Ergänzungen | |
Ende
2022: |
update Wasserstoff |
Wie in Kap.3.1 ausgeführt, macht der Beitrag der elektrischen Energie zum globalen Primärenergiebedarf z.Z. nur etwa 12% - 16% aus, je nach dem, wie dieser Beitrag berechnet wird. Zukünftig, und falls erneuerbare Energien die Hauptlast der Energieversorgung übernehmen müssen, wird dieser Beitrag erheblich ansteigen. Z.B. verlangt die deutsche Energiewende bis 2050 einen Beitrag von 50%. Ähnliches kann man weltweit erwarten, wenn nach Erschöpfung der fossil biogenen Energieträger nur noch Kernenergie und erneuerbare Energien als Träger zur Verfügung stehen, die sich in elektrische Energie wandeln lassen. |
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Elektrische Energie kann
verlustfrei nur über supraleitende Kabel transportiert
werden. Erst seit Entdeckung von Materialien mit HTS (high
temperature superconducter) Eigenschaft ergibt sich
überhaupt diese Möglichkeit, die Technik ist aber so
aufwändig und die Kosten für Installation und Betrieb der
Leitung so hoch, dass sie bisher nur ein einziges Mal in
ein existierendes Stromnetz integriert wurde. Dies geschah
Anfang 2008, als die Firma Nexans
ein supraleitendes Kabel auf Long Island/USA verlegte.
Diese Leitung transportiert eine elektrische Leistung von
5 · 109 kWh a-1 bei einer
Gleichspannung von 138 kV, die Leitungslänge beträgt aber
nur 0.6 km. Dazu muss das Kabel in einer vakuumdichten,
flexiblen Röhre geführt und mit flüssigem Stickstoff
gekühlt werden. Aufgrund dieser Anforderungen muss man
davon ausgehen, dass die Leitung nur als Versuchsprojekt
geplant war und deshalb von der USamerikanischen Regierung
mit fast der Hälfte der Projektkosten gefördert wurde. Die
hohen Kosten verhindern die weltweite Einführung dieser
Technik, wenigstens bis zu den Zeiten, zu denen HTS
Materialien bei Umgebungstemperatur entdeckt sind. |
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Mit normal leitenden Kabeln
ist die elektrische Energie, wie in Energie2 beschrieben, nur beschränkt transportierbar. Der
Transport über große Entfernungen ist nur mit der Hochspannung-Gleichstrom-Übertragung(HGÜ)
möglich. Zur Zeit besitzt die längste derartige Leitung eine Länge von
2071 km und überträgt eine Leistung von 6.4 GW bei einer
Gleichspannung von 1.6 MV. Eine ähnliche Leitung würde
ausreichen, um die Wüsten in Nordafrika elektrisch an
die südlichen Länder in Europa anzuschließen. In der
Tat gab es einmal Pläne
für ein derartiges Projekt, aber die haben sich wohl
erledigt, nachdem die Fa. Desertec gescheitert
ist1). Auf der anderen Seite sind mit
derartigen Kabeln die nordeuropäischen Länder (insbesondere Norwegen) an
Zentraleuropa angebunden. |
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Verlustfreier Transport elektrischer
Energie über Kabel ist z.Z.
unmöglich, das wird auch in
näherer
Zukunft unmöglich sein, und die Höhe der
Verluste hängt
von der Länge des
Kabels ab. Dies sollte
bedacht werden, wenn man
die Versorgung mit elektrischer Energie aus erneuerbaren
Quellen untersucht und dabei auf weitere Probleme stößt:
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Um die Verwendbarkeit einer
Technologie zum Zwecke der Energiespeicherung beurteilen
zu können, sollten folgende Kriterien untersucht bzw.
erfüllt werden:
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Um sofort einem
Missverständnis vorzubeugen: Sowohl die
Wasserstofftechnologie wie auch Akkumulatoren
benutzen zur Speicherung die chemische Energie, nur Kondensatoren
speichern direkt elektrische Energie2).
Insofern beinhaltet der Zweig "Alternative" in der
Abbildung unten verschiedene Technologien, obwohl er (wie
in dem Original) in einer einzigen Farbe gehalten ist.
Akkumulatoren und Kondensatoren stimmen allein darin
überein, dass zum Füllen und Entleeren des Speichers
dasselbe Modul verwendet wird, während bei der
Wasserstofftechnologie die Füllung in einer
Elektrolysezelle, die Entleerung in einer Brennstoffzelle
erfolgt.
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Auf der anderen Seite scheint ein anderer Nachteil des Lithium-Ionen-Akkumulators langsam an Bedeutung zu verlieren: Der hohe Produktionspreis. Während dieser im Jahr 2005 im Mittel noch bei ca. 1500 USD/kWh lag, hatte er sich bis 2015 auf 1/3 reduziert. Und eine weitere Reduktion auf bis zu <200 USD/kWh bis 2030 erscheint möglich. Ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer Speicherkapazität von 20 kWh (Nissan LEAF) würde dann - nach heutigen Preisen - nur noch 4000 € kosten, was aber immerhin noch etwa 17% des PKW-Preises ausmacht. Über die neuesten (2017) Entwicklungen in Sachen des Lithium-Ionen-Akkumulators wird hier (allerdings in englisch) berichtet. Demnach hat sich der Preis für Li2CO3 allein im Jahr 2016 wieder vervierfacht auf über 14000 USD/t, wahrscheinlich aufgrund der Ankündigung mehrerer europäischer Regierungen (Großbritannien und Frankreich), ab 2040 nur noch den Verkauf von Elektroautos (EV) zuzulassen. In Indien sollen schon ab 2030 nur noch EVs zugelassen werden, in Norwegen schon ab 2025. Und eine andere Entwicklung erhöht die Nachfrage nach Lithium noch weiter: Der Zwang, die Fluktuationen erneuerbarer Energien mittels Zwischenspeicherung zu glätten. Dies ist besonders dringlich in Australien, wo die Provinz South Australia(SA) Ende 2016 für etwa 8 h einen Totalausfall des Elektrizitätsnetzes (blackout) erlebte. Daraufhin hat E. Musk angeboten, einen existierenden Windpark innerhalb von 100 Tagen mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator auszustatten, der 129 MWh Speicherkapazität und eine Leistung von 100 MW besitzt, und als "größte Batterie der Welt" bezeichnet wird. Wird das aber ausreichen? SA hat einen Elektrizitätsbedarf von ca. 1800 MW. Mit dieser "Batterie" könnten also für 1.29 h nur ca. 5.6% das tatsächlichen Bedarfs gedeckt werden - ein enttäuschendes Ergebnis, zumal über die gesamte Periode des blackouts nur noch 0.9% gedeckt werden könnten. Dies entspricht etwa dem Bedarf von 30000 Haushalten, und mit dieser Zahl versucht E. Musk sein Angebot anzupreisen, obwohl nur ca. 4.5% aller Haushalte davon betroffen sind und die viel dramatischeren Folgen eines blackouts (Ausfall der Infrastruktur und der Wirtschaft) nicht vermieden werden. Nicht berücksichtigt sind die hohen Kosten (USD/kWh), die ein derartiger "Batteriespeicher" verursacht. Und langsam wird den Medien auch klar, welche hohen Umweltbelastungen der Bau und die Entsorgung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren verursachen. Ich bringe daher dieses Beispiel auch nur zur Rechtfertigung meiner Einschätzung, dass sich derartige Systeme nicht zur Energiespeicherung, insbesondere im Sektor Energieversorgung, eignen. |
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Die Firma EEStor besitzt keine eigene Homepage im Internet, mit deren Hilfe sich diese Meldungen verifizieren ließen. Das Patent, welches die Neuentwicklung beschreibt, ist aber veröffentlicht. Demnach besitzt der Kondensator eine Kapazität von 31 Farad und arbeitet mit einer Spannung von 3500 V, was einer gespeicherten Gesamtenergie von 52.8 kWh entspricht. Die Ladezeit beträgt nur 5 min. Das bedeutet, dass während des Ladevorgangs ein mittlerer Strom von mehr als 360 A fließen müsste. In einem Zuleitungskabel würde dieser Strom bereits eine thermische Verlustleistung von fast 6 · 106 kWh a-1 erzeugen, das Kabel müsste einen Gleichstromwiderstand von ca. 15 Ohm besitzen und würde während des Ladevorgangs höchst wahrscheinlich schmelzen. Diese Zahlen sind so abenteuerlich, dass man erst einmal abwarten sollte, ob sich die angekündigten Kondensatoreigenschaften in der Praxis als realistisch erweisen. Der Prototyp eines Elektroautos, das von dieser Energiequelle angetrieben wird, ist für 2008 angekündigt4). |
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Die Nachteile des Wasserstoffs innerhalb einer
Energieversorgung wurden in Energie2
nur allzu deutlich:
Sieht man von der speziellen Anwendung im Sektor Mobilität ab (bei der Wandlungskette Elektrolyse & Brennstoffzelle ist sowohl vor wie nach der Speicherung elektrische Energie verfügbar), so besitzt die Wasserstofftechnologie gemäß der obigen Abbildung einen Speicherwirkungsgrad von = 0.75 · 0.50 = 0.375. Dieser Wert ist nur unwesentlich geringer als der, den ich in meinen Abschätzungen benutze. Er vernachlässigt alle Transportverluste und geht davon aus, dass in einer zukünftigen Energieversorgung der Wasserstoff durch Rohrleitungen transportiert und in unterirdischen Hohlräumen unter Normalbedingungen gespeichert werden kann. Werden auch die anderen Punkte in der Liste am Anfang dieses Kapitels berücksichtigt, so erscheint die Wasserstofftechnologie auch weiterhin am besten geeignet, die notwendigen Speicherkapazitäten bereitzustellen. |
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Die Erforschung der Brennstoffzellen ist nicht stehen geblieben, einen Überblick zum heutigen(2020) Stand findet sich in dieser Liste. Die Position 1 (PEMFC) ist das Gegenstück zur PEM Elektrolysezelle mit der Aussicht, dass (analog zum Akkumulator) beide Wandlungstechnologien in einem Gerät vereint werden können. Die Position 2 (GMFC) beschreibt die Brennstoffzelle für Methanol (CH3OH), d.h. der Wasserstoff ist an Kohlenstoff gebunden und Methanol ist leicht speicherbar, da flüssig unter Normalbedingungen. Der Nachteil ist, dass diese Brennstoffzelle CO2 emittiert. Für unser Klima verträglicher wäre die Bindung an Stickstoff (NH3), aber dann würden sofort gesundheitliche Folgeschäden ins Spiel gebracht. Außerdem sind derartige Brennstoffzellen noch nicht marktreif. Marktreif sind dagegen Brennstoffzellen auf Methanolbasis, von Interesse auch für die eMobilität. Zum Beispiel werden sie von der deutschen Firma SFC (Smart Fuel Cell) angeboten. Die Webseite enthält keine Angaben zu den Kosten und der Lebensdauer. Da als Katalysator das Edelmetall Platin verwendet wird, muss man wohl mit hohen Kosten rechnen. Außerdem besitzt die größte dieser Brennstoffzellen eine Leistung von nur 584 kWh a-1 (ein "economy car" bringt heute etwa eine Leistung von 6 · 105 kWh a-1 auf die Räder, das ist ca. 1000mal mehr) und der Nutzungsgrad der Zelle beträgt nur 0.11. Aber die technischen Möglichkeiten sind damit sicherlich nicht ausgeschöpft. Aus den MIT-Laboratorien wird von der Entwicklung eines Polymerkatalysators berichtet, welcher die Methanolbrennstoffzelle billiger macht und mit einem größeren Nutzungsgrad versieht. |
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In Belgien wurden während
des 2. Weltkriegs die Busse mit Ammoniak betrieben.
Seit 2007 beschäftigt sich das Ocean
Energy Institute mit dem Projekt, mithilfe von
off-shore Windkraftanlagen und der Elektrolyse von
Meerwasser nach dem Haber-Bosch-Prozess Ammoniak zu
erzeugen und auf diese Weise die USA von ihrer
Erdölabhängigkeit zu befreien.5) Dies wäre eine
Alternative zu dem heute noch üblichen Elektroauto mit
Akkumulator. Es existiert aber auch die indirekte Möglichkeit, das gespeicherte
Ammoniak katalytisch zurück in Wasserstoff und Stickstoff
zu spalten und Wasserstoff in einer Brennstoffzelle (siehe
oben) zu verstromen. In New Orleans fuhren bereits 1872 die Straßenbahnen mit Ammoniak. Im Jahr 1981 wurde der Motor eines Chevrolet Impala so modifiziert, dass er mit Ammoniak lief. |
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Falls die Wiederverstromung nicht gewünscht wird, kann das Methan auch in flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden. Diese, GtL genannte Technik (GtL = gas-to-liquids) basiert im Prinzip auf dem altbekannten Fischer-Tropsch Verfahren. Da diese Technik für die Nutzung von Erdgas (CH4) von viel größerer Bedeutung ist, soll sie in einem Extrakapitel behandelt werden. |