Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV)

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vom 24.04.2019, aktualisiert am 19.07.2019, Wolf von Fabeck:

Power to Methanol - als Langzeitspeicher unverzichtbar für den Klimaschutz

Zusätzliche Fähigkeiten zur CO2- Rückholung und als Kohlenstofflieferant aus der Atmosphäre für die Industrie

Vorab: Es gibt Dutzende von Langzeitspeicher-Möglichkeiten. Hier werden nur zwei von ihnen erläutert:

  • Einerseits das von der Energiewirtschaft vorgesehene extrem klimaschädliche Verfahren auf der Basis von Methan-Gas
  • Andererseits das vom Solarenergie-Förderverein begrüßte klimafreundliche Verfahren auf der Basis von Methanol, einer alkoholischen Flüssigkeit.

Inhaltsverzeichnis

Wofür braucht man Langzeitspeicher?

Langzeitspeicher werden gebraucht, wenn in Mitteleuropa über mehrere Wochen, vielleicht sogar Monate hinweg nur wenig Wind weht und wenig Sonne scheint. Sie sind eine der Voraussetzungen dafür, dass endlich die fossilen und atomaren Kraftwerke stillgelegt werden können. Eine weitere Voraussetzung für die Stilllegung von fossilen und atomaren Kraftwerken ist das Vorhandensein von ausreichend Wind- und Solarstromanlagen.

Die Stromwirtschaft und ihr derzeitiger Schirmherr Wirtschaftsminister Peter Altmaier betonen allerdings, dass Langzeitspeicher erst dann gebraucht werden, wenn die erneuerbaren Energien mehr als 60 Prozent des Strombedarfs decken. Da 60% des Strombedarfs jedoch ohne Langzeitspeicher überhaupt nicht gedeckt werden können, ist unter der derzeitigen Bundesregierung eine Umstellung auf Sonnen- und Windenergie ausgeschlossen.

Während Kurzzeitspeicher - z.B. aufladbare Batterien für Elektroautos - in immer größeren Stückzahlen hergestellt, erfolgreich eingesetzt und weiter verbessert werden, findet man Langzeitspeicher bedauerlicher Weise kaum in der praktischen Anwendung. Lediglich in theoretischen Diskussionen zum Thema Energiewende taucht der Begriff "Langzeitspeicher" auf.

Wie unterscheiden sich Langzeitspeicher von aufladbaren Batterien? Das Problem der Energiedichte

Können aufladbare Batterien Langzeitspeicheraufgaben übernehmen? Die Antwort lautet: Ja, sie könnten, wenn man nur genügend viele von ihnen einsetzt. Für die gleiche Speicher-Kapazität benötigen aufladbare Batterien allerdings fast das tausendfache Volumen.

Ein Beispiel: Der neue Batterie-Großspeicher in Bordesholm hat eine Grundfläche von 450 Quadratmetern und eine Höhe von über 3 Metern. Wenn alle Batterien aufgeladen sind, hat er eine Kapazität von 12 MWh.
Wenn stattdessen dort ein mit Methanol gefüllter Tank der gleichen Baugröße stünde, so hätte der eine tausendfach höhere Kapazität von fast 12.000  MWh.

Aufladbare Batterien haben zum Ausgleich dafür andere Fähigkeiten: Sie können sehr hohe Leistungen aufnehmen und präzise gesteuert wieder abgeben, wenn das verlangt wird. Ihr Wirkungsgrad ist sehr hoch, die Kapazität allerdings, wie bereits erwähnt, sehr gering. Jeder Elektroautofahrer kann ein Lied davon singen. In wenigen Sekunden kommt sein Elektroauto mit einer aufladbaren Batterie auf achtzig Stundenkilometer oder mehr, aber nach etwa 200 km Fahrstrecke muss die Batterie schon wieder aufgeladen werden.

Von einem Langzeitspeicher hingegen verlangt man keine übermäßig hohe Leistungsabgabe, stattdessen aber langzeitiges Durchhalten, also eine hohe Kapazität und nimmt dafür auch höhere Wirkungsgradverluste in Kauf. Mit anderen Worten: Aufladbare Batterien können ruhig öfter geladen und entladen werden. Langzeitspeicher hingegen möglichst selten. Die in den Umwandlungsschritten anfallende "Verlustwärme" versucht man dann möglichst geschickt zu nutzen (im Winter z.B. zum Heizen).

Herausforderungen beim Speichern fluktuierender Energieangebote - hier von Sonnenenergie

Besonders schwer zu speichern ist der Strom aus PV-Anlagen, weil die Solarleistung einen extrem unruhigen Tagesgang hat.

Solare Mittagsspitzen

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Die senkrechte Achse in diesem Diagramm stellt die Leistung dar. Die waagerechte Achse stellt die Zeit dar.
Flächen in dieser Grafik sind elektrische Energie. Die untere braune Kurve zeigt den Stromverbrauch während der 24-Stunden eines Tages. Die rote Fläche in der Grafik ist die von der PV-Anlage an einem wolkenlosen Tag bereit gestellte Solarenergie.

Bereits auf den ersten Blick erkennt man, dass es sich um hohe Leistungen handelt, die nur wenige Stunden lang angeboten werden. Es müssen also dicke Kabel eingesetzt werden ((oder höhere Spannungen)) um die überschüssige Leistung zu einem ersten Glättungsspeicher weiter zu leiten.Ideal wäre deshalb direkt bei jeder größeren PV-Anlage eine aufladbare Batterie, die die extreme Mittagsspitze der Solarenergie aufnimmt und auf den Abend, die Nacht und den frühen Vormittag des Folgetages verteilt (eine "Glättungsbatterie").

Die folgende Grafik demonstriert, welcher Verkabelungsaufwand sich ergeben würde, wenn man die Glättungsbatterien weglassen würde und den Solarstrom direkt zu einem "Quartierspeicher" leiten wollte.

Die hier gezeigte Quartierspeicher-Lösung wird man eher nicht anwenden
Quartierspeicher ohne Glättung

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Sodann müsste ein nachgeschalteten Langzeitspeicher zur Aufnahme der EE-Überschussströme für mehrere Wochen folgen.

 

Vergleich von Power to Methan und Power to Methanol

Beide Langzeitspeicher-Verfahren erzeugen aus dem CO2 der Luft und aus Wasser auf chemischem Wege ein energiehaltiges Speichermedium, nämlich klimafreundliches Methanol oder klimaschädliches Methan. Die notwendige Energie für diesen Vorgang stammt als Überschussstrom aus Wind- und Solaranlagen. Die Rückverstromung ist ebenfalls ein chemischer Vorgang, bei dem wieder elektrischer Strom, allerdings auch Verlustwärme entsteht. Letztere kann man besonders im Sommer nur schwer beseitigen.

Langzeitspeicher erfüllen ihre Aufgabe in mehreren Schritten, die zeitlich nacheinander und teilweise sogar an verschiedenen Orten durchgeführt werden.

-Schritt 1:
Eine Elektrolyse unter Einsatz von EE-Strom erzeugt Wasserstoff

-Schritt 2:
CO2-Wäscher holen klimaschädliches CO2 aus der Atmosphäre, um dessen Kohlenstoffatome wieder sinnvoll zu verwenden, den Kohlenstoff sozusagen zu recyceln.

-Schritt 3:
Die Langzeitspeicher erzeugen auf chemischem Wege aus dem zurückgeholten CO2 und aus Wasserstoff bzw. Wasser ein energiehaltiges Speichermedium

-Schritt 4:
Rückverstromung aus dem Speichermedium


Besonderheiten von Power to Methan

Speichermedium Methan, ein klimaschädliches Gas

CO2 + 4 H2 => CH4 + 2 H2O

Das Speichermedium Methan soll komprimiert und in die unterirdischen Gasspeicher des deutschen Erdgasnetzes eingespeist werden. Vor dort aus soll es dann bei Bedarf zu Gaskraftwerken oder zu Gebäuden mit Gasanschluss weitergeleitet werden, wo es zur Stromerzeugung genutzt werden soll.

Zweifel an der Umsetzung:
Es ist allerdings nicht zu erkennen, dass die Energiewirtschaft diesen Plan tatsächlich umsetzen will. Im Gegenteil! Sie baut eine weitere Gaspipeline durch die Ostsee (Nordstream 2), um noch mehr FOSSILES russisches Erdgas in ihre unterirdischen Gasspeicher aufzunehmen. Diese Planung gefährdet das Klima, erhöht die Energieabhängigkeit von Russland und fällt der Ukraine politisch in den Rücken.

Würde man sich dennoch zur synthetischen Erzeugung von Methan entschließen, so handelt man sich einen weiteren Nachteil ein. Ein Nachteil bei der Verteilung des synthetisch erzeugten Speichermediums Methan ist dessen geringe Energiedichte bei Atmosphärendruck
Diesen Nachteil sucht man zu vermeiden, indem man Methan unter 161° C abkühlt und es damit verflüssigt. => liquefied synthesiced gas (LSG).

Bei diesem Vorgang wird erheblich Energie verbraucht.

LSG nimmt dann ein 600-fach kleineres Volumen ein. Allerdings behält das LSG diese Temperatur nur dadurch bei, dass ein kleiner Anteil ständig verdampft. Das bedeutet weiterer Energieverlust! Außerdem ist zu befürchten, dass der verdampfte Anteil nicht aufgefangen sondern in die Atmosphäre entlassen wird - mit klimaschädlichen Folgen.

Klimaschädlichkeit von Methan bei Methanverlusten
Methan hat (anders als Methanol) eine 20 fach höhere Klimagaswirkung als CO2. In den ersten Monaten nach seiner Emisssion soll diese erheblich höher sein - sogar von 100-facher Klimaschädlichkeit ist die Rede. Wenn auch nur etwa 5 Prozent des neu erzeugten künstlichen Methans durch Lecks verloren gehen würde, wäre das genannte Power to Methan-Verfahren sogar klimabelastender als wenn man das aus Russland kommende fossile Erdgas direkt genutzt hätte!

 

Besonderheiten von Power to Methanol

Methanol, ein klimafreundlicher (nicht trinkbarer) Alkohol

2 CO2 + 4 H2O => 2 CH3 OH + 3 O2

Bereits 1999 haben Dr. Michael Specht et al unter der Überschrift "CO2-Recycling zur Herstellung von Methanol" Endbericht Juli 2000 im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Stuttgart in der Praxis ein Verfahren zur Herstellung von Methanol aus dem CO2 der Atmosphäre vorgeführt. CO2-Recycling zur Herstellung von Methanol Endbericht Juli 2000
Methanol ist eine energiehaltige Flüssigkeit, aus der mit Hilfe von Brennstoffzellen oder mit Hilfe von Wärmekraftmaschinen und Generatoren Strom erzeugt werden kann (ggf. in Kraft-Wärmekopplung). Methanol ist somit ein idealer Energielieferant für Langzeitspeicher. Das Speichermedium Methanol wird dezentral verteilt, um in kraft-wärme-gekoppelten Anlagen bei längeren Phasen der Wind- oder Solarenergie-Schwäche die elektrische Energieversorgung sicherzustellen Methanol kann in Tankwagen, Tankschiffen und Rohrleitungen unabhängig vom Erdgasnetz leicht transportiert werden.

power to liquid

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Abregelung von PV-Anlagen oder von Windparks lassen sich durch Kombination von aufladbaren und von Langzeitspeichern vermeiden

Die Höchstleistungen von Wind- und Solarenergie betragen ein Vielfaches (das drei- bis zehnfache) der Durchschnittsleistung. Würde man diese Höchstleistung nutzen wollen, so müssten die Höchstleistungen bis zum nächstgelegenen Speicher durch das Stromnetz transportiert werden. Das verlangt aufwendige Stromleitungen mit großer Übertragungskapazität. Deswegen liegt es nahe, diese Leistungsspitzen durch aufladbare Speicher zunächst zu glätten und dann auf dem kürzestem Weg zum nächsten Langzeitspeicher weiterzuleiten. Möglichst dezentral neben Windparks und großen Photovoltaik-Freiflächen Anlagen gehört deshalb eine aufladbare Batterie zur Glättung schneller Leistungsschwankungen und eine Langzeitspeicheranlage. Damit wären die Netzausbauprobleme minimiert und die vollkommene Dezentralisierung der Stromversorgung und eine höchstmögliche Steigerung der Ausfallsicherheit erreicht!

Versorgungssicherheit und Härtung gegen Wetterextreme und Terrorakte

Diskussionen zur Bekämpfung des Klimawandels wären unvollständig, wenn im gegebenen Zusammenhang nicht auch die Gefahr von Extremwetterereignissen und Terrorakten bedacht würde. Hier sei ausdrücklich an die Studie des Büros für Technikfolgenabschätzung beim deutschen Bundestag erinnert, in der ausdrücklich und dringend vor den Gefahren eines landesweiten Blackouts gewarnt wird.
Eine dringende Schutzmaßnahme ist die Dezentralisierung. Die Überlebenswahrscheinlichkeit nimmt zu, wenn das deutschlandweite zentral gesteuerte Stromnetz in überlebensfähige Einzelregionen aufgeteilt wird, die jeweils für sich überleben können, weil die Zahl der Solar- und Windanlagen und die Zahl der Stromspeicher reichlich bemessen ist. Der Fachbegriff für diese Härtung eines Systems ist die "Resilienz".

CO2-Rückholung in Form von Methanol

Das Speichermedium Methanol wird endgelagert, um einen Beitrag zur C02-Rückholung zu leisten. Methanol ist ein Medium, in dem Kohlenstoffatome klima-unschädlich und ohne zusätzliche Kompression endgelagert werden können. An unterirdische Methanolspeicher werden nur leicht erfüllbare Sicherheitsanforderungen gestellt.

Verkauf des kohlestoffhaltigen Methanols an die chemische Industrie und damit Finanzierung der CO2-Rückholung

Das Speichermedium Methanol kann an die chemische Industrie als begehrter kohlestoffhaltiger Rohstoff geliefert werden. Das Problem der Finanzierung ließe sich auf diese Weise lösen. Vorausgesetzt wird bei dieser Variante, dass aus Klimaschutzgründen die Förderung und der Import von Erdöl und Erdgas verboten oder mit hohen CO2-Steuern belegt wird.

Die Menschheit muss zukünftig ihren Kohlenstoffbedarf aus der Atmosphäre decken und sie wird jedes technisch erzeugte CO2 vollständig recyceln müssen, anstatt es als Klimagas in die Atmosphäre zu emittieren.



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