Carnot-Batterien aus Steinen sollen es richten
Seit Jahrzehnten versucht man erfolglos, große Stromspeicher zu entwickeln. Mit der Einführung des EEG im Jahre 2000 wird nun den regenerativen Energie-trägern das Wort geredet. Da sie aber völlig unwirtschaftlich arbeiten, werden sie von der Politik mit rd. 25 Mrd. EUR pro Jahr auf Kosten des Steuerzahlers subventioniert. In 2018 waren es bereits 368 Mrd. EUR. Das Institut für Wett-bewerbsökonomik an der Uni Düsseldorf geht davon aus, dass die Kosten bis 2025 auf 520 Mrd. EUR steigen werden. Ohne Offshore und Netzausbaukosten. Mit dem weiteren Ausbau von Windkraftan-lagen wird an manchen Tagen im Jahr mittlerweile wesentlich mehr Strom hergestellt, als benötigt wird. Um die Netze vor Überlastung zu schützen, werden die Anlagen regelmäßig herunt-ergefahren und der überschüssige Strom ins Ausland verschenkt. Das das noch un-wirtschaftlicher ist, leuchtet jedem ein. Daher besteht die Notwendigkeit, große Speicher zu bauen, die auch in Flaute-perioden ( das ist in 8 Monaten im Jahr der Fall) Strom für einige Wochen speichern und wieder in das Netz ein-speisen können. Alle Versuche sind bis-her über einen Testversuch bzw. über eine Versuchsanlage nicht hinausge-kommen. Nun sollen Vulkangesteine und Gigabatterien es richten.
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hatte auf der Hannover-Messe 2018 einen Energiespeicher im Gigawatt-Maßstab vorgestellt. Es handel-te sich dabei um eine sog. Carnot-Batterie, die den nicht benötigten Öko-Strom über mehrere Tage speichern soll. Grundlage dieser Technik bildet das Power-to-Heat-Verfahren. Dabei wird üb-erschüssiger Ökostrom in Wärme umge-wandelt und in einem Wärmespeicher zwischengeparkt. Die Wärme wird bei Be-darf dann wieder in Strom zurückver-wandelt. Die Umwandlung geschieht mit Hilfe einer Hochtemperaturpumpe. Die zwischengebunkerte Wärme wird in Wasser oder Flüssigsalz gespeichert und bei Bedarf mittels eines Wärmekraft-prozesses in Strom zurückverwandelt. Je nach Medium und Anlagenkonfiguration liegen die Wirkungsgrade bei 34 bis 75 %. Der Carnot-Prozess ist Übrigens keine neue Erfindung des DLR, sondern wurde schon 1824 von Nicolas Leonard Sadi Carnot entworfen. Er legte auch den Grundsdtein für die Thermodynamik.
Carnot-Giga-Batterien sollen das Strom-netz entlasten, Redispatch-Maßnahmen reduzieren (händische Notbewirtschaft-ung zur Abwendung eines Blackouts) und bis zu 900 Megwatt Strom liefern für mehre Tage. Die Kosten für einen solchen Großspeicher liegen pro Batterie bei einer Mrd. EUR. Siemens-Gamesa hat im Hamburger Hafen Anfang März 2019 einen Großwärmestromspeicher auf der Basis von 1000 Tonnen Vulkangestein in einer 2000 Kubikmeter großen und ex-trem gut isolierten Halle in Betrieb ge-nommen. Ein mit Überschussstrom aus einer naheliegenden Windkraftanlage betriebener Riesenfön erhitzt Luft auf 600 Grad Celsius. Die erhitzte Luft strömt dann durch die Vulkansteine und wird im Inneren der Steine gespeichert. Wird Strom benötigt, wird erneut heiße Luft durch die Steine geleitet. Diese heizt sich auf und erzeugt in einem Wärmetauscher Dampf. Dieser Dampf setzt dann den Generator in einem Kraftwerk in Beweg-ung, der dann Strom produziert. Neben der Speicherung in Form von Wärme in Salz, Wasser, Flüssigmetall oder Beton ist der Carnot-Wärmespeicher auf der Basis von Vulkangestein am weitesten fortgeschritten.
Bedeuten die Giga-Carnot-Batterien, die vor allem als sog. Netzbooster eingesetzt werden sollen, das Ende der fossilen Kraftwerke ? Wir glauben das nicht, denn diese Technik steckt noch in den Kind-erschuhen und hat einige entscheidende Kinderkrankheiten. Mit der flächendeck-enden Einführung von Großbatterien, egal auf welcher technologischen Basis, würde das bestehende Stromnetz bis an den Rand seiner Leistungsfähigkeit ge-bracht werden. Das würde die Gefahr ein-es Netzzusammenbruchs ernorm be-schleunigen, da von den geplanten 7.700 Kilometern an weiteren Stromleitungen erst ein achtel bisher realisiert wurden. Die Netzbetreiber sind der Meinung, dass noch weitere 4.500 Kilometer an Neu-und Umbauten hinzukommen müssen, um den Regierungsvorgaben von 65 % Öko-Strom bis 2030 gerecht werden zu können. Bis 2050 müssen sogar bis zu 35.000 Streckenkilometer neu gebaut bzw. ertüchtigt werden.
Eine höhere Auslastung der bestehenden Netzinfrastruktur würde ferner voraus-setzen, dass die Netzbetreiber engstens zusammenarbeiten, um benötigten Strom binnen Sekunden zur Verfügung zu stellen. Das wäre eine organisatorische Herkulesaufgabe. Aber selbst wenn man unterstellt, das der Weg zurück in die Steinzeit mit deutscher Gründlichkeit gelingen sollte, bleibt ein anderes Problem bestehen: wenn nicht genug Wind weht und zu wenig Sonne scheint, kann man auch keinen Strom speichern. Das Center of Automotive Management im gemütlichen Bergisch-Gladbach sowie die RWE-Tochter Innogy sehen darin kein Problem. Sie gehen davon aus, dass das Stromnetz auch dann stabil weiterläuft, wenn bis 2030 rd. 10,5 Mio. E-Autos auf deutschen Strassen rollen werden. Dafür bräuchte man allerdings rd. 20 % mehr Strom und rd. 300.000 neue Ladestationen.
Dieser müßte darüber hinaus auch für eine Dunkelflaute von mehreren Wochen gespeichert zur Verfügung stehen, falls alle Grundlastkraftwerke und der Braun-kohletagebau im Zuge der Energiewende abgeschaltet werden sollten. Und falls auch dieses Problem gelöst werden sollte, bleibt ein noch viel größeres technisches Problem bestehen: Onshore-Windparks haben eine geringe Energie-dichte pro Flächeneinheit. Sie beträgt nur ein zehntel von der von Solaranlagen.
Nach einer Studie von Lee Miller und David Keith von der Harvard-Universität (Environmental Research Letters, 2018) ist die Energiedichte umso geringer, je größer die Windparks werden. Sie erklären das in der Studie mit dem zu-nehmenden Windschatten hinter den Windturbinen. Besonders in der Nacht würden aufgrund des Windschattens die Oberflächentemperaturen steigen. Die Windturbinen würden die Luft vom Boden und die kältere Luft von oben vermischen und das führt zu einer Verlangsamung der Luftbewegungen. Hinzu kommt ein finanzielles Problem: pro Kilowattstunde Strom aus Windkraft muss wesentlich mehr Material und damit mehr Energie investiert werden als bei Kraftwerken, die Strom aus Kohle produzieren. Während bei einer modernen Batterie die Ener-giedichte bei 3 Mj pro kg liegt ( 8 x 10 -7 zum Quadrat GWh/kg), liegt die Ener-giedicht bei Braunkohle bei 25 Mj/kg (7 x 10- 6 zum Quadrat GWh/kg), was einem Heizwert von 2,2 kWh pro kg entspricht. Bei Steinkohle liegt die Energiedichte, je nach Steinkohleart, bei 29 bis 32,7 Mj/kg, was einem Heizwert von 7,5 bis 9 kWh/kg entspricht. Bei solchen Werten ist es dann auch schon fast egal, ob die Wärme aus dem Vulkanspeicher verlust-frei zur Dampferzeugung eingesetzt werden kann oder nicht. Wenn die geplante C02-Steuer eingeführt werden sollte und diese pro Tonne C02 mindestens 100,00 EUR kostet sollte, anstatt der bisherigen 13,00 EUR, dann könnte diese Technik an Bedeutung ge-winnen. Ob dann auch der Gesamtbedarf von rd. 500 Terrawatt an Strom im Jahr bundesweit mit diesen Speichern ge-deckt werden kann, wagen wir mal vorsichtig anzuzweifeln. Schließlich ist das Portmonnaie des bundesdeutschen Michels nicht endlos plünderbar.
Quellenhinweise:
insm.de (Institut für eine neue soziale Marktwirt-schaft) vom 10.10.2016; Welt.de vom 10.10. 2016; Telepolis vom 10.10.2018, in: Heise.de; Scinexx.de vom 28.6.2019; Wikipedia: Erläuterungen zum Carnot-Prozess; VDI-Nachrichten vom 3.5.2018; Ingenieur.de vom 7.2.2019 und 16.3. 2019; Handelsblatt vom 1.6.2018; Energiefachma-gazin.de vom 25.6.2019; Golem.de vom 19.6.2019; Der Spiegel vom 11.02. 2019; Irrtum-Elektroauto.de vom 10.9.2018; Zeit-Online vom 02.07.2019 sowie RK-Redaktion vom 4.7.2019.
Fotos: oben: grüner Fuß-abdruck: Colin Behrens; Schwarz-Weiß-Windkraft-anlage: Colin Behrens; Vulkangestein: analogicus; Mitte: Auge: Gerd Altmann, alle: pixabay.com
