwabenartige Schichtstruktur.  Soweit ganz knapp formuliert die Theorie.  Kommen wir nun zur Praxis.

Vor und Nachteile

Ultrakondensatoren haben eine Energiedichte von mehr als 10 Wh/kg und eine Kapazität von 4.500 Farad, Foto: Cybrain, fotolia-kauf

Superkondensatoren ( auch Ultra-oder Doppelschichtkondensator-en genannt) können große Energiemengen innerhalb von Sekunden aufnehmen und genau so schnell auch wieder abgeben. In ihnen vollzieht sich keine chemische Reaktion wie in Batterien. Dadurch entfällt der Verschleiß durch die Lade-und Entladevorgänge. Der Schlüssel für die Speicherung der Energie bildet der Kohlenstoff Graphen. Durch den Bau von Superkondensatoren mit höheren Zellenkapazitäten im Bereich von mehreren Tausend Farad (  1 Farad entspricht einer Ladespannung von einem Volt für eine Sekunde, Einheit für elektr. Kapazität) benötigt man künftig er-heblich weniger Raum für die Speicherung von Energie, so Volker Duden, Technikvorstand von Skeleton Technologies aus Groß-röhrdorf bei Dresden, da sie nur 60 mm groß sind. 26,7 Mio. EUR will die Firma für die weitere Entwicklung und Produktion investier-en. Durch den geringen Kondensatoren-Innenwiderstand von 0,095 Milliohm konnte der Wärmeverlust stark reduziert werden, was die Lebenserwartung der Superkondensatoren erheblich verlängert. Mehr als eine Million Lade-und Entladezyklen sind nunmehr mög-lich. Das stellt die Leistung von herkömmlichen Batterien bei weitem in den Schatten. Superkondensatoren werden in Hybrid-autos, Linienbussen, Satelliten, auf Schiffen und in Windkraftan-lagen als Kurzzeitspeicher eingesetzt. Darüber hinaus arbeiten Superkondensatoren mehr oder weniger temperaturunabhängig. Ihre Kapazität bleibt sowohl bei Minus 40 Grad als auch bei Plus 65 Grad konstant. Batterien verlieren dagegen bei  Kälte schnell ihre Leistung.  Der Kohlenstoff Graphen in der Doppelschicht des Superkondensators hat durch seine Krtistallstruktur darüber hinaus den Vorteil, dass er extrem fest und transparent ist sowie über eine hohe elektrische Leitfähigkeit verfügt, so Max Lemme von der RWTH Aachen. Damit erfüllen u.E.n. alle aufgeführten Vorteile der Superkondensatoren das Kriterium der Nachhaltigkeit vollumfäng-lich.     

Doch wie sieht die Anwendung von Superkondensatoren in der Praxis aus, wenn man diese Technik unter dem Blickwinkel der Sicherheit und der Bezahlbarkeit betrachtet ? Anders gefragt: sind Superkondensatoren demnächst in der Lage, Strom aus Windkraft-und Photovoltaikanlagen in großen Mengen zu speichern und diesen zu akzeptablen Preisen dem Markt zur Verfügung zu stellen? Martin Ammon vom MaFo-Unternehmen EuPD Research schätzt, dass Energiespeicher in 10 Jahren massentauglich werden und das die Preise von 500 Dollar pro kWh in 2018 auf unter 250 Dollar je Kilowattstunde Strom in 2025 absinken werden. Ob ein solcher Preisverfall durch flächendeckend einsetzbare Superkond-ensatoren in Kombination z. B. mit supergroßen Batterien tatsäch-lich eintreten wird, bleibt allerdings zunächst reine Spekulation.     

 

Denn es kommt nicht von ungefähr, warum man bei Forschung und Entwicklung solcher Superkondensatoren nicht so schnell voran-kommt, wie es sich die interessierten Wirtschaftskreise wünschen. Daher ist der Automobilhersteller Mercedes bereits in 2015 aus der Zellproduktion wieder ausgestiegen, da er nicht daran glaubt, dass man hierzulande kostendeckend solche Superkondensatoren als Akkus produzieren könnte. Anders sieht es dagegen beim Bau von Superkondensatoren für die Raumfahrt aus. Die europäische Raum-fahrtbehörde ESA hat sich für den Einsatz von Superkonden-satoren entschieden, weil diese die schweren Batterien in den Raumschiffen ersetzen können. Damit können erhebliche Kosten eingespart werden. Doch wie kommt es, dass man Graphen trotz seiner einfachen Struktur und ausreichender Erforschung im Alltag bisher nur in Tennisschlägern und Skiern findet ? Antwort: es liegt an der schwierigen Nutzbarmachung. So muß man z.B. beim sog. abbauenden Schälverfahren einlagige Graphenschichten von großen Graphitkristallen mechanisch mittels Klebebänder ab-trennen. Oder man gewinnt Graphitoxid aus Graphit, wobei das Graphitoxid im Anschluss chemisch oder thermisch in einer Flüssigkeit zu mehrlagigem Graphen umgewandelt wird, um dieses als Kunststoffzusatz mit anderen Materialien weiter zu verarbeiten. Dann gibt es noch das sog. aufbauende Verfahren. In diesem Ver-fahren wird auf einer beschichteten Metalloberfläche Methan auf-geblasen. Das Methan zersetzt sich dort und bildet dabei Graphen. Durch weitere Verarbeitungsschritte können anschließend ver-schiedene elektronische Komponenten hergestellt werden. Das ganze ist nicht nur langwierig, sondern auch sehr teuer. Die Kosten pro kWh Speicherkapazität werden mit 10 bis 20.000 EUR beziffert. Der Vorteil dieser Superkondensatoren liegt darin, dass sie kurz-fristig Energie speichern und somit für eine unterbrechungsfreie Versorgung von Elektrosystemen aller Art beitragen können. Der Nachteil liegt darin, dass sie eine hohe Selbstentladung haben und sich daher als Langzeitspeicher nicht eignen.          

Quellenhinweise:

Trummler, Horst: Stromspeicher: was sie sind, was sie taugen, was sie kosten, in: Eike.de vom 27.05.2012; Praxistipps. chip. de: was ist ein Kondensator ? vom 1.9.2019; Helles-Koepfchen.de; Wikipedia: Super-kondensatoren;  Roth, Wolf-Dieter: Ultra-kondensatoren: besonders robuste Energie-speicher, in: All-Electronics.de o.J.; Handels-blatt vom 30.07.2019; Ingenieur.de vom 09.05.2019; Elektronik-Praxis.Vogel.de vom 2.7.2015; Energie-Experten.org: so funktion-ieren Super-und Ultrakondensatoren als Stromspeicher, Schughart, Anna: Warum setzt sich das Wundermaterial Graphen nicht durch?, in:  GQ-Magazin vom 9.2.2017; Nanopartikel.info (Graphenerläuterung) so-wie RK-Redaktion vom 02.09.2019  

 

Fazit

Superkondensatoren werden weiterent-wickelt, weil sie sich als Kurzfristspeicher für unterbrechnungsfreie Stromsysteme be-sonders gut eignen. Als Speichermedium zur Aufrechterhaltung der Stromversorgung eignen sie sich vorläufig aufgrund der hoh-en Kosten und der schnellen Selbstentlad-ung nicht. Um das Stromnetz in Deutsch-land unterbrechungsfrei aufrecht zu erhalt-en, wird im Durchschnitt eine Tagesstrom-speicherkapazität von 50.000 bis 80.000 MW Leistung benötigt. In der kalten Jahres-zeit kann der Bedarf auch steigen. Die Speicherkapazitäten werden von den Kraft-werken bereitgehalten, um z.B. Lastspitzen oder Ausfälle abzufangen. Darüber hinaus müssen sie die Schwankungen der rege-nerativen Energieträger wie z.B. den Strom aus Windkraftanlagen ausgleichen, da er meist nicht bedarfsgerecht zur Verfügung steht.  Die staatliche Förderung zur Weiter-entwicklung von Superkondensatoren kann man aufgrund der hohen Kosten und der Ungeeignetheit als Langfristspeicherme-dium daher nur spirituell rechtfertigen. 

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Gefahrenabwehr Altbergbau

60.000 verlassene Tagesöffnungen - 1000 verlassene Schächte

Tagesbruch - Foto: Bez.Reg.Arnsberg, Montage: Revierkohle

Bergbau in NRW läßt sich bis zur Röm-erzeit nachweisen. Die bergbaulichen Aktivitäten waren vor allem ausgerichtet auf die Gewinnung von Erzen, Salz, Schief-er, Ton, Sand, Stein-und Braunkohle. Es gab Tausende von Klein-und Kleinstzech-en. Die Bergbehörde konnte bisher rd. 60.000 Stollen-und Schachtmundlöcher ermitteln. Allerdings handelt es sich dabei um Schächte und Hohlräume, deren Lage aufgrund von erhalten gebliebenen Grub-enbildern (sog. Risswerke) bekannt ist. Seit 1868 besteht nach dem Allgemeinen Preußischen Berggesetz eine Aufzeich-nungspflicht.  Das gilt jedoch nicht für verlassenen Grubenbaue, die vor 1868 errichtet wurden.  Vom illlegalen Bergbau  ganz zu schweigen. Seit Mitte der 1960er Jahre sind 3.000 Tagesbrüche bekannt ge-worden. Aktuell sind rd. 1000 Schächte des Tiefbergbaus dokumentiert. Gruben-bilder aus dem Uraltbergbau vom 14. bis zum 17 Jhrdt. gibt es dagegen kaum noch. Bedingt durch den 2. Weltkrieg sind eben-falls viele Risswerke vernichtet worden.   

Stolleneingang einer alten Erzmine von 1782

Foto: Katharina Kanns, pixabay

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Tagesbruch

Altbergbau

Verfüllarbeiten der 1900 stillgelegten Eisenerz-und Kupfergrube Hohe Grethe am Rostenberg in Siegen. Die Verfüllarbeiten wurden von 2004 bis 2010 durchgeführt.

Foto: WDR

Bergbauspuren in Siegen

abgesoffener Grubenbau

Holzausbau um 1850

Übersichtskarte Altbergbau der Bez.-Reg. Arnsberg, Abt. 6 Bergbau und Energie in NRW (ehem. Oberbergamt)

Kartenansicht

Die Bergbehörde hat in den letzten 7 Jahren 175 Schächte untersucht und davon 132 bergmännisch abgesichert. Aufgrund des historischen Bergbaus im Süden des Re-viers, wo es zunächst aufgrund der tages-nahen Lagerstätten keinen Tiefbergbau gab, kommt es heute immer wieder zu Tages-brüchen an der Oberfläche. Diese werden z.B. dadurch ausgelöst, dass damals die aufgefahrenen Strecken mit Holzstempeln am Hangenden abgesichert wurden. Durch Regeneinfluss gibt der Boden langsam nach und die Standfestigkeit des Grubenbaus wird gefährdet. Dann entstehen Tages-brüche. Bis in die 1970er Jahre war es darüber hinaus üblich, Schächte und Hohl-räume lediglich mit Lockermaterial (Sand, taubes Gestein, Schlacke, Blasversatz) zu verfüllen. Wenn Wasser in das Locker-material eindringt, wird der Füllstoff im Laufe der Jahre rausgeschwemmt und dann kann es ebenfalls zu Tagesbrüchen komm-en.  Um die Schächte und Stollen jedoch standfest zu verfüllen, müssen diese mit Spezialbeton verfüllt werden.  Soweit die RAG Eigentümer ehemaliger Gruben ist, trägt diese auch das Haftungsrisiko. Die Mitarbeiter der RAG recherchieren, prüfen und sanieren daher  Altbergbaufälle im Rahmen eines zertifizierten Risikomanage-ments. Alle Altschächte der RAG sind kartiert und werden regelmäßig befahren. Dies betrifft vor allem den Süden von NRW, nahe der A 40, wo sich viele Spuren aus der Anfangszeit des Bergbaus befinden. Es handelt sich dabei um eine Fläche von rd. 300 Quadratkilometern.    

Stollenmundloch - Foto: RAG
Tagesbruchgefahr bei oberflächenahem Bergbau - Skizze: RAG

Verantwortlich für die Sicherung alter Grub-enbaue ist grundsätzlich der Bergwerkseig-entümer. Zuständig für die Gefahrenabwehr aus verlassenen Grubenbauen, die nicht mehr der Bergaufsicht nach § 48 Abs. 3 Ordnungsbehördengesetz (OBG) unterlieg-en und bei denen auch kein Eigentümer mehr ermittelt werden kann, ist das Land NRW.

Auch wenn der aktive Steinkohlenbergbau Ende 2018 auslief, muß die Grubenwass-erhaltung weiterhin aufrecht erhalten werd-en, damit das salzig-braune Grubenwasser nicht so hoch steigen kann, dass es die trinkwasserführenden Schichten erreicht oder auf einsturzgefährdete Schächte trifft, die dann nachgeben. Das betrifft allerdings nach Ansicht von Prof. Dr. Christian Melch-ers von der techn. FH Georg Agricola in Bochum nicht den Süden des Ruhrreviers, da dort, bedingt durch den oberflächen-nahen Kohlenabbau,  keine Gefahr durch an-steigende Grubenwässer bestehen würde. Pro Jahr werden übrigens zwischen 120 bis 140 Tagesbrüche der Bergbehörde ge-meldet, so der Leiter Nachbergbau bei der Abt. 6 Bergbau u. Energie NRW (Bergbe-hörde), Andreas Welz. Die Hälfte geht davon auf das Konto des Bergbaus. Die andere Hälfte ist natürlichen Ursprungs. (Erdspalt-en, Klüfte etc.)

Um die Einsturzgefahren von verlassenen Grubenbauen abschätzen zu können, werden die ehem. Bergbauregionen mit geophysikalischen Messmethoden ( z.B. dem Geo-Radar oder der Geo-Elektrik) er-kundet. Hierzu gehört auch die Prüfung der Bodenbeschaffenheit. Darüber hinaus werd-en regelmäßig Erkundungsbohrungen durchgeführt, die Aufschluss über Abbau-flächen und Hohlräume geben.

Soweit Sie Bergbaugeschädigter sein sollt-en, können Sie sich zwecks Regulierung nach dem Bergschadensregulierungsgesetz postalisch an die RAG wenden. Sie erreichen die RAG unter „bergschaeden@rag.de“ oder über die Hotline 0800 – 27 27 271.

Auskunft Altbergbaugefährdungsbereiche

(02931) 82-3956

Bez.-Reg. Arnsberg, Abt. 6 Bergbau u. Energie in NRW Goebenstr. 25                           44135 Dortmund

www.gdu.nrw.de

Quellenhinweise:

Altbergbau im Ruhrgebiet, RAG (Hrsg.) Essen 2018; Planet Wissen, WDR-Sendung vom 02.10.2018; WAZ vom 12.12.2017; Westfalen-Post vom 04.12.2009;  Pflicht-lektüre.com, Online-Magazin für Stu-dierende vom 30.7.2014; Altbergbau-Gefahrenabwehr, Bezirksregierung Arns-berg, Abtl. 6 Bergbau u. Energie in NRW (Hrsg.); Arnsberg o.J.  sowie RK-Redaktion vom 01.09.2019

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Reserve-Kraftwerke: Bedarf verdoppelt sich

Die Energiewende fordert das Stromnetz zunehmend heraus

In 2015 wurde in § 13 g des Energiewirtschaftsgesetzes (EnWG) festgeschrieben, dass die hochmodernen Braunkohlekraftwerke Buschhaus, Frimmersdorf (Block P und Q); Niederaußem (Block F), Jänschwalde ( Block E und F) sowie Neurath ( Block C) mit einer Gesamtleistung von 2.700 Megawatt (MW) herunterzufahren sind und bis zur endgültigen Stilllegung vier Jahre lang als sog. Kalt-reserve für unvohergesehene Ereignisse betriebsbereit gehalten werden müssen. Die Wiederinbetriebnahme muss innerhalb von 240 Stunden erfolgen. Und warum wurde das per Gesetz beschlossen? Antwort: um einen Beitrag zur Erreichung der nationalen und europäischen (Pariser) Klimaziele zu leisten, weil ansonsten die Klimakatastrophe wegen der C02-Emissionen droht. Daher muß die durchschnittliche Temperaturerhöhung auf 1,5 Grad begrenzt werden. Blöd nur, dass sich die Temperaturen seit Beginn der Industrialisierung im Jahre 1850 gerade einmal um nur ein Grad im Durchschnitt erhöht haben und das es vorher (bis Ende 1800) eine kleine Eiszeit gab und sich von daher gesehen die Temperatur en alle im Normbereich bewegen und ein Klimakipppunkt nicht absehbar ist. Und noch blöder ist, dass es keine einzige evidenzbasierte wissenschaftliche Studie gibt, die den behaupteten signifikanten Zusammenhang zwischen antrophogen verursachten C02-Emissionen und einer behaupteten Klimaerwärmung gibt. (hierzu hatten wir bereits ausführlich berichtet)

Im Gegenteil: der Weltklimarat hat in seinem IPCC-Sachstandsbericht SR-15 von 2018 festgestellt, dass die Global-temperaturen seit 2017 wieder fallen, dass die sommerliche Arktis-schmelze seit 10 Jahren stagniert und das natürliche Prozesse bei den C02-Emissionen eine Rolle spielen. Die RSS-Satellitendaten zeigen ebenfalls seit Beginn der Wetteraufzeichnungen keine Ano-malien. Auch die Analysen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) mit Stand aus 2013 haben im Beobachtungszeitraum 1851 bis 2000 keine Zunahme von extremen Niederschlagsmengen nach-weisen können. Trotzdem sollen die hochmodernen Anlagen still-gelegt werden. Bis 2038 soll die gesamte Braunkohleproduktion eingestellt werden. Die Grünen fordern sogar einen früheren Aus-stieg bis 2030. Parallel dazu wird der Ausbau von Wind-und Solar-anlagen sowie der Netzausbau weiter vorangetrieben. Das hat Folgen für die Netzstabilität. Allein in 2018 mußten rd. 7000 sog. Re-Dispatch-Maßnahmen durchgeführt werden (händische Notbe-wirtschaftungen), um das Stromnetz vor dem Zusammenbruch zu bewahren. Der Grund: durch die Zunahme von volativer Strom-einspeisung kommt es immer öfters zu Schwankungen in den Stromnetzen. Gelegentlich steht der Öko-Strom ausreichend zur Verfügung, meistens gar nicht und dann wieder überschwemmt er an windreichen Tagen das Stromnetz. Dann müssen die Wind-kraftanlagen abgeregelt werden. Bei zu wenig oder fehlendem Wind werden die Kraftwerke herauf-oder heruntegefahren. Das verur-sacht nicht nur Verschleiss, sondern auch Stress und  erhebliche Kosten, die Sie neben den EEG-Umlagen bezahlen müssen.   

  • Versorgungssicherheit

  • gesicherte Energie

  • Umweltfreundlich

  • Verantwortbar

  • bezahlbar

  • Netzstabilität

Und zu allem Übel für die Befürworter der Energiewende kommt die Tatsache hinzu, dass sich der Bedarf an Reservekraftwerken laut Aussage der Bundesnetzagentur bis 2022/23 von 3091 MW (in 2014/15) auf 10.647 MW wegen der Energiwende erhöhen wird. Das entspricht einer Erzeugungskapazität von 10 Atomkraftwerken, die bis 2022/23 ebenfalls alle vom Netz gehen sollen. Allein in 2018 wurden bei der Bundesnetzagentur 98 Kraftwerke zur Still-legung angemeldet. Insgesamt wurden seit Einführung des EEG 110 Kraftwerksblöcke mit einer Gesamtleistung von 22.000 MW stillgelegt. Am Netz sind aktuell lt. Umweltbundesamt mit Stand vom 8.4.2019 noch 312 Kraftwerke. Die Stilllegung kann die Bund-esnetzagentur untersagen, wenn die Anlage für den Betrieb des Stromnetzes unverzichtbar ist. Dann zahlt die Bundesnetzagentur eine Ausgleichsentschädigung an den Betreiber der Anlage. Woher die Reservekraftwerke ab 2022 kommen sollen, ist für die beteiligten Akteure bisher noch unklar. 

Der prognostizierte Bedarf von mehr als 10 Gigawatt Kraftwerks-leistung übersteigt bei Weitem das, was deutsche Kraftwerke ab diesem Zeitpunkt als Kaltreserve zur Verfügung haben, da sie diese gem. dem Gesetz nur 4 Jahre in Reserve halten müssen. Wahr-scheinlich wird man dann ausländische Kraftwerke um Hilfe bitten. Das kann aber kein Dauerzustand sein, denn auch das europäische Ausland benötigt im Winter viel Strom und beteiligt sich am Pariser Klimaabkommen. Will heißen: auch dort werden Kraftwerke reihen-weise stillgelegt, obschon es weit und breit keine Speicher gibt, die Öko-Strom für Dunkelflauten von mehreren Wochen speichern könnten. Es droht also Ungemach, wenn man sich nicht wieder ernsthaft um die Erreichung des bewährten Zieldreiecks „nach-haltig-bezahlbar-sicher“ bemüht. Das bedeutet in Praxi: man wird u. E. um den Bau neuer und umweltfreundlicher Kraftwerke nicht herum kommen. Klimawandel hin oder her. 

Derzeit gelten 27 Kraftwerksblöcke mit einer Leistung von 6.825 MW nach Einschätzung der Bundesnetzagentur als systemrelevant, obschon sie zur Stillegung mangels ausreichender Wirtschaftlich-keit angemeldet wurden. Systemrelevant heißt, dass sie zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit dringend benötigt werden. Die jetzt schon bestehende Deckungslücke zeigt das Dilemma, in der die Netzbetreiber stecken. Der Beitrag der Windkraft zur unverdrossen weiter verfolgten Energiewende zeigt darüber hinaus,  dass mittlerweile zwar rein theoretisch betrachtet schon 30 Mio. Haushalte mit Strom aus Windkraft versorgt werden könnten, tatsächlich aber nur rd. 3 % als gesicherte Energie zur Verfügung gestellt werden können. Das liegt daran, dass die Fach-leute zwischen installierter Leistung und (tatsächlich) gesicherter Leistung unterscheiden. Die tatsächlich im ganzjährigen Betrieb im Mittel gelieferte nutzbare Leistung einer Windmühle beträgt nur ein Vietel ( 1.800 Volllaststunden im Jahr) und  die einer Photovoltaik-Anlage nur ein Achtel ( = 800 Volllaststunden) der installierten Leistung. Das Jahr hat aber 8.760 Stunden. Die Differenz wird bisher ausschließlich von fossilen Kraftwerken ausgeglichen, da diese bedarfsgerecht hoch-und runtergeregelt werden können. Das geht bei Windkraft-und Photovoltaikanlagen nicht. Setzt man z.B. die installierte Leistung aller 30.000 Windkraftanlagen in Bezieh-ung zum Stromverbrauch aller privaten Haushalte, so gewinnt man nach Aussagen der Professoren Dr. Dirk Dubbers, Dr. Johanna Stachel und Dr. Ulrich Uwer vom physikalischen Institut der Universität Heidelberg einen Wert, der 70 mal größer ist als die nutzbare Leistung der Windkraft am gesamten Energieeinsatz. Dieses Beispiel zeigt, so schreiben sie, warum die Bilanz der bisherigen Energiewende so ernüchternd ausfällt. Und eine C02-Reduzierung hat bisher auch noch nicht stattgefunden. Aber das ist weniger wichtig, wie wir aus o.g. Gründen meinen. Derweil brechen in der Kraftwerkssparte die Arbeitsplätze weg. Lediglich 10 neue Kraftwerke befinden sich im Bau mit einer Gesamtleistung von 600 MW. Das reicht vorne und hinten nicht, um eine Unterdeckung in 2023 bei der gesicherten (also ständig zur Verfügung stehenden ) Leistung abzufangen, so auch der Chef des Bundesverbandes der Energie-und Wasserwirtschaft (BDEW), Stefan Kapferer. Um mit dem Eingangsstatement diesen Beitrag zu beenden, sagen wir: blöd nur, das sich auch der BDEW seit Jahren zur unsinnigen Energiewende bekennt.    

Quellenhinweise:

Lüdecke, Horst-Joachim und Klaus-Eckart Puls: zum jüngsten IPCC-Bericht SR-15 von 2018: von Klimakatastrophe keine Spur;  in: Eike.de vom 11.11.2018; Ener-gate-Messenger.de vom 28.09.2018; Ener-gie-Chronik, Udo Leuschner.de (Hrsg.), Febr. 2018; Welt vom 1.4.2019; Dubbers, Dirk, Stachel, Johanna u. Uwer, Ulrich: Energiewende: Fakten, Missverständnisse, Lösungen – Kommentar aus der Physik; Universität Heidelberg, Physikalisches In-stitut vom 9.8.2019; Aktueller Bericht zur Reservekraftwerksleistung, Bundesnetz-agentur vom 30.4.2019 und RK-Redaktion vom 25.08.2019; 

Fotonachweise: ganz oben: Datteln 4 im Bau, nedu 503, pixabay.com; Schiebebilder Mitte: 1.: pixabay.com; 2.:KW-Leitstand; FVS GmbH; 3: Strommast und Geld: M. Schuppich, fotolia-Kauf; 4: Kohleband-strecke: KW Moorburg, Revierkohle; ganz unten links: Rohraufgeber; KW Plattling, E-ON GmbH, Pressefoto

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Politik setzt auf Wasserstoff

sind Wasserstoffautos die Zukunft ?

kimaneutraler Wasserstoff

freie Fahrt für Elektrolyseure

Es klingt wundervoll: Wasserstoffautos sind leise, stoßen keine Abgase aus, sind nach ein paar Minuten wieder vollgetankt und fressen reichlich Kilometer. Autos mit Brennstoffzellen scheinen der perfekte Antrieb der Zukunft zu sein. Die Bundesregierung rückt daher Wasserstoff für ihre weiteren Pläne ab Oktober in das Zentrum Ihrer Energiewendepolitik. Doch wie erfolgreich kann sie damit sein ? 

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  • was für H20 spricht

    lange Reichweiten. Wasserstoff ist unbegrenzt. Wenig Platinverbrauch. Keine schwere Batterie. C02 neutral. Schnelle Ladezeit.
  • was gegen H20 spricht

    Teure Herstellung. Fehlende Infrastruktur. Explosivität bei Undichte. Wasserstoff ist teurer als Strom.
  • 350.000

    Durch die massenhafte Herstellung von Elektrolyseure sollen rd. 350.000 neue Arbeitsplätze entstehen.

Zum 1. Jan. 2019 registrierte das Kraft-fahrt-Bundesamt ganze 392 Neufahr-zeuge, die mit Wasserstoff betrieben werd-en. Insgesamt sind in Deutschland 57,3 Mio. Autos zugelassen. 83.175 E-Autos fahren derzeit mit einer Batterie durch die Lande. Der Marktanteil für Autos mit Brennstoffzelle liegt somit bei ganzen 0,0007 %. Das will die Bundesregierung nun ändern. Gasförmige Energieträger sollen großflächig im Verkehr, in der Industrie, in Gebäuden und bei der Strom-erzeugung eingesetzt werden. Wasser-stoff soll darüber hinaus Erdgas nach 2030 kontinuierlich ersetzen.

Wir halten dieses Unterfangen für sport-lich-ambitioniert, weil das Hauptinteresse der Förderung auf der Herstellung von klimaneutral hergestelltem Wasserstoff liegt. Und das wird es auf absehbare Zeit u. E. nicht geben. Jedenfalls nicht in der gewünschten Menge und zu akzeptablen Preisen. Doch bevor wir darauf näher eingehen, wollen wir zunächst die Frage beantworten: „was ist Wasserstoff und wie wird dieser hergestellt?“

Wasserstoff ist ein chemisches Element und Bestandteil des Wassers sowie fast aller organischen Verbindungen. Sein Iso-top (Atomart) besteht aus einem Proton und einem Elektron (atomare Bausteine) und ist ein farb-und geruchloses Gas. Um aus Wasser Wasserstoff zu gewinnen, setzt man, vereinfacht gesagt, ein Wass-erbecken unter Strom. Dann steigt an der Kathode (= Elektrode, an der Elektronen einem System, z.b. einem Elektrolyt, zuge-fügt werden) Wasserstoff und an der Anode (= Elektrode, die aus einem Vakuum freie Elektronen aufnimmt und Oxidationsreaktionen auslöst) Sauerstoff auf. Führt man Wasserstoff und Sauer-stoff wieder zusammen, wird via Brenn-stoffzelle Strom und Wasser erzeugt. Wasserstoff bildet beim Austreten ab 15 % ein hochexplosives Gemisch mit der Um-gebungsluft. Ansonsten verflüchtigt sich Wasserstoff wegen seiner Leichtigkeit sehr schnell. (14 mal leichter als Luft) Daher wird Wasserstoff in Druckspeichern durch Verdichtung auf 40 bar und in Flüssiggasspeicher durch Kühlung und Verdichtung gelagert. Das Speichersystem besteht aus einem Elektrolyseur, einem Druckspeicher, einer Brennstoffzelle und einer Wasserstoffturbine, die entweder an einem Gaskraftwerk oder an einem Block-heizkraftwerk angeschlossen ist, das Strom und Wärme produziert. Der Strom soll ab 2050 zu 80 %  mit Hilfe von Wind-kraftanlagen erzeugt werden. So will man Wasserstoff klimaneutral erzeugen. 

Wasserstoff und synthetische Gase

Einsatz in der Stahlbranche

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Wasserstoff soll in Zukunft auch bei der Stahlerzeugung eine größere Rolle spielen. Bisher wird Stahl mit Hilfe von Kokskohle als Brennstoff und Reduktionsmittel produziert. Verwendet man Wasserstoff statt Koks, so die Vorstellung, entsteht kein C02 mehr. Damit will man die Kosten für die C02-Emissionszertifikate reduzieren. Bei der Stahlerzeugung wird bei extrem großer Hitze das Eisenoxid im Erz von Sauerstoff befreit und damit zu metallischem Eisen reduziert. Um die hohe Hitze von 1620 Grad erzeugen zu können, braucht man bisher Kokskohle und in Elektorstahlwerken Gas. Die Alternative Wasserstoff will man aus Gichtgasen gewinnen, welches bei der Direktreduktion anfällt. Zu einem späteren Zeitpunkt will man Wasserstoff aus regenerativen Energieträgern einsetzen. ArcelorMittal und Konkurent Salzgitter AG betreiben zwei Testanlagen, um Wasserstoff für die Stahlherstellung einsetzen zu können. Thyssen-Krupp plant ebenfalls ein Wasserstoffprojekt . Obschon das ArcelorMittal- Forschungsvorhaben rd. 65 Mio. EUR kostet und von der Uni Freiburg begleitet wird, ist der Erfolg noch längst nicht ausgemacht. 

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Warum bis zur erfolgreichen und bezahlbaren Umsetzung das Thema Wasserstoff noch einen langen Weg vor sich hat, wollen wir anhand der Brennstoffzelle für das Auto verdeutlichen.

Problem 1: Energieverluste

 

Bei der Herstellung von Wasserstoff zerlegt der Elektrolyseur Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Für diese Trennung werden rd. 70 % Stromenergie benötigt. Anschließend muß das gewonnene Gas komprimiert, transportiert und zum Betanken auf Minus 40 Grad heruntergekühlt werden. In der Brennstoffzelle eines Autos muß der Wasserstoff dann wieder in Strom umgewandelt werden, der den Elektromotor (statt Batterie) mit Strom versorgt.  Dadurch entstehen weitere Umwandlungsverluste. Von dem ursprünglichen Wirkungsgrad von rd. 65 % bleiben somit nur 20 % übrig. Und da Windstrom kontinuierlich nicht zur Verfügung steht, muß Wass-erstoff aus Erdgas, Öl oder Kohle gewonnen werden. Der C02-Effekt ist damit gleich Null. 

Problem 2: Drucktanks

Im Gegensatz zu einer Lithium-Ionen-Batterie, die zwischen 125 und 200 Wattstunden pro Kilogramm an Energiedichte besitzt, passen bei einem 700 bar Wasserstoff-Drucktank rd. 900 Watt-stunden pro Kilogramm rein. Das entspricht einer 3,5 fach höheren Energiedichte. Da der Drucktank aber dick ummantelt sein muß, ist er recht sperrig. Daher passt bei einem Mercedes GLC-Typ unter dem Mitteltunnel auch nur ein Drucktank, der 4,5 Kilogramm Wass-erstoff fassen kann. Aus Gründen der Sicherheit werden derzeit keine größeren Tanks als 6 kg Wasserstoff verbaut. Damit kommt man dann aber auch nicht mehr auf 1000 Kilometer pro Tank-füllung weit, sondern nur noch höchstens 500 Kilometer, je nach Fahrweise, Witterungsverhältnissen  und Beladungszustand. Die Mercedes-Studie GLC-F-Cell brachte es im langsam gefahrenen Testzyklus gerade einmal auf 437 Kilometer Strecke plus 49 km Batterie-Reichweite. In der Praxis dürfte die Reichweite daher wahrscheinlich unter 400 Kilometer liegen. Die Tankladezeit lag  bei rd. 10 Minuten. Die Schlangen vor den H20-Tankstellen dürften täglich mehrere Hunderte von Metern lang werden. Das wird die  Stimmung bei den Wartenden nicht gerade heben.

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Problem 3: fehlende Infrastruktur

2016 existierten auf der Welt lediglich 260 Wasserstoff-Tankstellen. Bis 2023 sollen in Deutschland 400 H2-Tankstellen entstehen. Mit flächendeckender Versorgung hat das allerdings nichts zu tun. Und das kommt auch nicht von ungefähr, denn der Bau einer H2-Tankstelle kostet rd. 1 Mio. EUR. Durch raschen Zubau könnten die Kosten nach Angabe von Fachleuten auf rd. 400.000 EUR sinken, dass würde aber voraussetzen, dass immer mehr Autofahrer auf Wasserstoff betriebene Fahrzeuge setzen.

Problem 4: hohe Kosten

Und damit beißt sich die Katze in den eigenen Schwanz. Denn ein wasserstoffbetriebenes Auto ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht unter 60.000 EUR zu haben. Und klimaneutral wäre es genau so wenig wie ein E-Auto mit Batterie. Beide erhalten ihren Strom aus fossilen Kraftwerken. Windstrom wäre nur dann voll einsatz-fähig, wenn er bedarfsgerecht jederzeit zur Verfügung stehen würde. Das setzt eine flächendeckende Speichertechnologie vor-aus, die es auf absehbare Zeit nicht geben wird. Und selbst wenn: Flaute bleibt Flaute. Auch die Tankkosten dürften auf die Ver-braucher eine abschreckende Wirkung entfalten. Die Experten des Ludwig-Bölkow-Instituts für Systemtechnik in Ottobrunn hatten die Kosten für Strom aus Wasserstoff bereits in 2013 auf rd. 0,40 Ct pro Kilowattstunde beziffert. Hinzu kommen weitere Umlagekost-en, Steuern und Gewinn. Damit dürften die Kosten wesentlich höher liegen als bei Benzin oder Diesel. Für ein paar Kilometer mehr an Reichweite rechnet sich die Anschaffung bis auf Weiteres für den Verbraucher genau so wenig wie die Anschaffung eines batteriebetriebenen Elektro-Autos.

Fazit

Sofern Wasserstoff C02-neutral gewonnen werden soll, muß berücksichtigt werden, dass in unseren Breitengraden mit Dunkelflauten von mehreren Monaten im Jahr zu rechnen ist. Daher müßte Windstrom in einer Größenordnung gespeichert werden, der 200 bis 300 Terrawattstunden an Strombedarf abdecken könnte. In der Bundesrebulik betrug die Bruttostromerzeugung in 2018   647 Mrd. kWh. Die umweltfreundlichste Art, C02-frei Energie zu erzeugen, besteht daher nach wie vor per Pedes. Also, liebe Öko-Fans: wenn alle ordentlich in die Pedale treten, dann klappt es mit der Energiewende möglicherweise noch.  Ansonsten muß die Bundesregierung leider wieder einen neuen Subventionstopf aufmachen.

Quellenhinweise:

Göhring, Axel: nach dem Lithium-Gau: jetzt wird halt das Wasserstoffauto gepriesen, in: Eike.de vom 15.09.2019; Blach, Bern-hard: Wasserstoff- eine Alternative zur Kohle?, in: Jahrbuch für Energiepolitik und Montankultur; Revierkohle (Hrsg.), Hamburg 2019, S. 120 ff; Handelsblatt vom 31.07.2019; Der Spiegel vom 27.06. 2019; Welt.de vom 29.03.2019; MDR vom 17.07.2019; Autor-Motor-und-Sport.de vom 07.06.2019; Süddeutsche Zeitung vom 31.03.2018 und RK-Redaktion vom 22.08.2019

H2-Illustration: Mohamed Hassan, pixa-bay.com

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