Im September 2014 haben J. P. Blaser und A. Pritzker einen Artikel präsentiert mit dem Titel: "Energiepolitik, wo ist die Stimme der Physiker?" Obwohl die dort vorgestellten Ausführungen nicht von allen Lesern geteilt wurden, gab es erstaunlicherweise keine Gegenstellungsnahme. Im folgenden Artikel des Photovoltaik-Experten Ernst Bucher wird nunmehr auf den Blaser/Pritzker Artikel kritisch eingegangen, und es werden die Vorzüge sogenannter erneuerbarer Energietechnologien im Zusammenhang mit dezentralisierten Speichervarianten erläutert.

 

 

Regenerative Energien

Ernst Bucher, Kreuzlingen

 

J. P. Blaser und A. Pritzker (BP) unterziehen die Energiesituation der Schweiz einer interessanten kritischen Analyse im Falle des Ausstiegs aus der Kernenergie. Schon zu Beginn der 80er Jahre wurde der Ausstieg als "Energiepolitische Geisterfahrt" bezeichnet (Michael Kohn). Nach Chernobyl und Fukushima allerdings würden viele eher den Weiterbetrieb der AKWs so bezeichnen. Der Artikel von BP hat bisher keine Replik erfahren. Meiner Lesart zufolge ist er ein verdecktes Plädoyer zur Fortführung der AKW Technologie und malt uns eine düstere Szene vor bei ihrem Ersatz durch Erneuerbare. Es ist interessant, dass die Analyse korrekt ist, nur komme ich als Fachmann für Erneuerbare zu grundsätzlich anderen Schlüssen.

Abschied von der Kernenergie

Es gibt handfeste Gründe für den Ausstieg aus der Nuklearenergie, die uns Chernobyl und Fukushima gelehrt haben: Die langfristigen Konsequenzen im Falle eines GAUs (es gibt eben kein Nullrisiko), die offenbare Unlösbarkeit der Entsorgung radioaktiver Abfälle, und die ethische Verantwortung gegenüber künftigen Generationen. Dann die Kosten, die bei einem ähnlichen GAU in der Schweiz sich im Bereich von 500 - 10 000 Milliarden SFr. bewegen würden, die Nichtversicherbarkeit der AKWs und ihre Anfälligkeit gegen Terrorismus oder Erdbeben, die ungleich grösser ist als bei dezentraler Versorgung durch Erneuerbare, und schliesslich die enormen Kosten des Rückbaus. Aber zuguterletzt auch aus ökonomischen Gründen, da die kWh von Erneuerbaren heute bereits 2-3 mal weniger kostet als die Kernenergie und ihr Preis weiter fallen wird, während der Preis der Nuklearenergie steigen wird, was letztlich die ganze ökonomische Krise der AKWs als auch der anderen wie Wasserkraft heraufbeschworen hat und uns zum Umdenken zwingen wird. Mühleberg und Beznau wird man deshalb in Bälde aus rein wirtschaftlichen Gründen abschalten müssen, das wird weitere ideologische Grabenkämpfe verhindern.

Alternativenergien

Eine Vision ohne AKWs mit nur Erneuerbaren ist jedoch nicht trivial. Es bedarf sehr vielfältiger Kenntnisse in vielen Bereichen wie Photovoltaik (PV), Windenergie, Geothermie, Biomasse, Elektrochemie, Ressourcen, Netzwerkanalysen und deren Simulationen, Ökonomie, etc. In vielen Bereichen muss ich mich auf die Expertise von Fachkollegen verlassen.
Ich stimme in der Analyse mit BP überein, dass das Hauptproblem in der Energiespeicherung liegt, da wir im Sommerhalbjahr (SHJ) eine Überproduktion haben und das Doppelte der Kernenergiejahresproduktion exportieren (siehe BfE Energiestatistik 2014 und 2015, Tabelle 3, Elektrizität), um diesen Betrag im Winterhalbjahr (WHJ) wieder zu importieren. Wir müssen daher das Defizit im WHJ aus der Überproduktion im SHJ speichern. Die Lösung dieses Problems ist der einzige Schlüssel zur Energiewende. Eine Erschwernis in dieser Diskussion ist eine grundsätzliche Abkehr von der bisher rein zentralen Energieversorgung zu stark dezentraler Energieversorgung, mit der wir noch wenig Erfahrung haben, zudem mit der fluktuierenden Energieversorgung durch PV und Wind, die in vielen Kreisen Ängste vor Netzinstabilitäten hervorruft. Allerdings werden die Befürchtungen durch die Erfahrungen von Ländern oder Gegenden mit sehr grossem Anteil Erneuerbaren und durch Simulationsrechnungen stark gedämpft. Schweden etwa hat einen Anteil von 52% von Erneuerbaren ohne jegliche Netzprobleme, ebenso Deutschland mit grossem Wind- und PV Anteil.

Leistungs- und Energiebilanzen

Die Versorgungssicherheit hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab: 1) der Leistungsbilanz in jedem Moment (Verbrauch = Produktion) und 2) der Energiebilanz, d.h. der Verschiebung der Sommerüberschüsse in das WHJ. Im Artikel von BP ist nur die Rede von der Leistungsverschiebung vom SHJ in das WHJ. Ich vermisse darin die Verschiebung der Energiemengen, denn das ist relevanter, da die Energieernten verschiedener Primärenergieträger sehr unterschiedlich sind: AKW: ca. 7.9 kWh/Wy (90%), PV: ca. 1.2 - 2.0 kWh/Wy, (davon 70% im SHJ und 30% im WHJ für unsere Breitengrade) und Wind je nach Windverhältnissen ca. 1.8 - 4 kWh/Wy 1.
Wir werden nach der Energiewende drei Typen von Energieproduktionen haben: a) eine konstante Grundversorgung z.B. durch Wasserkraft, b) eine hinreichend schnell schaltbare Grundlast z.B. durch Pumpspeicherkraftwerke, Gasturbinen mit Minutenschaltzeiten oder Batteriespeicher mit 10 - 20 ms Schaltzeiten: Letztere ist leider noch zu teuer, da die gespeicherte kWh bei etwa 0.40 SFr. liegt , was sich derzeit nur betuchte Private oder finanziell reiche Unternehmen leisten können, um autark zu sein. Mit der durch Massenfabrikation zu erwartenden Kostendegression wäre auch hier eine Senkung in einigen Jahrzehnten auf ein Drittel zu rechnen, wie uns die PV gelehrt hat. Und letztlich wird c) die dritte Komponente eine variable Produktion durch Wind und PV sein, sowohl von grösseren Anlagen von Energieunternehmen als auch von privaten Einspeisern. Mehr und mehr moderne Bauten erzeugen bereits jetzt mehr Energie als sie verbrauchen und werden so zu kleinen Kraftwerken. Der Verbrauch der erzeugten Energie vor Ort ist ökonomisch am günstigsten und reduziert die Netzbeanspruchung. Die vor Ort erzeugte und verbrauchte PV kWh kann heute für weniger als 0.08 SFr./kWh erzeugt werden, also etwa der Hälfte eines AKWs, was sie für Unternehmen, die Energie nur tagsüber benötigen, besonders attraktiv macht.

Photovoltaik und Windenergie

Im Folgenden untersuche ich die Möglichkeit, die AKWs durch PV allein zu ersetzen. Im SHJ sind sie verzichtbar, wie aus der Energiebilanz des BfE hervorgeht. Im WHJ sind 11 TWh durch PV im SHJ zu ersetzen (Statistik von 2015) und zu speichern. Eine leistungsfähige PV Anlage erzeugt 200 W/m2, d.h. 170 kWh/m2 im SHJ, woraus sich eine Kollektorfläche von 64 km2 ergibt, das sind 12% der Dachflächen der Schweiz. Das Abrufen der durch die PV im SHJ erzeugten und gespeicherten 11 TWh im WHJ ist mit Verlusten verbunden. Pumpspeicherwerke haben z.B. eine Effizienz von etwa 70%. Die von der PV im WHJ produzierten 30% [von 11 TWh] könnten somit zur Kompensation der Speicherenergiekosten verwendet werden. Für die Windenergie sieht es wesentlich günstiger aus, schon weil die Energieernte höher liegt, auch nachts möglich ist und zudem im WHJ etwas höher liegt, im Gegensatz zu PV: Eine 3 MW Turbine (Durchmesser 100 m) erzeugt ca. 5.4 Mio kWh/y. Für den Ersatz von 5,5 TWh sind 1900 3 MW Turbinen nötig. Zwischen den Rotoren ist eine Distanz von fünf Rotordurchmessern einzuhalten für eine optimale Energieernte, woraus sich eine Fläche von maximal 460 km2 ergibt. Da es sich in der Realität um viele kleinere Windparks handeln wird, ist diese Fläche weit überschätzt. Für eine einzelne 3 MW Turbine würden nur ca. 4000 m2 benötigt. Da die Energie in der Höhe geerntet wird, ist die Grundfläche gleichwohl zu fast 100% nutzbar. Das Windpotential wird in der Schweiz weit untergenutzt. Es besteht wohl kein Zweifel, dass die AKWs problemlos durch einen Mix von Wind und PV ersetzt werden können. Die Frage ist nun, wie sie gespeichert wird? Für die Speicherung wären Pumpspeicherkraftwerke besonders geeignet. Die Kapazität könnte um einen Faktor 3-4 erhöht werden. Die Erfahrung mit dem neuesten GW Pumpspeicherwerk Linth-Limmern (Muttsee, Glarus) würde das Speicherproblem zu einem grossen Teil lösen.
Allerdings existieren hier auch ökonomische Limiten. Linth-Limmern kam auf 2.1 Mia SFr. zu stehen und seine Rentabilität wird bereits in Frage gestellt. Wir werden uns auch daran gewöhnen müssen, dass der Ausstieg aus der Kernenergie nicht zum Nulltarif zu haben ist. Sicherheit kostet auch immer etwas! Wir sollten hier auch an eine Vernetzung mit anderen Alpenländern (A, F, I) denken, die ebenfalls für diese Speichertechnologie privilegiert sind.

Dezentrale Speicher

Eine sehr interessante Alternative der Speicherung wurde kürzlich in der TA Ausgabe vom 25. 8. 2016 vorgestellt, die Speicherung von Strom durch chemische Speicher, vorab durch Methanol, die zusätzlich auch CO2 neutral gemacht werden kann. Dr. U. Weidmann (Silent-Power AG, Cham) ist es gelungen, Methanol durch eine Gasturbine zu verstromen. Diese Kombination Strom - Methanol würde nahezu ideal in die jetzige Infrastruktur passen. Die Energie würde autark und dezentral gespeichert als Verbrennungsenergie von Methanol durch die Synthese von CO2, z.B. gewonnen aus der Luft, und H2, gewonnen aus der elektrolytischen Zersetzung von Wasser mittels nachhaltig produziertem Strom. Beim konzentrierten Anfall von CO2 ist sie schon nahe der Kostenparität. Die gespeicherten Methanolmengen könnten im WHJ je nach Bedarf wieder als schaltbare Energiequelle verstromt werden. Diese Technologie wäre auch im Kleinen verwendbar und würde das Energiespeicherproblem stark entschärfen durch Dezentralisieren. So würden viele Haushalte und Unternehmen energieautark. Eine weitere Möglichkeit ist die thermische individuelle Speicherung in Form von Heisswasser. Der Solarstrom ist so billig geworden, dass er die thermischen Kollektoren verdrängt hat. Er kann auch das Erdreich als Speicher nutzen und im SHJ Wärme in tiefe Schichten pumpen, die im WHJ wieder hochgepumpt werden können, wobei eine kWh bis zu 3 - 4 kWh Wärme hochpumpen kann. Die Dämpfungslängen für tägliche Perioden betragen 5 cm, für Jahresperioden ca 1 m 2. Da die Haushalte ca 1/3 des Energieverbrauches ausmachen, wovon der grösste Teil im WHJ verbraucht wird durch Heizen, lässt sich das Speicherproblem weiter entschärfen durch Dezentralisierung der Versorgung, und um mindestens 20 - 30% reduzieren.

Soziale Akzeptanz

Das Problem liegt nicht nur in der Technologie, sondern auch in der weitverbreiteten Opposition und Uneinsichtigkeit diverser Umwelt- und Naturschutzverbände, die gegen jede Windturbine, jedes PV Kraftwerk und die Nutzung weit entlegener unbewohnter Täler für Pumpspeicherwerke Sturm laufen. Wir werden die AKWs nicht abschalten können, ohne etwas zu ändern. Es wird auch ihre vermehrte Kooperation erforderlich sein. BP haben auch die staatliche Förderung von neuen Technologien beanstandet. Sie stellen Investitionsbarrieren dar, welche die meisten Industrien nicht übernehmen wollen. Es gab einst gloriose Zeiten vor 50-60 Jahren, als die Industrien (GE, IBM, AT&T, RCA, GD, Westinghouse, etc ) neue Ideen weitsichtig finanzierten und unterstützten. Diese Zeiten sind jedoch vorbei und wer denn, ausser dem Staat, soll neue, mit Risiken behaftete Ideen unterstützen? So sind auch die PV und andere Energien zum Erfolg geführt worden, und schliesslich auch die Kernenergie mit vielen staatlichen Milliarden. Ich hoffe aber mit diesen Zeilen zu überzeugen, dass die Energiewende keineswegs eine energiepolitische Geisterfahrt werden wird, sondern ein entscheidender Schritt für eine ökologisch bessere Zukunft ohne AKWs, die wir auch ökonomisch problemlos schaffen werden, auch wenn noch einiger Forschungsbedarf zu bewältigen sein wird.

Danksagung

Ich danke herzlich meinem ehemaligen Doktoranden, Prof. Dr. Franz Baumgartner, ZHAW Winterthur, für zahlreiche informative Gespräche.

 

1 Da AKWs ähnlich wie andere Primärenergieerzeuger (Gas-, Wasser- und Kohlekraftwerke, Geothermieanlagen) rund um die Uhr laufen, ist die Angabe der mittleren Betriebsdauer im Jahr ein sinnvolles Mass für die Energieernte. Bei AKWs ist die Energie, die maximal geliefert werden kann, übers Jahr gemittelt zu 90% verfügbar. Man drückt dies in der Einheit 1 W · 1 Year = 8.76 kWh aus und kommt bei AKWs somit zur Kennzahl von 7.9 kWh = 0.90 · 1 Wy. Bei der Windenergie schwankt in der Schweiz der Verfügbarkeitswert zwischen (21 - 46) % und bei der PV zwischen (14 - 23) %.

2 Temperaturwellen sind exponentiell gedämpfte Sinuswellen mit starker Dispersion sowie örtlichen und zeitlichen Phasenverschiebungen. Die Dämpfungslänge ist die Reichweite, bei der die Amplitude auf den e-ten Teil abgeklungen ist, d.h noch 36. 8 % der Ausgangswelle beträgt.
Diese Dämpfung ist stark frequenzabhängig. Von der Erdoberfläche her gesehen, ist sie identisch mit der Eindringtiefe einer Temperaturwelle, aber man erzeugt sie ja beim Speichern in der Tiefe. Man muss die Energie tief genug speichern, damit keine biologischen Störungen auftreten können.(Wurzelwerk von Bäumen und alles mögliche von Erdreichbewohnern). Ich denke mit > 50 m ist man auf der sicheren Seite.

 

 

Dezentrale Energiespeicher

Die Stromproduktion in der Schweiz verändert sich. Neben der zentralen Produktion in Grosskraftwerken erzeugen immer mehr Endkunden eigenen Strom, vor allem mit Photovoltaik-Anlagen. Diese Anlagen werden auch immer mehr mit Batteriespeichern kombiniert. Das Power Systems Laboratory der ETH Zürich hat im Auftrag des Vorstandes der SATW untersucht, wie und wo dezentrale Speichersysteme sinnvoll eingesetzt werden könnten.

 

 

Ernst Bucher (* 1934 in Zürich) gilt als Pionier im Bereich der Solarforschung. Er wurde 1974 Ordinarius für Angewandte Festkörperphysik an der Universität Konstanz, wo er 2002 emeritiert wurde. Zwischen 1978 und 1994 war er dort zudem Leiter des Zentrums II für Solarenergie. Er untersuchte unter anderem in einem langjährig angesetzten Screeningprogramm die Eignung unkonventioneller Halbleitermaterialien für die thermoelektrische und photovoltaische Energiekonversion. Das Ergebnis zeigte jedoch, dass Silizium unschlagbar ist. 1992 wurde er Fellow der American Physical Society. Am 20. April 2013 wurde Ernst Bucher mit dem Verdienstorden des Landes Baden-Württemberg ausgezeichnet.

 

 

[Veröffentlicht: Oktober 2016]