Wie viele Windräder brauchen wir für die Energiewende?

Die Zukunft gehört Wind- und Solarstrom, doch im ersten Quartal 2021 erzeugten erneuerbare Energieträger 40 Prozent der Elektrizität in Deutschland. Dabei werden Elektrofahrzeuge und Wärmepumpen in den kommenden Jahren den Strombedarf steigen lassen. Schon jetzt ist klar: Soll die Energiewende in der nächsten Dekade gelingen, muss der Windkraftausbau beschleunigt werden. Doch um wie viel? Ein Versuch, die benötigte Leistung zu berechnen.

38 PROZENT MEHR STROM BIS 2030

• Der Bruttostromverbrauch (inklusive dem Strom, der beim Transport verloren geht) lag in Deutschland im Jahr 2020 bei 544,9 Terawattstunden (1 TWh=10⁹ oder eine Milliarde kWh).
• Um die Klimaparameter zu erfüllen, geht die Bundesregierung von bis zu 14 Millionen Elektrofahrzeugen bis 2030 aus. Bei einer jährlichen durchschnittlichen Laufleistung von 15.000 km pro Fahrzeug und einem durchschnittlichen Stromverbrauch von 14 kWh/100 km benötigt Deutschland zusätzlich 29,4 TWh pro Jahr, um den Strombedarf von E-Autos zu decken.
• Der ThinkTank Agora Energiewende geht in einer Studie von 8 Millionen benötigten Wärmepumpen bis 2030 aus, um die Klimaziele zu erreichen. Bei einem jährlichen Verbrauch von zirka 6.000 kWh pro Wärmepumpe (wie diese Rechnung zeigt) kommen so zusätzliche 48 TWh zusammen.
• Laut einer Studie von Strategy& wird in Deutschland bis 2030 die Nachfrage nach „grünem“ Wasserstoff (mit erneuerbaren Energien erzeugten Wasserstoff) auf 3,3 Megatonnen steigen. Da selbst ein sehr effizienter Elektrolyseur derzeit 39 kWh/kg Wasserstoff verbraucht, würde man dafür nochmal 128 TWh Strom brauchen.
• Der gesamte Stromverbrauch im Jahr 2030 beträgt nach dieser hypotetischen Rechnung 751 TWh. Das übertrifft selbst die Prognose der Bundesregierung von 645-665 TWh für 2030 um 13 Prozent. Gegenüber 2020 wäre es eine Steigerung des Stromverbrauchs um 38 Prozent.

STROMVERBRAUCH 2020	544,9 TWh*
VORAUSSICHTLICHER STROMBEDARF VON E-AUTOS 2030	29,4 TWh
VORAUSSICHTLICHER STROMBEDARF VON WÄRMEPUMPEN 2030	48 TWh
VORAUSSICHTLICHER STROMBEDARF FÜR GRÜNEN WASSERSTOFF 2030	128,7 TWh
GESAMTBEDARF 2030	751 TWh

* Statista

engpässe im Winter? nicht mit genug reserve

Die Abschätzung im vorherigen Abschnitt berücksichtigt nicht, dass der Stromverbrauch über das Jahr keineswegs konstant ist. So betrug laut Bundesnetzagentur die Netzlast im Januar 2021 satte 45.929 GWh, im Juni 2021 dagegen nur 39.344 GWh. Zum einen ist das Licht in der kalten Jahreszeit länger an, zum anderen drückt die Urlaubszeit im Sommer den Bedarf, da unter anderem Produktionsbetriebe schließen.

Heizen viele Haushalte künftig mit Wärmepumpen, dürfte sich dieser Effekt noch verstärken. Luft-Wasser-Wärmepumpen, die am häufigsten installierte Wärmepumpenart, verbrauchen umso mehr Strom, je niedriger die Außentemperatur ist.

Die Daten aus einem Monitoring-Projekt des Fraunhofer-Instituts verdeutlichen diesen Effekt. Demnach betrug der Verbrauch der untersuchten Wärmepumpe allein im Januar satte 18 Prozent des Gesamtjahresverbrauchs. Berücksichtigt man diesen Effekt, würden wir im Januar 2030 67,7 Terawattstunden Strom und damit 47 Prozent mehr als im Januar 2021 an Strom verbrauchen.

VERBRAUCH JANUAR 2021	45,9 TWh
VERBRAUCH E-FAHRZEUGE JANUAR 2030	2,45 TWh*
VERBRAUCH WÄRMEPUMPEN JANUAR 2030	8,64 TWh
BENÖTIGTER STROM FÜR GRÜNEN WASSERSTOFF JANUAR 2030	10,7 TWh*
GESAMTBEDARF JANUAR 2030	67,7 TWh

* Als Vereinfachung wird davon ausgegangen, dass sowohl der Verbrauch von E-Fahrzeugen als auch von Elektrolyseuren über das Jahr konstant bleibt.

Wärmepumpen benötigen in den Wintermonaten Strom, um Wärme bereitzustellen. ©HarmvdB/Pixabay.com

SO VIELE WINDKRAFTANLAGEN FEHLEN

Nicht nur die Grünen möchten bereits 2030 Kohlekraftwerke komplett stilllegen. Auch die Agora Energiewende geht davon aus, dass das neue Klimaschutzgesetz und der EU-weite Anstieg des Preises für CO₂-Zertifikate dazu führen wird, dass Kohlekraftwerke schon vor 2038 vom Netz genommen werden.

Schaut man auf den abgeschätzten Strombedarf im Januar 2030, stellt sich die Frage, wie hoch die Kapazitäten sein müssen, um ihn theoretisch ausschließlich mit erneuerbaren Energien zu decken. Dabei ist es wichtig zu beachten, dass PV-Anlagen in den dunklen Wintermonaten einen geringen Beitrag zur Stromerzeugung leisten. Im Januar 2021 schwankte beispielsweise ihr Anteil an der Stromerzeugung je nach Kalendarwoche zwischen 0,9 und 1,9 Prozent. ^**

Zwar fordert der Bundesverband der Energie und Wasserwirtschaft (BDEW), bis 2030 die installierte PV-Leistung auf 150 GW zu verdreifachen. Allerdings würde selbst damit aufgrund des höheren Strombedarfs der Anteil des PV-Stroms im Januar maximal 5 Prozent betragen.

Biomasse zur Stromerzeugung wird dagegen nach Einschätzungen des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie nur als flexible Option mit wenigen Volllaststunden eingesetzt werden, da ihr Potential begrenzt ist. Es ist daher nicht davon auszugehen, dass ihr aktueller Anteil an der Stromerzeugung von zirka 8 Prozent** steigen wird.

Mit diesen Eckdaten müssten Windkraftanlagen in unserem Beispielsszenario im Januar 2030 87 Prozent des Energiebedarfs decken. Dafür bräuchten wir zusätzliche 224.761 MW an Leistung und müssten bis 2030 jährlich um die 28.000 MW neu installieren. Das ist mehr als fünfmal so viel wie im unter diesem Aspekt erfolgreichsten Jahr 2017, als der Zubau 5.333 MW betrug. ***

STROMERZEUGUNG VON WINDKRAFTANLAGEN IM JANUAR 2021	11,7 TWh*
STROMBEDARF IM JANUAR 2030	67,7 TWh
VON WINDKRAFTANLAGEN BENÖTIGTE ENERGIE (GESAMTBEDARF ABZÜGLICH 13 PROZENT BIOMASSE/SOLARANLAGEN)	58,8 TWh
VERHÄLTNIS	5,03
INSTALLIERTE LEISTUNG 2021	55.772 MW
ZUSÄTZLICHE BENÖTIGTE LEISTUNG BIS 2030	224.761 MW
ZU INSTALLIERENDE LEISTUNG 2022-2029 PRO JAHR	28.095 MW

*Quelle: BDEW

** Quelle: energy-charts.info

*** Quelle: Bundesverband WindEnergie, „Installierte Windenergieleistung in Deutschland„

warum StockT der Aufbau?

Die letzten vier Jahre 2018-2021 waren alles anderes als erfolgreich wenn es darum ging, neue Windkraftanlagen zu installieren***. 2019 wurde mit 325 MW der geringste Zubau seit 2000 erreicht (siehe Bild unten).

Laut dem Bundesverband WindEnergie trägt die Politik die Schuld am Stillstand. Zum einen würden die Bundesländer nicht wie vereinbart 2 Prozent Fläche für die Windenergie zur Verfügung stellen. Zum anderen würden lange Genehmigungsverfahren und Klagen von Bürgerinitiativen die Umsetzung von Projekten bremsen.

©WindGuard GmbH

sind offshore-Windkraftanlagen die LÖSUNG?

2021 beträgt die Leistung der Offshore-Anlagen in Deutschland 7.771 MW. In der Nordsee befinden sich mit fast 6.700 MW die meisten von ihnen. Damit machen sie gerade mal 14 Prozent der Gesamtleistung der installierten Windturbinen aus. Das könnte sich allerdings in den nächsten Jahren ändern.

Zum einen kämpfen die Offshore-Windparks weniger mit Akzeptanzproblemen als Onshore-Anlagen, da sie mehrere Kilometer von der Küste entfernt liegen. Zum anderen sorgen auch in windarmen Jahren wie beispielsweise das erste Halbjahr 2021 für eher konstante Erträge als Onshore-Anlagen. Außerdem lassen sich Anlagen mit einer Leistung über 10 MW eher als am Land realisieren, weil der Windertrag höher ist.

Die Bundesregierung hat das Potential der Offshore-Windkraft längst entdeckt. Bis 2030 sollten dank des Windenergie-auf-See-Gesetzes 20 GW (20.000 MW) an Leistung in der Nord- und Ostsee entstehen. Die EU-Kommission geht von einem Potential von 450 GW in den europäischen Meeren aus. Obwohl in den letzten Jahren der Ausbau an Kapazitäten genauso wie bei Onshore-Anlagen stockte, ist es also davon auszgehen, dass sich die Lage rasch ändern wird. Davon geht auch der niederländische Windparkbetreiber TenneT aus, der vor allem in der Nordsee zahlreiche Projekte plant.

Retten Offshore-Windparks die Energiewende? © Florian Pircher/pixabay.com

Lassen sich die KLimaziele auch mit wenigen Windrädern erreichen?

Selbst wenn der Ausbau der benötigten Leistung bis 2030 nicht gelingt, bedeutet nicht, dass Deutschland seine Klimaziele verfehlen wird. Anders als bei Windkraftanlagen wuchs bei Photovoltaikanlagen die installierte Leistung auch in den letzten Jahren stetig und konstant um zirka 4.000 MW pro Jahr.*

Anders als Windturbinen kämpfen Solaranlagen kaum mit Akzeptanzproblemen und lassen sich dezentral und ohne schwerwiegende Umweltauswirkungen installieren. Zudem stellen steigende Strompreise sowohl für Private als für Unternehmen einen Anreiz dar, PV-Anlagen zu installieren, um den Strom selbst zu verbrauchen.

Dennoch bleibt das Problem der saisonal schwankenden Leistung von Solaranlagen. Hier sind fundierte Konzepte nötig, um den Überschuss an Solarstrom im Sommer wirtschaftlich zu speichern und im Winter zu verbrauchen. Insbesondere Wasserstoff eignet sich als Speichermedium hervorragend, allerdings liegt der Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens Strom –> Wasserstoff –> Brennstoffzelle –> Strom laut einer Studie des Fraunhofer Instituts bei gerade mal 24-35 Prozent.

Steigt die Effizienz des Verfahrens, steht einem Kreislauf aus Solarstrom, Windenergie und Wasserstoff nichts im Wege, der auch den erhöhten Strombedarf durchaus decken kann. Nicht nur im Sommer, sonder auch bei Windstürmen ließe sich die erzeugte und gespeicherte Energie später verwenden.

fazit

Auch ausgehend von einem kompletten Verzicht auf fossile Kraftwerke kann die Energiewende gelingen. Allerdings muss der Ausbau der installierten Leistung deutlich schneller vorangehen. Parallel ist es erforderlich, industrielle Anlagen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff zu fördern, um die Volatilität von Windturbinen und Solaranlagen zu kompensieren.

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Autos mit Brennstoffzellen: haben Sie eine chance? (Wasserstoffserie Teil 1/3)

Neu ist die Idee eines Fahrzeugantriebs mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen nicht. Den Durchbruch hat das Wasserstoffauto aber nie geschafft. Politik und Hersteller setzen bei der Energiewende vor allem auf batteriebetriebene Fahrzeuge. Zu Recht? Und sehen wir in 20 Jahren vielleicht doch jede Menge Wasserstoffautos neben E-Fahrzeugen? Der erste Teil dieser Artikelserie befasst sich mit den CO₂-Emissionen von Autos mit einem Brennstoffzellenantrieb im Vergleich zu Elektroautos und konventionellen Benzinern.

sind brennstoffzellen umweltfreundlich? eine rechnung

Auf dem ersten Blick verursachen wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen gar keine Emissionen. Das stimmt aber nicht ganz. Da Energie in keinem Land der Welt 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt, wird während der Wasserstoffherstellung CO₂ erzeugt. Auch die Fertigung der Brennstoffzellen ist natürlich nicht CO₂-neutral. Interessant ist der Vergleich mit Verbrennern sowie mit batteriebetriebenen E-Fahrzeugen hinsichtlich des CO₂-Fußabdrucks. Folgende Aspekte habe ich betrachtet:

• den Brennstoff: Wie schneidet Wasserstoff im Vergleich zu Benzin und Strom ab?
• die Herstellung: Bei Verbrennern entsteht bei der Herstellung des Verbrennungsmotors CO₂ , bei Wasserstoffautos haben wir Brennstoffzellen + einen Elektromotor und bei E-Autos die Batterie + einen Elektromotor. Wie viel CO₂ entsteht dort?

Damit der Vergleich auch Sinn ergibt, habe ich Fahrzeuge mit einer ähnlichen Motorleistung verglichen. Das sind einmal der wasserstoffbetriebene Toyota Mirai mit 154 PS, einmal das E-Auto-Modell i3 von BMW mit 125 kW (169 PS) und als Benzinfahrzeug die 318i Limousine von BMW mit 156 PS. Gibt der Hersteller für bestimmte Parameter einen Bereich an, habe ich den Durchschnitt genommen.

Was nicht betrachtet wurde: Sowohl Benzin als auch Wasserstoff müssen vom Ort der Herstellung zum Verbraucher transportiert werden. Das ist ein Nachteil im Vergleich zu E-Autos. Aber auch die Wartung der Stromnetze erzeugt CO₂. Diese Aspekte habe ich nicht betrachtet, da es den Rahmen sprengen würde. Auch das Recycling und die Entsorgung von Batterien, Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren wurden nicht berücksichtigt, zumal derzeit von einer Recyclingindustrie für E-Auto-Batterien keine Rede sein kann.

1. Die co2-bilanz der Treibstoffherstellung

Zur Herstellung von Wasserstoff gibt es aktuell zwei Methoden: die Wasserelektrolyse und die Reformierung (meist Methan-Dampfreformierung). Beide Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile. Bei der Elektrolyse spaltet man mit elektrischem Strom Wasser (H₂O) in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Der Energiebedarf beträgt 55 kWh pro erzeugtes Kilogramm Wasserstoff (Angabe: Clean Energy Partnership). Bei Emissionen von 401 g CO₂eq/kWh Strom (Stand:2019) verursacht ein Kilogramm Wasserstoff einen Ausstoß von 22 kg CO₂-Äquivalent. Verbraucht der wasserstoffbetriene Toyota-Mirai laut Herstellerangaben 0,7 kg/100 km, macht das auf einer Strecke von 100 Kilometern zu 15,4 kg CO₂-Äquivalent.

Bei der Dampfreformierung trifft heißer Wasserdampf auf Methangas, dabei entstehen in zwei Schritten Wasserstoff und Kohlendioxid. Die Emissionen belaufen sich laut einer Studie auf 7 kg CO₂eq pro Kilogramm Wasserstoff. Das macht für die gleiche 100-Kilometer-Strecke 4,9 kg CO₂-Äquivalent, also ein Drittel als bei der Elektrolyse.

Auch die Herstellung von Benzin und Diesel verursacht gewaltige CO₂-Emissionen. Laut der Studie „Global carbon intensity of crude oil production“ schlägt die Ölforderung im weltweiten Durchschnitt mit 10,3 g CO₂eq/MJ Rohöl zu Buche, wobei die Schwankungen unter den einzelnen Ländern erheblich sind. Rohöl wird aber erst in der Raffinerie zu Benzin und Diesel. Eine kürzlich veröffentlichte Studie zeigt, dass in einer Raffinerie im globalen Durchschnitt 7,3 g CO₂eq/MJ entstehen. Was bedeutet das für unser Beispielfahrzeug auf der Beispielsstrecke von 100 Kilometern?

CO₂eq= 5,5 l/100 km * 100km* 32 MJ/l (Energiedichte von Benzin)* 17,6 g CO₂eq/MJ =3,1 kg CO₂eq

Anders als das Wasserstoffauto verursachen Verbrennungsmotoren auch im Betrieb Emissionen. Für die 318i Limousine sind es laut Hersteller im Schnitt 125 g/km, also 12,5 kg CO₂eq für 100 km. Insgesamt sind wir für unsere Beispielsstrecke bei 15,6 kg CO₂-Äquivalent.

Wie sieht es bei Elektrofahrzeugen aus? Hier ist der Treibstoff der Strom, mit dem die Batterie geladen wird. Der Vorteil ist, dass er dort bezogen wird, wo man das Auto tankt. In Deutschland profitieren Fahrer von einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien im Strommix.

Das i3-Model von BWM verbraucht laut Hersteller 14,2 kWh/100 km. Das ergibt ein CO₂ -Äquivalent von:

14,2 kWh/100 km * 100 km *401 g CO₂eq/kWh Strom=5,6 kg CO₂eq

Die Olförderung trägt einen schweren CO₂-Rucksack

2. Die co2-bilanz der batterieFertigung

Elektroautos schneiden im Vergleich zu Wasserstoffautos auf dem ersten Blick besser ab, weil die Energie keine doppelte Umwandlung Strom–> Wasserstoff –>Strom macht, sondern direkt in die Batterie fließt. Die Batterieherstellung ist aber alles anderes als klimaneutral. Eine 2019 aktualisierte Studie des Swedish Environmental Research Institutes bezifferte den CO₂-Ausstoß auf 61-106 kg pro kWh Batteriekapazität (Durchschnitt: 83,5 kg/kWh). Für unser E-Fahrzeug mit 125 kWh bedeutet es, dass bei der Batterieherstellung 10.437 kg CO₂ entstehen.

Was heißt es für die einzelne Fahrt? Dazu müssen wir wissen, wie lange die Batterie eines E-Fahrzeugs hält. Bei Modellen der i3-Reihe hat BMW 2020 die Garantie auf 160.000 Kilometer erweitert. Nehmen wir an, der Akku hält so lange und nicht mehr. Wollen wir die Emissionen auf unsere Teststrecke umrechnen, ergibt das:

10.437 kg CO₂/160.000 km* 100 km= 6,5 kg CO₂eq

Addiert zu den 5,6 kg CO₂ – Äquivalent, die durch den Stromverbrauch entstehen, macht das 12,1 Kilogramm CO₂– Äquivalent. Das ist weniger als beim Mittelklassewagen mit Verbrennungsmotor, aber mehr als beim Brennstoffzellenfahrzeug, wenn Wasserstoff durch Dampfreformierung entsteht.

In seinen Fabriken (hier Fremont, California) strebt Tesla eine völlige CO₂-neutrale Fertigung an

3. DIE co2-bilanz DER Brennstoffzellenfertigung

Auch Brennstoffzellen werden nicht CO₂-neutral produziert. Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme errechnete in einer Studie (2019) 30 kg CO₂ eq/kWh für die Fertigung. Bei den 113 kW des Toyota Mirai ergibt das 3.390 kg CO₂. Das ist im Vergleich zur Batteriefertigung ungefähr ein Drittel. Zudem haben die Brennstoffzellen im Fahrzeug eine höhere Lebensdauer als Batterien. Die California Fuel Cell Partnership, eine Vereinigung aus Unternehmen zur Förderung von Brennstoffzellenfahrzeugen, geht von einer Lebensdauer von mindestens 150.000 Meilen (241.000 Kilometern) aus.

Auf unsere Strecke umgerechnet macht es:

3.390 kg/241.000 km * 100 km= 1,4 kg CO₂-eq

Insgesamt kommt der Toyota Mirai in dieser Rechnung auf 6,9 kg CO₂ pro 100 km, falls Wasserstoff per Dampfreformierung erzeugt wird, und auf 16,8 kg, falls er aus einem Elektrolyseprozess entstammt.

4. die co2-bilanz der herstellung

Natürlich entstehen bei jedem Fahrzeug auch während der Herstellung CO₂-Emissionen. Auch hier schwanken die Werte erheblich je nachdem, wo die Produktion stattfindet. Insgesamt bemühen sich in den letzten Jahren dennoch alle Autohersteller um einen kleinen Fußabdruck. BMW erklärte in einem Interview 2018, dass es in seinen Werken die Emissionen auf 400 kg pro Fahrzeug senken konnte.

Laut diesem Spiegel-Artikel geht BWM bei Benzinmotoren von einer Lebensdauer von 150.000 Kilometern aus. Für unsere 100-km-Strecke heißt es:

400/150.000*100 = 0,2 kg CO₂-eq

Über den CO₂-Ausstoß bei der Elektromotorenfertigung (bis auf die Batterie) gibt es wenige Daten. Dennoch sind sie einfacher aufgebaut als Verbrennungsmotoren, der Prozess ist schätzungsweise weniger energieintensiv. Mangel an zuverlässigen Daten wurde dennoch in dieser Rechnung den gleichen Wert wie bei den Verbrennungsmotoren angenommen.

5. das ergebnis

CO2-eq Emissionen auf einer Strecke von 100 km für	Toyota Mirai (Wasserstoff per Dampfreformierung)	Toyota Mirai (Wasserstoff per Elektrolyse)	i3 (E-Auto)	318i Limousine (Benzin)
Treibstoffherstellung [kg CO2-eq]	4,9	15,4	5,6	3,1
Betrieb [kg CO2-eq]	–	–	–	12,5
Fertigung (Batterie, Brennstoffzelle) [kg CO2-eq]	1,4	1,4	6,5	–
Motorenfertigung	0,2	0,2	0,2	0,2
Summe [kg CO2-eq]	6,5	17,00	12,3	15,8

CO₂–Bilanz für Wasserstoffautos, E-Fahrzeuge und Benziner – Zusammenfassung

Die Rechnung in den vorherigen Abschnitten ist nur eine Beispielrechnung mit vielen Vereinfachungen, dennoch lässt sich einiges ableiten:

• Die Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung mit dem aktuellen Strommix ergibt CO₂-technisch wenig Sinn.
• Anderseits schneiden Wasserstofffahrzeuge viel besser als E-Fahrzeuge ab, wenn der Wasserstoff durch Dampfreformierung hergestellt wird. Das ist auch das wahrscheinlichste Szenario, denn laut Statistiken entsteht 96 Prozent des weltweit hergestellten Wasserstoffs durch Reformierung und nur 4 Prozent durch Elektrolyse.
• Sowohl Wasserstoffautos als E-Autos stoßen weniger CO₂ als Verbrenner aus, selbst wenn man die Angaben über die CO₂-Emissionen pro Kilometer der Hersteller nimmt, die sich in der Praxis selten bewahrheiten.

die grenzen der berechnung: strommix-zusammensetzung entscheidend

Eine solche Beispielrechnung hat durchaus Grenzen. Es gibt bereits mehrere Studien, die den CO₂-Fußabdruck von Brennstoffzellenautos mit E-Autos vergleichen. Alle basieren dennoch auf die Schätzung bestimmter Parameter, zum Beispiel der Treibhausgasemissionen während der Fertigung. Die Ergebnisse weisen daher eine große Schwankungsbreite auf. Sie ändern sich sehr stark je nachdem, wo die Batterien beziehungsweise die Brennstoffzellen angefertigt werden und wie die Zusammensetzung des Strommixes in dem Land aussieht. Je weniger fossile Energiequellen bei der Stromerzeugung, desto geringer die Emissionen bei der Fertigung (für beide Fahrzeuge) und im Betrieb (für das E-Auto).

2017 sorgte eine Studie des bereits zitierten Swedish Environmental Research Institute (IVL) beispielsweise für Aufregung. Die Wissenschaftler berechneten einen CO₂-Ausstoß von 150-200 kg/kW in der Batteriefertigung. Dafür gingen sie von einem Anteil an fossilen Energieträgern im Strommix von 50 Prozent aus, was in vielen Ländern der Welt realistisch und sogar optimistisch ist. Mit dieser Annahme rechneten sich E-Autos im Vergleich zu Diesel-Fahrzeugen erst ab 100.000 Kilometern. Kritiker bemängelten jedoch, dass bei der Berechnung des Diesel-Fahrzeugs der CO₂-Ausstoß der Ölförderung und der Ölraffinerien nicht berücksichtigt wurden. Zudem bemängelten weitere Experten, dass der Anteil am Bio-Treibstoff von 18 Prozent für das Dieselfahrzeug, der seine CO₂-Bilanz erheblich verbessert, nur in Schweden üblich sei.

2019 aktualisierte das IVL die Studie und schätzte die CO₂-Emissionen bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien viel niedriger ein, nämlich auf 61-105 kg/kW. Als Begründung gab es an, diesmal auch CO₂-neutrale Batterieherstellungsverfahren berücksichtigt zu haben. Derzeit arbeiten zwar die wenigsten Batteriefabriken CO₂-neutral (wobei Elon Musk seine Gigafactory in Nevada nach der Fertigstellung komplett CO₂-neutral betreiben will), aber es ist denkbar und wahrscheinlich, dass sie Jahr um Jahr grüner werden.

Die Ergebnisse der viel zitierten Studie des Münchner Wirtschaftsforschungsinstituts Ifo, wonach Dieselfahrzeuge beim aktuellen Strommix umweltfreundlicher als E-Autos sind, kommen dadurch zustande. dass die Autoren hohe CO₂-Emissionen für den deutschen Strom annehmen, nämlich 550 g/kWh. (offiziellen Angaben =401 g/kWh). Zudem stützen sie sich für den CO₂-Ausstoß der Batteriefertigung auf die Werte der ersten IVL-Studie von 2017, die inzwischen nach unten korrigiert wurden.

Verringert sich den Anteil des Kohlestroms, bauen E-Autos, aber auch Wasserstoffautos ihren Vorteil gegenüber Verbrennern auf.

batterie-lebensdauer und wirkungsgrad der Wasserstoffherstellung ebenfalls wichtig

Eine weitere Unsicherheit ist die tatsächliche Lebensdauer von E-Auto-Batterien. Manche Nutzer, die das Tesla Modell P85 im Jahr 2012 gekauft haben, gaben an, dass die Batterie immer noch über 90 Prozent der ursprünglichen Kapazität besitzt. So sind vielleicht viel mehr als 160.000 Kilometer drin, was den CO₂-Ausstoß pro Kilometer reduzieren würde.

Anderseits wird die Wasserstoffherstellung möglicherweise effizienter und grüner. Diverse Forschungsprojekte und Studien befassen sich mit der Möglichkeit, die Effizienz der Elektrolyse zu erhöhen. Das würde nicht nur den Prozesswirkungsgrad erhöhen, sondern auch den CO₂-Ausstoß während der Elektrolyse senken, da man weniger Strom benötigen würde.

Mit den jetzigen Annahmen haben Autos mit Brennstoffzellen eine bessere CO₂-Bilanz als E-Fahrzeuge. Dennoch erhalten sie wegen der hohen Kosten und des niedrigen Wirkungsgrads wenig Zuspruch.(Damit werden sich die anderen Teile dieser Artikelserie befassen). Die Rechnung in diesem Beitrag beruht auf aktuellen Daten, die Lage kann sich jedoch rasch sowohl in eine Richtung (Vorteil für die Brennstoffzellenautos) als auch in eine andere (Vorteil für die E-Fahrzeuge) ändern.

Wie immer beeinflussen auch politische Entscheidungen die Entwicklung. Bis vor kurzem taten sich Politiker damit schwer, die Weichen für eine Wasserstoffinfrastruktur zu stellen. Vor allem die deutsche Regierung hat jedoch inzwischen ihre Meinung geändert und verkündete bereits 2019 eine nationale Wasserstoffstrategie für grünen Wasserstoff. Damit sinken perspektivisch auch die Hürden für Wasserstofffahrzeuge.

Eine Wasserstofftankstelle: Bald überall Realität?

Wie kann man Strom speichern?

Um 55 Prozent soll Deutschland seine Treibhausgasemissionen bis 2030 reduzieren. Jedoch stockt momentan die Energiewende. Die Hauptherausforderung bleibt, den von Solar- und Windkraftanlagen erzeugten Strom effizient zu speichern. Doch ist das überhaupt möglich?

1. Kohleausstieg nur mit effizienten Speichern möglich
2. Pumpspeicherwerke: Wie speichern sie Strom?
3. Power-To-Gas:Wasserstoff aus Strom herstellen
4. Was bringen Batterien als Stromspeicher?
5. Strom als Wärme speichern
6. Zusammenfassung

kohleausstieg nur mit effizienten Speichern möglich

38 Prozent des ins deutsche Netz eingespeisten Stroms stammte 2018 aus regenerativen Energien, bis 2035 soll der Anteil auf 60 Prozent steigen. Doch bei Photovoltaik- und Windkraftanlagen schwankt die Leistung je nach Wetterlage. Während an windigen oder sonnigen Tagen oft ein Überschuss vorhanden ist, droht bei Windstille und während des dunklen Winters eine Stromflaute.

Beispielsweise erzeugten Windkraftanlagen in Deutschland im windigen Dezember 2018 über 15 Milliarden Kilowattstunden Strom. Das entspricht ungefähr dem jährlichen Energieverbrauch Berlins. Jedoch fehlen adäquate Speichermöglichkeiten, um diesen Strom zu nutzen. Er wird zu niedrigen Preisen ins Ausland verkauft.

das ende der grundlast?

Derzeit regeln Kohle- und Atomkraftwerke die sogenannte Grundlast. Das ist die Energiemenge, die unabhängig von der Tageszeit ständig benötigt wird. Will aber Deutschland seine Klimaziele erreichen, müssen die Kohlekraftwerke spätestens 2030 vom Netz gehen. Noch davor, im Jahr 2022, soll das Aus für die Kernenergie erfolgen. Damit fehlt eine Energiequelle, die stets verfügbar ist. Umso mehr wird es nötig, in Zeiten von Überproduktion Energie zu speichern.

anforderungen an energiespeicher

• Wirtschaftlichkeit
• schnell betriebsfähig
• hohe Energiedichte
• Umweltfreundlichkeit

Speichermöglichkeiten im Überblick

Pumpspeicherwerke: wie speichern Sie Strom?

1. Pumpspeicherkraftwerke nutzen elektrische Energie, um Wasser zu einem höheren gelegenen Ort hinaufzupumpen.
2. Dort wird es in riesigen Becken gesammelt.
3. Wird Strom benötigt, lässt man das Wasser wieder in den Rohren hinunterfließen
4. Die mechanische Energie des Wassers treibt Generatoren an.

Pumpen wandeln die elektrische in potentielle Energie um

Wie viele pumpspeicherkraftwerke gibt es weltweit?

• Derzeit landet 99 Prozent des weltweit gespeicherten Stroms in Pumpspeicherwerken
• Das größte Pumpspeicherwerk ist aktuell die Bath County Pumped Storage Station in Virginia (USA). Seine Kapazität beträgt 24 GWh.
• In Deutschland beträgt die Gesamtkapazität der Pumpspeicherwerke 40 GWh
• Mit dem Wasser aus dem größten deutschen Pumpspeicherwerk in Goldisthal (Thüringen, 1,06 GW) lässt sich 8 Stunden lang eine Turbine betreiben und 8,5 GWh an Strom erzeugen.
• Um den deutschen Strombedarf (1.685 GWh/Tag) einen Tag lang zu decken, bräuchte man theoretisch 198 solcher Pumpspeicherwerke.
• Australische Forscher haben weltweit 530.000 potentielle Standorte für den Bau von Wasserkraftwerken gefunden.

pro und contra der pumpspeicherkraftwerke

• Pumpspeicherwerke speichern Energie für eine Dauer von 2 bis 24 Stunden und sind dazu geeignet, während Spitzenlastzeiten Strom zu liefern. Sie sind aber als langfristige Speicher ungeeignet.
• Der Wirkungsgrad beträgt 75 bis 80 Prozent. Damit schneiden sie im Vergleich zu anderen Speicherlösungen gut ab.
• Sie sind schwarzstartfähig, können also ohne Stromzufuhr in Betrieb genommen werden
• Lassen sich bei Bedarf schnell starten
• Sie lohnen sich vor allem in Kombination mit Kohlekraftwerken, die wegen ihrer Trägheit nachts nicht abgeschaltet werden. Da in den Nachtstunden der Strombedarf und der -preis niedrig sind, ist der Pumpenbetrieb dann wirtschaftlich sinnvoll.

die zukunft der pumpspeicherkraftwerke

Solaranlagen produzieren besonders in den Mittagsstunden Strom. Das Überangebot sorgt dafür, dass der Strom nicht teurer als nachts ist. Es stellt sich die Frage nach der Daseinsberechtigung herkömmlicher Pumpspeicherwerke.

• Die Stadt Dresden erteilte aus diesem Grund eine Absage zur Wiederinbetriebnahme des 2016 stillgelegten Pumpspeicherwerks Niederwartha.
• Geplante Pumpspeicherwerke wie das im bayerischen Lam lassen sich oft schwer realisieren, da die Eingriffe in die Natur auf Widerstände stoßen.
• Auf der anderen Seite forschen Wissenschaftler an alternativen Möglichkeiten, die die Landschaft weniger in Mitleidenschaft ziehen.
• Am Bodensee wurde beispielsweise ein Hohlkugelspeicher getestet, bei dem Pumpen in einer hohlen Betonkugel einen Unterdruck erzeugen. Bei Bedarf an elektrischer Energie treibt das strömende Wasser eine Turbine an. Damit ist der Speicher mit einer Kapazität von 20 MWh pro Kugel ein Hybrid aus Pump- und Druckluftspeicher.
• Seit 2017 sucht ein Projekt der Universität Duisburg-Essen nach Möglichkeiten, in stillgelegten Bergwerken ein unterirdisches Pumpspeicherwerk aufzubauen.

Power-to-GAS: Wasserstoff aus strom herstellen

1. Power-To-Gas bezeichnet eine Methode, mit Strom mittels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
2. Wasserstoff wird mithilfe von Katalysatoren mit Kohlenstoff angereichert, der beispielsweise aus Biogasanlagen stammt (Methanisierung).
3. Daraus entsteht Methan, das entweder in Gaskraftwerken oder zur dezentralen Wärmeerzeugung verwendet wird.
4. Alternativ lässt sich der Wasserstoff für industrielle Verfahren oder als Kraftstoff für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge nutzen.

wer nutzt power-to-gas Anlagen?

• Der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW) zählt auf seiner Webseite 62 Power-To-Gas Projekte in Deutschland. 33 Anlagen sind bereits in Betrieb.
• Einer der Pioniere in diesem Feld ist der Autokonzern Audi. In seinem Werk in Werlte (Emsland) produzieren Windkraftanlagen Strom, der zusammen mit Kohlenstoff aus einer Biogasanlage Methan in die Erdgasleitungen speist.
• In Brunsbüttel (Schleswig-Holstein) plant Vattenfall zusammen mit ARGE Netz und MAN Energy Solutions ebenfalls den Windstrom zu nutzen, um synthetische Gase herzustellen.
• In Haßfurt ging 2019 die erste Power-To-Gas Anlage Bayerns in Betrieb.
• Die größte Wasserstoff-Elektrolyse-Anlage der Welt plant Shell in Wesseling (NRW). Mithilfe der Polymer-Elektrolyt-Membran-Technologie (PEM)  sollen 1.300 Tonnen Wasserstoff pro Jahr entstehen, die in der Shell-Raffinerie Verwendung finden werden.

gehört power-to-gas die Zukunft?

Obwohl die Technologie schon lange besteht, wird die Politik im Rahmen der Energiewende erst in den letzten Jahren auf Wasserstoff als Speichermöglichkeit für grünen Strom aufmerksam. So bezeichnete der EU-Klimaschutzkommissar Miguel Arias Cañete synthetische Gase als „die einzigen Gase, die im Energiemix 2050 enthalten sein werden“.

• Herkömmliche Power-To-Gas Anlage erreichen einen Wirkungsgrad von zirka 50 Prozent. Damit sind sie nicht besonders wirtschaftlich.
• Im Rahmen des EU-Projekts HELMETH ließ sich jedoch der Wirkungsgrad auf 75 Prozent steigern.
• Methan lässt sich im Vergleich zu Strom speichern und leichter transportieren.
• Ob sich Power-To-Gas Anlagen als Massenspeicher durchsetzen werden, hängt mit der Optimierung des Elektrolyseverfahrens und der Methanisierung zusammen.

was bringen batterien als Stromspeicher?

• Solaranlagenbesitzer erwerben immer öfters Batteriespeicher gleich mit. Was im kleinen Maßstab (wenn auch mit langen Amortisationszeiten) funktioniert, scheitert bei großen Elektrizitätsmengen an den Kosten.
• Lithium-Ionen-Akkus besitzen einen sehr guten Wirkungsgrad von 85 Prozent
• Obwohl die Kosten seit 2010 um 85 Prozent gesunken sind, bleiben sie mit 150 bis 200 Euro pro kWh hoch. Vor allem das teure Lithium treibt der Preis in die Höhe.

die zukunft von batterien als Stromspeicher

• An einer Alternative zur Lithium-Ionen-Batterien arbeitet das IKTS Fraunhofer Institut Hermsdorf in Ostthüringen. Ihre Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie nutzt Kochsalz und Aluminiumoxid, die günstig und regional verfügbar sind.
• Im Rahmen des Projekts brine4power (Sole für Energie) kündigte EWE 2017 an, in Ostfriesland is 2023 die größte Redox-Flow-Batterie der Welt in riesigen unterirdischen Salzstöcken bauen zu wollen. Wegen mangelnder Finanzierung und technischer Probleme liegt das Projekt jedoch auf Eis.
• Die Wirtschaftlichkeit von Akkus als Stromspeicher hängt vor der Möglichkeit, eine neue Generation von Akkus mit einer höheren Speicherdichte zu entwickeln, die gleichzeitig ohne teures Lithium auskommen.

strom als wärme speichern

Ist es möglich, elektrische direkt in thermische Energie ohne große Verluste umzuwandeln? Bis jetzt wurde diese Möglichkeit nicht sonderlich erforscht. Es gibt aber EU-weit interessante Projekte und Pilotanlagen in diese Richtung.

• Im Hamburg Hafen erwärmt Strom 1.000 Tonnen Vulkansteine auf 750 Grad Celsius, die die Hitze besonders gut speichern. Mit dem Dampf wird nach Bedarf eine 1,5 MW Turbine angetrieben. Der Elektrisch-Thermische-Energiespeicher von Siemens Gamesa hat eine Kapazität von 30 MWh.
• Ein ähnliches Konzept verfolgten das Energieunternehmen SEAS-NVE und die Technische Universität Dänemarks Risø bei der Hochtemperatur -Thermalenergiespeicher (HT-TES) in Sorø. Die thermische Energie der 600-Grad-heißen Steine wird zur Warmwasseraufbereitung genutzt.

Überschussstrom wird benutzt, um Vulkansteine zu erwärmen. Der Dampf treibt später eine Turbine an oder heizt Wasser.

ZUSAMMENFASSUNG

	Größter Speicher (Kapazität in MWh)	Kosten pro KWh	Wirkungsgrad	Vorteile	Nachteile
Pumpspeicherwerke	24.000 (Bath County Pumped Storage, USA)	20-30 Ct	75-85	Große Kapazitäten Schwarzstartfähig	Große Eingriffe in die Umwelt nötig Hoher Platzbedarf
Power-To-Gas	51 (Frankfurt)	*	50-60	Leichte Transportierbarkeit Hohe Energiedichte	Niedriger Wirkungsgrad Hohe Kosten
Batterien	129 (Hornsdale, Australien)	08-10 Ct	90-95	hoher Wirkungsgrad	hohe Kosten für Lithium-Ionen-Akkus Andere Methoden noch nicht skalierbar Niedrige Energiedichte
Elektrothermale Speicher	30 (Hamburg)	*	*		Wenig erforscht

Digital Twins für Windturbinen: Wie KI die Simulation verbessert

Künstliche Intelligenz ist zweifellos ein Buzzword der letzten Jahre. Deep Learning Algorithmen ermöglichen die Modellierung komplexer Realitäten im industriellen Umfeld und reduzieren die Notwendigkeit für aufwändige Testversuche. Gerade an schwer erreichbaren Orten wie Windturbinen ist das wichtig.

der motor der energiewende

Windturbinen stellen zusammen mit Solaranlagen die Säulen der Energiewende dar. 67,2 Terawattstunden an Strom haben sie im ersten Halbjahr 2019 ins deutsche Netz gespeist. Ende 2018 waren Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 52,931 Megawatt installiert. Wegen des geplanten Kohleausstiegs wird die Zahl künftig steigen.

Moderne Windturbinen liefern eine Leistung von bis zu 10 Megawatt und sind nicht selten höher als 100 Meter. Der Simulation kommt eine besondere Bedeutung zu. Nicht nur ist es wichtig zu wissen, ob die Blätter, das Getriebe und der Turm die Belastungen im Betrieb und bei extremen Ereignissen standhalten. Ständig optimieren Ingenieure das Design, um den Ertrag und damit die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Nur so bleibt Windstrom gegenüber fossilen Brennstoffen konkurrenzfähig.

die grenzen der simulation

Doch wie testen sie das Verhalten eines solch komplexen Systems? Tests mit Prototypen im Windkanal sind teuer und zeitaufwändig. Deswegen nutzen sie sogenannte Multibody Simulationen. Die Software bildet die Elemente der Windturbine in einem vereinfachten Modell ab. Sowohl Ermüdungslasten aus dem Betrieb als auch extreme Belastungen wie Eis an den Blättern und Orkane lassen sich so näherungsweise am Rechner nachstellen.

Doch die Simulation hat Grenzen. Immer wieder versagen Teile, obwohl sie es laut Berechnungen nicht sollten. Warum ist das so? Egal wie präzise die Turbine mithilfe der Finiten-Elementen-Methode modelliert wird, es werden Vereinfachungen angenommen.

virtuelle zwillinge erstellen

Digital Twins verfolgen einen anderen Ansatz. Sie nutzen Messdaten aus reellen Maschinen, die mithilfe von Deep Learning Algorithmen verarbeitet werden. Die virtuellen Zwillinge können so das Biegemoment an der Rotorblattwurzel oder am Turmfuß anhand von erstellten Statistiken sicher voraussagen.

Die Plattform GE Predix stellt ein Beispiel für eine IoT-Software dar, die im industriellen Bereich Big Data auswertet und Voraussagen ermöglicht. Die GE Turbineningenieure nutzen sie zum Beispiel, um die Temperaturentwicklung im Motor als Funktion des erzeugten Stroms vorauszusagen. Das erspart die Platzierung von Temperatursensoren an schwer erreichbaren Stellen.

kurzfristige Ertragsvoraussagen

Ein weiteres Anwendungsfeld stellen Ertragsvohersagen dar. Konventionelle Prognosen nutzen die Windverteilung am Standort aus einem Windatlas, um die Windverhältnisse zu schätzen. Da die Windleistung jedoch von Jahr zu Jahr mitunter stark schwankt, sind sie oft ungenau. An der Präzision der Voraussagen hängt jedoch die Wirtschaftlichkeit ganzer Windparks ab.

Der Internetriese Google und seine Tochterfirma DeepMind haben jetzt ein Konzept entwickelt, um Machine Learning Algorithmen mit Wettervorhersagen und den zugehörigen Erträgen zu trainieren. Damit soll die Software in der Lage sein, anhand des Wetterberichts eine zuverlässige Voraussage der kommenden drei Tage zu liefern.

überflüssige wartungen eliminieren

Der Begriff „Predictive Maintenance“ fällt immer im Zusammenhang mit Big Data und künstlicher Intelligenz. Der konventionelle Ansatz für die Wartung lautet, dass Inspektionen nach festgeplanten, regelmäßigen Intervallen stattfinden. Sie basieren auf allgemeine Erfahrungswerte. Sie berücksichtigen jedoch nicht, ob die eine Windturbine gerade keine Wartung benötigt oder im Gegenteil Teile früher als geplant ausgetauscht werden müssen.

Gerade bei Windkraftanlagen sind Wartung schwierig und teuer. Nicht nur Offshore Anlagen im Meer sind das Problem. Auch Onshore Windturbinen befinden sich oft an fernen und schwer erreichbaren Orten. Predictive Maintenance nutzt ein anderes Prinzip. Sensoren messen Temperatur, Druck und andere Kräfte an verschiedenen Stellen. Big Data Algorithmen werten sie aus und rechnen die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall in den nächsten Wochen.

So erhält jede Maschine ein eigenes Profil. Die Windparkbetreiber sparen kostspielige, nicht notwendige Einsätze. Auf der anderen Seite lassen sich Gierfehler, sowie defekte Getriebe und Lager zuverlässig vorhersagen, bevor das Versagen auftritt

bessere materialien und eisvorhersagen : Die Zukunft von KI

Weltweit forschen Wissenschaftler weiter an mögliche Use Cases von KI, um die Windenergie effizienter zu machen. Im VTT Forschungsinstitut in Finnland haben sie ein Modell entwickelt, um die ideale Materialkombination zu finden, die resistent gegenüber Abnutzung ist.

Amerikanischen und chinesischen Forschern gelang dagegen, ein System namens WaveletFCNN zu erfinden, die Muster in Sensordaten entdeckt und so vereiste Blätter identifiziert. Goldwind, einer der größten chinesischen Windturbinenhersteller, nutzt das Programm bereits und berichtet von einer Zuverlässigkeit von 81 Prozent.

Es bleibt abzuwarten, was die Zukunft bringt. Sicher ist jedoch, dass die Verbindung von Künstlicher Intelligenz und alternativen Energien vielversprechend bleibt.