| Ist der
deutsche Weg gangbar?1) |
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Die Einzelheiten des
"deutschen Wegs" sind im Energiekonzept niedergelegt, auf
das ich in einem  Hauptkapitel
eingegangen bin. In diesem Sonderkapitel beschäftige ich
mich allein mit der Frage, ob dieses Energiekonzept mithilfe
der verfügbaren Ressourcen (Rohstoffe, Fläche, Energie, etc)
realisierbar erscheint und ob es sich auf die Welt
übertragen lässt. |
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| Der primär entscheidende Parameter ist
natürlich die Bevölkerungszahl, die in Deutschland bis zum
Jahr 2050 etwa konstant bei 80 Mio. verharrt, in der Welt
aber auf 10 Mrd. ansteigen wird. Auf der Welt leben dann
125mal mehr Menschen als in Deutschland und dieser Faktor
allein besagt schon (ohne eine weitere detaillierte
Rechnung, die später erfolgt), dass das Konzept nicht eins
zu eins übertragbar ist: Ein Großteil der Menschheit würde
in seiner momentanen Lage verharren müssen, damit
Deutschland sein Energiekonzept verwirklichen kann. Dies
einzugestehen, ist politisch nicht erwünscht, aber es ist
eine Tatsache! |
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Laut Energiekonzept wird Deutschland im Jahr
2050 einen Primärenergiebedarf von PEB = 2000 TWh/a
haben, von denen 1000 TWh/a aus erneuerbaren Quellen gedeckt
werden sollen. Gehen wir davon aus, dass Windkraftanlagen
(WKA) und Fotovoltaikanlagen (PVA) die dominierenden Quellen
waren, die im Jahr 2020 mit einem  Anteil von 23.7%, bzw. 9.2% an der
Versorgung mit elektrischer Energie beteiligt waren. Das
bedeutet (unter Berücksichtigung der i.W. konstanten
Kapazitätsfaktoren  = 0.2 für WKAs und = 0.1 für PVAs), dass folgende Leistungen
installiert waren bzw. installiert sein müssen:
Die installierten elektrischen
Leistungen von WKAs und PVAs in den Jahren 2012
und 2050. Die letzte Zeile zeigt den tatsächlichen, bzw.
geplanten Bedarf an elektrischer Leistung .
Mit anderen Worten, die installierte Leistung aller WKAs und PVAs muss sich jeweils von ca. 60 GW innerhalb von 30 Jahren verfünffachen auf ca. 300 GW. Diese Zeit ist allerdings nicht die maßgebende Zeit, maßgeblich ist die Lebensdauer der Anlagen, die mit 20 Jahren angenommen wird und die bestimmt, wie viel Ressourcen erforderlich sind, um das Energiekonzept zu verwirklichen2). Und damit die Versorgung gesichert ist, muss wegen der Energiefluktuationen gleichzeitig
eine Speicherkapazität von 51 TWh
aufgebaut werden. Wie diese Anforderung mithilfe der
Wasserstofftechnologie erfüllt werden kann, habe ich hier untersucht. In diesem
Sonderkapitel soll die Alternative, die Energiespeicherung
mittels Akkumulatoren (Li-Akku) untersucht werden. |
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| Im Folgenden werden die
Ressourcenanforderungen für die 3 tragenden Säulen des
Energiekonzepts (WKA, PVA, Li-Akku) berechnet. Hierbei
handelt es sich um Abschätzungen, welche auf den im Internet
erhältlichen Informationen basieren. Es ist durchaus
möglich, dass die Schätzwerte um einen Faktor 2 zu niedrig
oder zu hoch ausfallen - hier geht es um Größenordnungen,
welche die Hindernisse beleuchten, die sich dem "deutschen
Weg" entgegenstellen. |
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| Windkraftanlagen (WKA) Es muss unterschieden werden zwischen Anlagen, die an Land (onshore) oder in der See (offshore) errichtet werden. Für Onshore-Anlagen gehe ich von einer mittleren Leistung Pon = 2.5 MW aus, die Rotoren haben einen Radius Ron = 65 m und die Nabenhöhe beträgt h = 120 m. Für Offshore-Anlagen beträgt die mittlere Leistung Poff = 4.3 MW und der Rotorenradius Roff = 85 m. Damit sich WKAs nicht gegenseitig stören, benötigen sie eine Standfläche, die mindestens 25 mal so groß sein muss wie die Rotorfläche (A =  R2).Der Turm einer WKA wird gewöhnlich aus Stahl gefertigt, er hat einen effektiven Durchmesser d = 4.5 m und eine Wandstärke dr = 5 cm. Ein besonderes Problem stellt der Generator dar: Moderne WKAs verwenden im Innenläufer Permanentmagnete aus NdFeB, da der Generator dann kompakter und weniger störanfällig ist und auch einen höheren Wirkungsgrad besitzt3). Wie viel Neodym (Nd) benötigt wird, hängt von der Leistung P der WKA ab. Im  Internet
findet man einen Wert von 165 kg Nd pro MW.Auch bezüglich der Investitionen unterscheiden sich Offshore- von Onshore-Anlagen: Erstere sind wesentlich teurer. Bei Offshore-Anlagen
geht man von Investitionskosten in Höhe von 5000 €/kW aus,
bei Onshore-Anlagen
reduzieren sich die Investitionskosten auf 1600 €/kW.Aus der folgenden Tabelle wird ersichtlich, welche Ressourcen für WKAs nach dem Energiekonzept zu Verfügung stehen müssen:
Gesamtfläche
von 48000 km2) und den hohen Investitionskosten.
Und die Methode der Bundesregierung, diese Kosten einfach
per EEG-Umlage auf die Privathaushalte
abzuwälzen, wird bei einer Größenordnung von 75 Mrd. €/a
wohl nicht mehr funktionieren. |
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| Fotovoltaikanlagen (PVA) Das Grundmaterial der Fotodioden, aus denen die PVA-Elementarzelle mit einem Basisvolumen von BxLxH = 12.5x12.5x0.05 cm3 entsteht, ist Silizium (Si), das in einem energetisch aufwändigen Prozess aus Quarz (SiO2) gewonnen wird. Quarz ist eines der, in der Erdkruste am häufigsten vorkommenden Mineralien - sicherlich kein Engpass bei der Realisierung des Energiekonzepts. Silizium ist ein Halbleiter, der durch eine Dotierung
(Verunreinigung) von ca. 10-6 mit P, As, Sb
n-leitend, oder mit B, Al, Ga p-leitend wird. Der
Fotoeffekt, auf dem die Funktion der PVA basiert, muss in
der  Sperrschicht
zwischen n- und p-leitendem Silizium stattfinden. Der
Wirkungsgrad dieses Wandlungsprozesses von Solar- in
elektrische Energie beträgt  = 0.15. Dieser Wert und der Wert I
= 8000 kWh a-1 m-2 der maximalen Sonnenintensität
auf der Erdoberfläche sind schließlich bestimmend, wie viele
Elementarzellen installiert und wie viel Standfläche in
Deutschland für PVAs mindestens reserviert werden müssen
(siehe Tabelle unten).Die Masse einer Elementerzelle aus polykristallinem Silizium beträgt m  0.02 kg. Zur Herstellung wird eine Energie von
ca. 150 kWh pro kg benötigt,
nicht berücksichtigt ist der Energiebedarf, der bei der
Weiterverarbeitung entsteht (z.B. Dotierung, Kontaktierung,
etc). Im Internet findet sich ein Hinweis,
dass dies den Energiebedarf etwa verdoppelt. Daraus
resultiert eine "energy payback time" von ca. 3 a für die
hier untersuchten PVAs.Die Investitionskosten
für eine PVA liegen z.Z. bei ca. 1600 €/kW, dies schließt
die Installationskosten mit ein. Bei der Installation werden
gewöhnlich 64 Elementarzellen zu einem Solarmodul von 1m2
Oberfläche zusammengeschlossen.Aus diesen Informationen ergeben sich die folgenden Ressourcenanforderungen für in Deutschland errichtete PVAs gemäß des Energiekonzepts:
Wie bereits gesagt, sind die Rohstoffanforderungen für die erforderlichen PVAs so gering, dass sie kein Hindernis auf dem Weg zur Energiewende sind. Jedoch ist das Antimon (Sb) toxisch, was u.U. ein Hindernis für das Recykeln alter PVAs bedeuten kann. Die benötigte Standfläche ist etwas größer als die Gesamtfläche des Saarlands, sie übertrifft aber die in Deutschland verwendbaren Dachflächen um etwa
einen Faktor 3. Das bedeutet, ca. 2/3 aller PVAs müssten
Freianlagen sein - diese Flächen sind dann z.B.
landwirtschaftlich nicht mehr nutzbar. Die erforderlichen
Investitionen sind vergleichbar jenen in onshore-Anlagen
(siehe oben), sie werden z.Z. aus der EEG-Umlage der
Privathaushalte finanziert. |
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| Energiespeicher (Li-Akku) Unter allen verfügbaren Speichern für chemische Energie nimmt der Li-Ionen-Akkumukator
eine herausragende Stellung ein: Er besitzt eine hohe
Energiedichte (W/V 400 kWh/m3)
und eine hohe spezifische Energie (W/m 0.2
kWh/kg, vergleiche mit W/m 0.05 kWh/kg für
den Pb-Akku). Er wird daher bevorzugt in einer Vielzahl von
Gebieten eingesetzt, z.B. in elektronischen Geräten oder in
Elektrofahrzeugen. Lässt er
sich aber auch als Energiespeicher für die im Energiekonzept
anvisierte Versorgung mit elektrischer Energie verwenden?Das Basismaterial des am häufigsten verwendeten Li-Akkus ist die chemische Verbindung LiCoO2. Von den 3 vorkommenden Elementen sind nur Lithium (Li) und Kobalt (Co) von wesentlicher Bedeutung: Ihre Anteile
im Li-Akku betragen für Li 100 g/kWh und für Co 390 g/kWh,
beide Elemente kommen in Deutschland aber nicht vor. Die
wichtigsten Förderländer waren im Jahr 2016 für
Anhand dieser Tabelle wird das eigentliche Dilemma der Energieversorgung mittels erneuerbarer Energien deutlich: Der erforderliche Energiespeicher, wenn er denn auf der Basis von Li-Akkus realisiert werden soll, ist untragbar teuer und verlangt nach Rohstoffmengen, welche die Jahresproduktion selbst der größten Förderländer bei weitem übersteigen. Dies ist nicht eine neue Erkenntnis dieses Kapitels, der Rohstoffmarkt hat längst davon Kenntnis genommen und die Preise für Lithium
und Kobalt
sind seit 2016 dramatisch angestiegen6). Insofern
stellen die in der Tabelle angegebenen Investitionskosten
wahrscheinlich nur eine untere Grenze dar. Und auch die
Standfläche ist nicht vernachlässigbar klein: Sie entspricht
etwa der Gesamtfläche des Saarlands! |
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| Fazit Es macht wenig Sinn, hier weiter über den Nutzen bzw. Unnutzen von WKAs und PVAs bei der Realisierung des Energiekonzepts zu diskutieren - ohne ein durchführbares Konzept für die erforderliche Energiespeicherung ist der deutsche Weg nicht gangbar und Li-Akkus stellen kein durchführbares Konzept dar. In Kap. 3.8 habe ich
alternative Konzepte vorgestellt, keines von ihnen scheint
in naher Zukunft den Status der kommerziellen Anwendung zu
erreichen. Dies ist aber dringend geboten, denn auch der
Aufbau der Energiespeicher wird sicherlich nicht weniger
Zeit beanspruchen, als der Aufbau von WKAs und PVAs.Einige sind vielleicht der Meinung, man könne durch einen weiteren Ausbau der WKA- und PVA-Leistung von geplanten 600 GW auf z.B. 1200 GW die erforderlichen Speicherkapazitäten vermeiden oder wenigstens reduzieren. Dieser würde die Kosten für das Einspeisemanagement (und damit für
die Stromversorgung) erheblich steigern, und er würde
trotzdem die Speicherkapazität von 51 TWh auf nur 15 TWh reduzieren.
Und außerdem: Welche Rechtfertigung gibt es dafür,
elektrischen Strom für die Müllhalde zu produzieren? Denn
die Vorstellung, dass unsere Nachbarn den überschüssigen
Strom dann kaufen würden, wenn das Wetter einmal wieder so
ist, ist vollkommen illusorisch: Sie selbst würden dann
gerne Strom an uns verkaufen! |
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1) Eigentlich hätte eine ähnliche Untersuchung vor der Veröffentlichung des Energiekonzepts durch die Bundesregierung stattfinden müssen. Das ist nicht geschehen - warum wohl nicht? An der notwendigen Kompetenz, genügend finanziellen Mitteln oder Zeit hat es sicherlich nicht gelegen, wenn man diese vergleicht mit den Möglichkeiten, die mir zur Verfügung stehen. 2) In 30 Jahren steigen die Anforderungen an die Ressourcen damit um das 1.5fache, es sei denn, die Altanlagen ließen sich vollständig recykeln. 3) Manche WKAs verwenden fremd erregte Magnete im Innenläufer und benötigen einen Teil der gewandelten Leistung zur Erregung, was zwangsläufig zu einem geringeren Wirkungsgrad führt. 4) Die Investitionskosten
sind berechnet für einen jährlichen Zinssatz von 5% bei
einer Dauer von 30 Jahren.5) Diese Fläche ist geschätzt mithilfe der Bilder
vom Li-Akku in Australien.6) Im September 2018 war der Kobaltpreis
auf 62.28 €/kg gestiegen, ist seitdem aber wieder auf etwa
die Hälfte gesunken. |
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