12.2.2020 Basiswissen Energiewende - Energiespeicher (4)
Der Energieerhaltungssatz [1] besagt, dass die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems sich nicht mit der Zeit ändert.
In der realen Welt muss man sich leider mit den Begriffen "Verluste" und "Wirkungsgrad" auseinandersetzen. Das ist kein Widerspruch zur Theorie, sondern einfach
eine technische Tatsache. Selbst Pumpspeicherkraftwerke arbeiten nicht verlustfrei. Ihr Wirkungsgrad beträgt jedoch 70 % bis 85 % [2]. Die Speichertechnologie ("Power-to-X") die eine
"Energiewende" erst ermöglicht, basiert auf chemischen Prozessen [3], bei denen mit elektrischer Energie aus Wasser und Kohlendioxid die Gase Wasserstoff oder Methan erzeugt werden. Diese können in Gaskraftwerken
wieder in elektrische Energie "gewandelt" werden. Doch die vielen Prozessschritte machen das gesamte Verfahren sehr ineffizient:
- Verwandlung von Drehstrom in Gleichstrom in einem Gleichrichter (Wirkungsgrad 95%)
- Erzeugung von Wasserstoffgas durch Elektrolyse (Wirkungsgrad 75%)
- Synthese von Methangas aus Kohlendioxid und Wasserstoffgas (Wirkungsgrad 80%)
- Einspeicherung von Methangas in unterirdischen Speichern (Wirkungsgrad 98%)
- Betrieb eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerkes (GuD-Kraftwerk) mit dem gespeicherten Methan (Wirkungsgrad 60%) [5]
Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei dieser Rechnung nur bei 33,5 %. Bei Wikipedia [4] wird ein Bereich von 30 % bis 38 % angegeben.
Somit müssen rund 3 kWh von Windrädern oder PV-Anlagen erzeugt werden, damit dem Stromnetz bei Bedarf 1 kWh
aus dem Speicher zur Verfügung gestellt werden kann. Die Differenz von 2 kWh geht aufgrund naturgesetzlich-technischer Gegebenheiten nutzlos verloren.
Wie wirken sich jetzt diese Verluste bei der Berechnung der Speicherkapazität aus?
Grundsätzlich gibt es 3 Parameter zu beachten. Grundlage ist zuerst die Energiemenge, die Windräder und PV-Anlagen erzeugt haben.
Diese bleibt natürlich unverändert.
Der Zweite ist die Speicherkapazität, die möglichst klein sein sollte. Der Grund dafür sind die hohen Verluste, die bei der "Befüllung"
und "Entleerung" des Speichers entstehen.
Der dritte Parameter ist die Energiemenge die man dem Netz permanent einspeisen will. Diese sollte möglichst groß sein.
Der zweite und dritte Parameter beeinflussen sich gegenseitig. Daher habe ich die Berechnung der Speicherkapazität zunächst empirisch ermittelt.
Will man das Ergebnis mathematisch beschreiben, erhält man folgende Formel:
Durchschnittswert = (Gesamtmenge der pro Jahr erzeugten Energie geteilt durch 8760 Stunden) * 0,751
Bei der Berechnung der Speicherkapazität wurde ein Wirkungsgrad von 55,86 % für die Wandlung in Gas angenommen. Die Verluste, die durch die Verbrennung
im Gaskraftwerk entstehen, wurden bei der Rückführung in das Stromnetz berücksichtigt.
Als Ergebnis erhält man den gleichen Verlauf der Speicherkapazität wie bei der Stundenauswertung [6].
Lediglich das notwendige Volumen ändert sich geringfügig.
Fazit
Auch bei der Berücksichtigung von Verlusten ändert sich der prinzipielle Verlauf der notwendigen Speicherkapazität nicht.
Die durchschnittliche Leistung, die dem Netz permanent zur Verfügung stehen würde, beträgt nur noch 13,3 GW (ohne Verluste: 17,7 GW).
Die notwendige Speicherkapazität reduziert sich auf 6,094 TWh oder 6094 GWh (ohne Verluste: 6,243 TWh).
Aktuell stehen in Deutschland Speicher mit einer Kapazität von 0,04 TWh in Form von Pumpspeicherwerken zur Verfügung. [7]
Fortsetzung folgt ...
Reiner Pracht