Zur Effizi­enz der Energie­wand­lung beim Power To Gas Verfahren

Dr. – Ing. Detlef Ahlborn

4. Juli 2014

Wind- und Solar­kraft­werke liefern ein sogenann­tes „volati­les Leistungs­an­ge­bot“, d. h. die ins Netz einge­speiste Leistung unter­liegt witte­rungs­be­dingt sehr großen Schwan­kun­gen. Aus einer Häufig­keits­ana­lyse der Summen­leis­tung aus Wind- und Solar­an­la­gen ist beispiels­weise bekannt, dass diese Leistung zwischen 120 und 26000Megawatt (MW) schwankt und im Jahr 2013 im Mittel bei 5400 MW gelegen hat.

Bei einer instal­lier­ten Nennleis­tung von 62.000MW lag die einge­speiste Leistung an 146 Tagen (also für die Dauer von rund 5 Monaten) im Jahr unter 2900 MW. Die Leistung aus diesen beiden Energie­for­men ist also nicht grund­last­fä­hig. Dieser Zusam­men­hang wurde bereits ausführ­lich betrach­tet und ist unter [1] veröffentlicht.

Heute wird die fehlende elektri­sche Leistung von konven­tio­nel­len und Kernkraft­wer­ken zur Verfü­gung gestellt und es ist abseh­bar, dass Kernkraft in wenigen Jahren nicht mehr zur Verfü­gung steht.

In diesem Zusam­men­hang wird von der Wind- und Solar­lobby immer wieder auf die „Chancen des sogenann­ten Power- To Gas- Verfah­rens“ verwie­sen, wobei man inzwi­schen nur noch von Chancen spricht, schließ­lich sind Lösun­gen, wenn überhaupt, in weiter Ferne.

Dieses Verfah­ren soll hier unter energe­ti­schen Gesichts­punk­ten disku­tiert werden.

Ist Energie gleich Energie?

Energie ist sicher der funda­men­talste Begriff der Physik- Energie gibt es in verschie­de­nen „Erschei­nungs­for­men“, z.B. als Bewegungs­en­er­gie, etwa eines fahren­den Autos, als mecha­ni­sche Energie in einer gespann­ten Feder, und beispiels­weise als Wärme­en­er­gie. Bei der Wandlung von einer Form in die andere ändert sich die Summe der betei­lig­ten Energie­for­men nicht: Die gesamte Energie bleibt immer erhal­ten- diese Aussage bezeich­net man als den Energieerhaltungssatz.

Eine Sonder­stel­lung nimmt die elektri­sche Energie ein: Sie ist nur in sehr kleinen Mengen speicher­bar. Im tägli­chen Gebrauch tritt elektri­sche Energie fast ausnahms­los als „Energie­strö­mung“ in Erschei­nung, etwa bei einem Wasch­ma­schi­nen­mo­tor, der die elektri­sche Energie aus dem Strom­netz bei seiner Rotation konti­nu­ier­lich in die mecha­ni­sche Energie der sich drehen­den Wäsche­trom­mel wandelt.

Energie kann nicht belie­big von einer Form in die andere gewan­delt werden. Während sich elektri­sche, mecha­ni­sche und kineti­sche Energie mit kleinen Verlus­ten problem­los inein­an­der verwan­deln lassen, ist das bei Wärme­en­er­gie nicht der Fall- die Wärme­en­er­gie nimmt hier eine beson­dere Stellung ein. Das soll hier am Beispiel eines Kraft­werks erläu­tert werden:

In einem Wärme­kraft­werk wird in einem Kessel Hochdruck­dampf erzeugt. Die zur Verdamp­fung erfor­der­li­che Wärme wird durch Verbren­nung von Brenn­stof­fen oder durch Kernspal­tung zugeführt. Durch Ausdeh­nung des Dampfes wandelt sich die Druck­ener­gie in Bewegungs­en­er­gie, die dann auf die Turbi­nen­schau­feln übertra­gen wird. Nach der Turbine wird der Dampf im Konden­sa­tor zu Wasser konden­siert. Dieser Prozess wird durch zwei Tempe­ra­tu­ren begrenzt:

Zum einen kann man den Dampf nicht belie­big heiß zufüh­ren, weil die Kessel­rohre den Drücken und Tempe­ra­tu­ren nicht mehr stand­hal­ten, zum anderen muss der Konden­sa­tor noch durch die Umgebung gekühlt werden können. Aus diesem Grund kann der Dampf nicht belie­big weit expan­diert werden und in der Folge kann die Energie des Dampfes nicht vollstän­dig in Bewegungs­en­er­gie verwan­delt werden. Als Kühlme­dium kommt Kühlwas­ser aus Flüssen oder einfach Luft in Frage, die dann durch Kühltürme gelei­tet wird, deren weithin sicht­ba­ren Wasser­schwa­den in der Presse gern mit Kohlen­di­oxid in Verbin­dung gebracht werden.  Die energe­ti­sche Effizi­enz eines Wärme­kraft­werks ist deshalb durch die Ein- und Austritts­tem­pe­ra­tu­ren begrenzt. Sie kann nur durch Steige­rung der Eintritts­tem­pe­ra­tu­ren verbes­sert werden, weil die Kühltem­pe­ra­tu­ren durch die Umgebungs­tem­pe­ra­tu­ren vorge­ge­ben sind.

Dieser funda­men­tale Zusam­men­hang wurde 1829 von dem Franzo­sen Sadi Carnot erkannt und etwa 30 Jahre später entdeckte man darin ein funda­men­ta­les Gesetz der Physik: Den sogenann­ten Zweiten Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik. Dieses Natur­ge­setz beschränkt die Effizi­enz der Wandlung von Wärme­en­er­gie in mecha­ni­sche und elektri­sche Energie. Nach knapp 200 Jahren techni­schen Fortschritts hält ein kombi­nier­ter Gas- und Dampf­pro­zess den absolu­ten Effizi­enz- Weltre­kord mit einem Wirkungs­grad von knapp über 60%, bei dem der Dampf­kes­sel mit der Abwärme einer Gastur­bine beheizt wird. Dieses Kraft­werk kann 60% der Wärme in Strom verwandeln.

Diese Maschine ist keines­wegs eine Erfin­dung des Zeital­ters „erneu­er­ba­rer Energien“- sie wurde bereits vor 100 Jahren von Aurel Stodola vorge­schla­gen und ist im Kraft­werk Irrsching östlich von München realisiert.

Die eingangs aufge­wor­fene Frage, ob Energie gleich Energie ist, muss also im Hinblick auf die techni­sche Nutzung als Elektri­zi­tät verneint werden: Wärme­en­er­gie kann aufgrund des Zweiten Haupt­sat­zes der Thermo­dy­na­mik nicht belie­big in elektri­sche Energie verwan­delt werden. Während Elektri­zi­tät in belie­bige andere Energie­for­men wandel­bar ist, ist die Effizi­enz der Energie­wand­lung von Wärme in Elektri­zi­tät durch dieses funda­men­tale Natur­ge­setz begrenzt.

Nach den Vorstel­lun­gen einiger Profes­so­ren sollen kombi­nierte Gas- Dampf­pro­zesse eine Schlüs­sel­rolle bei der Speiche­rung überschüs­si­ger Energie aus Solar- und Windkraft­wer­ken spielen: Durch die Schwan­kun­gen der Windge­schwin­dig­kei­ten entsteht eine stark schwan­kende Leistungs-Einspei­sung, die schon heute an manchen Tagen nicht mehr in vollem Umfang genutzt werden kann. Ähnlich verhält es sich mit Solar­kraft­wer­ken, die an sonni­gen Tagen um die Mittags­zeit für extreme Leistungs­spit­zen verant­wort­lich sind, um wenige Stunden später während der Nacht völlig auszu­fal­len. Mit dem weite­ren Ausbau der sogenann­ten erneu­er­ba­ren Energien ist bereits heute abseh­bar, dass die überschüs­sige elektri­sche Energie der Einspei­sungs- Leistungs­spit­zen sehr bald mangels Verbrau­chern nicht mehr nutzbar sein wird.

Beson­ders prekär sind die typischen Hochdruck­wet­ter­la­gen im Zeitraum zwischen Novem­ber und Januar. Hier fallen beide Solar- und Windkraft­werke regel­mä­ßig völlig aus. Deren Einspei­sung sinkt dann auch in der Summe auf Werte in der Nähe von Null. Faktisch bedeu­tet das den Total­aus­fall der Einspeisung.

Schon in den siebzi­ger Jahren ist der Gedanke vorge­tra­gen worden, überschüs­sige („erneu­er­bare“) elektri­sche Energie durch Elektro­lyse von norma­lem Wasser in Wasser­stoff­gas und damit in chemi­sche Energie zu verwan­deln und dieses Gas zu speichern, um bei Bedarf ein Wärme­kraft­werk damit zu behei­zen und so wieder in elektri­sche Energie zu verwan­deln. Aus verschie­de­nen Gründen ist Wasser­stoff­gas nur mit großem Aufwand speicher­bar. Deshalb wird der Elektro­lyse als weite­rer Prozess­schritt die sogenannte Metha­ni­sie­rung hinzu­ge­fügt. Dabei wird durch Zufuhr von elektri­scher Energie aus Kohlen­di­oxid und Wasser­stoff­gas Methan­gas erzeugt, das im Erdgas­netz problem­los speicher­bar ist. Beide Prozess­schritte sind verlust­be­haf­tet: Bei der elektro­che­mi­schen Erzeu­gung des Brenn­ga­ses Methan gehen unter optimis­ti­schen Voraus­set­zun­gen mindes­tens 35% der ursprüng­li­chen elektri­schen Energie als Abwärme verloren.

Vom Stand­punkt der effek­ti­ven Nutzung der belie­big wandel­ba­ren elektri­schen Energie hat dieses Verfah­ren ungefähr die Logik, den Dampf­kes­sel eines Wärme­kraft­werks mit einem elektri­schen Tauch­sie­der zu behei­zen. Der Unter­schied besteht hier darin, dass nach dem Metha­ni­sie­rungs­pro­zess ungefähr 65% der elektri­schen Energie als chemi­sche Energie eines Brenn­ga­ses gespei­chert werden. Eine Tauch­sie­der-Heizung eines Kraft­werks könnte 99% der elektri­schen Energie als Wärme nutzen.

Weil die ursprüng­li­che elektri­sche Energie in chemi­sche Energie eines Brenn­ga­ses gewan­delt und als solche gespei­chert wurde, kann man durch die Verbren­nung dieses Gases in einem Wärme­kraft­werk nur einen Teil dieser chemi­schen Energie  zurück in Elektri­zi­tät wandeln. Diese Tatsa­che  ist keines­wegs mangeln­der Ingenieurs­kunst, sondern der beschränk­ten Wandel­bar­keit der Energie­form Wärme und damit schluss­end­lich dem  Zweiten Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik geschul­det. An dieser Tatsa­che werden alle Forschungs­an­stren­gun­gen zur Verbes­se­rung der Effizi­enz des Power To Gas Verfah­rens nichts ändern: Aufgrund des Zweiten Haupt­sat­zes der Thermo­dy­na­mik liegt die bestmög­li­che Effizi­enz des Verfah­rens schon heute fest. Die beliebte Politi­ker-Forde­rung, man müsse hier die Forschung inten­si­vie­ren, lässt allen­falls auf bestür­zende Unkennt­nis der Zusam­men­hänge schließen.

Da diese Wärme­kraft­werke bei der Stützung des elektri­schen Netzes aufgrund der Schwan­kun­gen der Einspei­sung aus sogenann­ten erneu­er­ba­ren Energien im Lastwech­sel­be­trieb gefah­ren werden müssen, sind Wirkungs­grade bei der Verstro­mung des Brenn­ga­ses über 40% von großem Optimis­mus getragen.

Von der überschüs­si­gen elektri­schen Energie der Leistungs­spit­zen bleiben nach den Verfahrensschritten

• • Elektro­lyse
  • Methan­gas- Erzeugung
  • Methan­gas­ver­bren­nung und Rückverstromung

also unter günsti­gen Bedin­gun­gen 25% bis 30% übrig. Die verblei­ben­den 75% fallen im Prozess als Abwärme an. Vor diesem Hinter­grund ist es physi­ka­lisch unzutref­fend, von Speiche­rung zu sprechen- vielmehr handelt es sich eher um eine Reste­ver­wer­tung hochwer­ti­ger elektri­scher Energie.

Um nun elektri­sche Energie unter­bre­chungs­frei zur Verfü­gung zu stellen, sollen nun mit elektro­che­misch herge­stell­tem Methan befeu­erte Stütz­kraft­werke einsprin­gen, wenn Solar- und Windener­gie ausfal­len. Die grund­sätz­li­che Anord­nung ist in Abbil­dung 1 darge­stellt. Die aus Solar- und Windkraft­wer­ken gewon­nene elektri­sche Leistung fließt direkt in das Strom­netz, erst wenn die Erzeu­gungs­leis­tung die Netzleis­tung übersteigt, wird die elektri­sche Energie den Anlagen zur Metha­ni­sie­rung zugeführt.

Abbil­dung 1: Netzbe­trieb mit Wind- und Stützkraftwerken

Nun unter­liegt die zufäl­lige Einspei­sung aus „volati­len“ Quellen erheb­li­chen Leistungs­schwan­kun­gen. Diese Proble­ma­tik ist in [1] ausführ­lich darge­stellt. Aufgrund funda­men­ta­ler Zusam­men­hänge der mathe­ma­ti­schen Statis­tik wird sich an der statis­ti­schen Struk­tur der Einspei­sung durch den Ausbau der Windkraft nichts Wesent­li­ches ändern. Es lässt sich mit statis­ti­schen Metho­den nachwei­sen, dass die Leistungs­spit­zen durch den Zubau weiter anwach­sen werden [2].

Überschüs­sige Leistung

Beim heuti­gen Mix aus Wind- und Solar­ener­gie liegt die zufäl­lig erzeugte Leistung während 38 % der Betriebs­dauer über dem Durch­schnitts­wert, d. h. die mittlere Leistung wird sehr häufig überschrit­ten. Wenn man ein Netz mit einem konstan­ten Leistungs­be­darf betrei­ben will, wird die Netzleis­tung also häufig überschrit­ten. Ein großer Teil der einge­speis­ten elektri­schen Energie aus Wind- und Solar­an­la­gen muss dann also den Umweg über den Speicher nehmen. Mit allen Konse­quen­zen für Wirkungs­grad und Verluste.

Weil die in der Einspeise-Leistung enthal­tene Energie als Fläche unter der Leistungs­kurve gedeu­tet werden kann, hat das zur Folge, dass ein großer Teil der Energie überschüs­sig ist und entwe­der verwor­fen oder gespei­chert werden muss.

Abbil­dung 2: Überschuss- Leistung und ‑Energie

Diese Tatsa­che ist in Abbil­dung 2 für eine typische wetter­be­dingte Überhö­hung der Einspeise-Leistung darge­stellt. Je höher der Maximal­wert einer Schwan­kung ist, desto mehr Energie muss den Prozess der Elektro­lyse, Metha­ni­sie­rung und Rückver­stro­mung durch­lau­fen. Gleich­zei­tig müssen die Anlagen für diesen Prozess in der Lage sein, diese großen Leistun­gen auch aufzu­neh­men. Da die Einspeise-Leistungs­kur­ven bei hohen Leistungs­wer­ten immer schma­ler zusam­men laufen, werden die Erträge immer kleiner, je mehr Leistun­gen man zur Metha­ni­sie­rung aufbaut. Ein Teil der Energie muss dann immer durch Abrege­lung verwor­fen werden, weil eine Verwer­tung unwirt­schaft­lich ist.

Abbil­dung 3: Auftei­lung der Überschuss-Leistung

Diese Situa­tion ist in Abbil­dung 3 darge­stellt: Das Strom­netz kann 36% der Energie unmit­tel­bar aufneh­men, der Betrag an überschüs­si­ger Energie beträgt 64%. Dieser Anteil teilt sich auf in 52% der Energie, die dem Metha­ni­sie­rungs­pro­zess zugeführt wird und 12% des Betra­ges, der abgere­gelt wird.

Abbil­dung 3 zeigt auch, dass erheb­li­che Kapazi­tä­ten bzw. Nennleis­tun­gen für die Elektro­lyse und Metha­ni­sie­rung geschaf­fen werden müssen, um die überschüs­sige Leistung energe­tisch überhaupt verwer­ten zu können. Wie oben bereits ausge­führt, beträgt der gesamte Wirkungs­grad bei der Metha­ni­sie­rung und Rückver­stro­mung unter günsti­gen Bedin­gun­gen 30%, d. h. von den 52% elektri­schen Energie, die dem Speicher­pro­zess zugeführt wird, bleiben nach der Rückver­stro­mung weniger als 16% übrig.

Diese Betrach­tung verdeut­licht, dass durch das Zusam­men­spiel der zufäl­li­gen Einspei­sung mit dem Speicher­sys­tem und dem Netz insge­samt rund 50% der ursprüng­li­chen elektri­schen Energie aus Solar- und Windkraft­an­la­gen durch Abrege­lung und Wandlungs­ver­luste verlo­ren gehen. Dem gesam­ten System aus elektri­schem Netz und Speicher muss also der doppelte Betrag an elektri­scher Energie zugeführt werden, den das Netz braucht.

Derweil Glühbir­nen ob ihrer Abwär­me­ver­luste in Europa verbo­ten sind, werden von Hochschul­in­sti­tu­ten Millio­nen­be­träge sinnlos an einem Verfah­ren verforscht, bei dem die Grenzen der Effizi­enz aufgrund von unumstöß­li­chen Natur­ge­set­zen a priori schon lange feststehen.

Abbil­dung 4: Auftei­lung der überschüs­si­gen Energie in Abwärme und nutzbare elektri­sche Energie

Da der Energie­be­darf des Strom­net­zes die vorge­ge­bene Größe ist, müssen folglich die Erzeu­gungs­ka­pa­zi­tä­ten verdop­pelt werden, um die Abwär­me­ver­luste beim Power To Gas- Verfah­ren zu decken.

Es ist eine Irrefüh­rung der Öffent­lich­keit, bei solcher Fakten­lage überhaupt noch von Speiche­rung zu sprechen, schließ­lich sollten die Zusam­men­hänge zumin­dest jedem Ingenieur klar sein, der mal eine Vorle­sung in Thermo­dy­na­mik besucht hat.

[1] Inter­net­ver­öf­fent­li­chung: www.vernunftkraft.de/statistik/

[2] Inter­net­ver­öf­fent­li­chung: www.vernunftkraft.de/windkraft-versus-wuerfeln/