Sättigung bei den „Erneuerbaren Energien“. Der κ (Kappa-) Effekt

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Zusammenfassung (Abstract). Untersucht wurde das dynamische Verhalten von Erntefaktoren (EROI) „Erneuerbarer“ Energien, insbesondere Wind- und Solarkraft, hinsichtlich installierter Leistung.

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Fazit: Berücksichtigt man vollumfänglich die effektiv bereitgestellte bzw. anderweitig abgezwackte Pufferungsenergie, so gab es in den letzten Jahren in Puncto Beitrag zur Energieversorgung gar ein Negativwachstum bei den „Erneuerbaren“. Während die Pufferungsenergie insbesondere bei Wind überproportional stieg, sackte der gepufferte EROI spätestens 2019 unter 1 ab.   

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Die Treppenlinie für die installierte Leistung der Onshore-Windkraft © Rolf Schuster.
Der zeitliche Zubau wird so viel exakter wiedergegeben.

Aufmerksamen Lesern der „AG Energetik“ wird aufgefallen sein, dass der Titel vom Teil 1 unserer AG zur »Sättigung bei den „Erneuerbaren…“ « vom ursprünglichen „κ- (Kappa) Effekt“ in „χ- (Chi) Effekt“ abgeändert worden ist. Nun hat dies folgende Bewandtnis. Auf der Suche nach den Ursachen der einwandfrei beobachteten Sättigungseffekte bei den „Erneuerbaren“ stellte sich heraus, dass die gewonnene Brutto-Energie mit dem weiteren Zubau der „Erneuerbaren“ eben nicht Schritt hält. Den korrespondierenden Differenzen-Quotienten haben wir eben als  „χ- (Chi)“ bezeichnet:

; „u“ steht für unbuffered – dazu gleich mehr.

Nun wollen wir uns im 2. Teil der AG der klassischen Pufferung widmen. Wir vermuten nämlich stark, dass diese einen weitaus höheren Einfluss auf die Sättigungseffekte haben dürfte, als das ungepufferte – und erst recht, wenn man die Pufferungsenergie umfangreicher auffasst, als dies gemeinhin der Fall ist.

Der κ- (Kappa-) Effekt. Die AG Teil 2

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Um den gepufferten Koeffizienten zu ermitteln, kommen wir nicht umhin, uns genau plausibel zu machen, was mit der Pufferungsenergie gemeint ist. Es handelt sich nämlich um diejenige Energie (bzw. graue Energie von technischen Vorrichtungen), die für die Pufferung „extra“ bereitgestellt werden muss. Energie wiederum, die so oder so da ist und nicht speziell durch die Pufferung erzwungen wird, zählt hingegen nicht zu dazu. Dies haben wir im Teil 1 an folgenden Beispielen festgemacht:

» Beispiele:

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Eine Idylle, die hoffentlich Fotomontage bleiben wird.
© Olivier Maire. Swisswinds

1) Das Stromnetz selbst hat eine (wenn auch eine äußerst geringe) Speicherkapazität, die zur Pufferung von EE’s genutzt wird. Die Aufwendungen, die damit verbunden sind, können jedoch nicht aufs -Konto gerechnet werden, da das Stromnetz „so oder so“ da ist. Muss es hingegen ausgebaut werden, um z.B. mit zunehmender Menge an volatilem Strom fertig zu werden, zählen diese Aufwendungen, etwa die graue Energie, ganz klar zu dazu;

 

2) Ein Wasserkraftwerk, das z.B. einen kleinen Windpark intermittierend puffert, hat einen begrenzten Wasserzufluss, also erzwingt der Windpark selbst keinen „suboptimalen“ (weil gedrosselten) Betrieb, wie dies z.B. beim Kohlekraftwerk, das auf 60% der Nominalleistung fährt, der Fall ist. Verluste an den Wasserturbinen entstehen so oder so, früher oder später. Dies funktioniert freilich nur so lange, bis der Stausee voll- oder leerläuft. 😳 «

Soweit so gut. Die Frage, die sich einem interessierten Leser sofort aufdrängt, ist wohl die, inwieweit sich das Szenario aus Beispiel 2 auf eines mit einem konventionellen- statt Wasserkraftwerk übertragen lässt. Nun, entgegen dem Eindruck, den man auf den ersten Blick gewinnen kann, unterscheiden sich beide Szenarien ganz prinzipiell voneinander: Ein KKW (Kohle- oder Kernkraftwerk – je nach Gusto) verfügt nämlich nicht über einen angeschlossenen Speicher in Form von einem Stausee. So läuft es zwar bei Dunkelflaute im günstigen Nominalbereich, aber sobald es windiger und/oder sonniger wird, muss das KKW herunter gedrosselt werden, damit der „Ökostrom“ :mrgreen: kraft EEG in die Netze aufgenommen werden kann.

Selbstverständlich werden solche Phasen in der EE-Branche wie auch in den EE-affinen Medien frenetisch bejubelt...🙄 Eine ganz kurze energetische Analyse des Sachverhaltes zeigt jedoch, dass die EE in einem solchen Szenario in hohem Maße parasitär wirken. Sie rauben nämlich dem KKW seinen EROI, indem sie seine Energieernte verhindern, entschädigen es aber keineswegs bei der Gestehungsenergie – von einem suboptimalen 60%-Betrieb ganz zu schweigen. Dabei ist diese „geraubte“ Energie schon alleine von der Kausalität hier schlicht die Pufferungsenergie und zählt somit vollumfänglich zu dazu!

Eine PPV mit zwei Teslas und zwei hauseigenen Batterien.
Aber selbst im sonnigen Kalifornien ist es nur bei einem geeigneten Verhalten energetisch sinnvoll. © tesla.com

Um die energetische Zumessung ein wenig zu üben (und auch um den EE-Fan bei Laune zu halten) machen wir einen Abstecher und untersuchen eine typische Nischenanwendung in Form von privater PV-Anlage -im folg. „PPV“. Wir wissen zwar aus den Untersuchungen der Schweizer Wissenschaftler ➡, dass der gepufferte EROI bei PV unter 1 liegt, aber so einfach ist die Sache nicht. Wie so häufig, steckt der Teufel im Detail und dieses Detail heißt auch hier die Pufferung. Denn das, was ein industrieller EE-Betreiber nicht machen kann – nämlich die Produktion antizipieren und ein Demand-Management betreiben – schafft’s der Eigenheim- und PPV-Besitzer u.U. sehr wohl. Verzichtet er auf die Einspeisevergütung, aus den vorhin genannten Gründen, bleibt er bei fossiler Heizung (da ansonsten die saisonalen Schwankungen durch nichts auszugleichen wären) etc. so kann er durch ein ausgeklügeltes Demand Management zusammen mit dem Elektroauto, den Klimaanlagen, Kühlschränken etc. einerseits sein minimieren, anderseits die Stromspitzen sinnvoll verwerten und zwar ohne einen gesonderten energetischen Aufwand. Dies funktioniert freilich nur dann, wenn er sich all die eAutos, Weinkühlschränke etc. auch ohne die PV zugelegt hätte 😉. Aber auch wenn wir dies wohlwollend unterstellen, kommen wir nicht über einen EROI von 3 oder (im Süden) 4 hinaus! Der Grund ist das ans Lebensende der PV-Anlage anzuschließende Recycling, das u.U. als Plasmarecycling extrem hohe energetische Kosten nach sich zieht. Nun ja… Physik ist manchmal schrecklich unbarmherzig...👿

➡ Es handelt sich um eine Studie von Ferruccio Ferroni, Alexandros Guekos und Robert J. Hopkirk aus dem Jahre 2016

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Speicherung des Windstroms, aus „Wieviel Zappelstrom verträgt das Netz“
© 2014 IFO-Institut, H. W. Sinn

Soweit so gut. Allerdings wird sich der Leser der beiden AG’s an dieser Stelle womöglich fragen, was denn diese Überlegungen mit dem eigentlichen Gegenstand der beiden AG’s zu „Sättigungseffekten“, insb. die des vorliegenden Teil 2, zu tun haben. Nun, das sieht man spätestens dann, wenn man versucht die Pufferungsenergie direkt zu berechnen. Denn offensichtlich dürfte es enorm schwierig werden zu ermitteln, welche Energien und in welchem Umfang zu zu zählen sind und welche nicht. Diese Berechnungen würden den Rahmen und auch die Ressourcen der „AG Energetik“ sprengen. Aber nun eröffneten unsere bisherigen Überlegungen eben eine andere Möglichkeit zu ermitteln und zwar mittels des Ausschlussverfahrens. Denn wir wissen nicht zuletzt aus all den stolzen 🙄 Verlautbarungen der Ökobranche, wieviel „Ökostrom“ (brutto!) im Jahre X abgegeben wurde – auf der anderen Seite kennen wir die gesicherte Leistung ➡ der EE sowie die verfügbaren Speicher mitsamt deren Kapazitäten, Wirkungsgraden, EROI’s etc.:

Dabei ist die „gesicherte“ ➡ Energie, während für die aus dem Speicher steht; „“ für Vorratsbecken im Pumpspeicherkraftwerk 😀.

➡ Als gesicherte Leistung gilt eine über 99.5% der Betriebszeit hinweg bereitgestellte Leistung. Die korrespondierende „gesicherte“ Energie bezeichnen wir als .
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Mit anderen Worten, all das, was auf gesicherte oder netto gepufferte Leistung zurückgeht, ist effektive Nutzenergie, während der Rest schlicht ist; man könnte auch mit Fug und Recht vom „Energiemüll“ sprechen 👿. Jedenfalls können wir den Pufferungskoeffizienten – immer noch als Verhältnis des ungepuffertem zu gepuffertem EROI – wie folgt angeben:

Speicherung von Wind- und Sonnenstrom (kumuliert)
Aus „Wieviel Zappelstrom verträgt das Netz“
© 2014 IFO-Institut, H. W. Sinn

Eigentlich ist alles klar. Bei einem konventionellen Kraftwerk ist die gesamte Energie, die es abgibt, gleichzeitig die gesicherte Energie, also gilt . Hingegen ist das gleich Null, denn das KWK kann höchstens, falls eine Fehlplanung vorliegt, einem trocken gelaufenen PSW (Pumpspeicherkraftwerk) sein Wasserbecken auffüllen, was wiederum eine völlig andere Geschichte wäre😉. Jedenfalls gilt für konventionelle Kraftwerke nun einmal , was bei den EE eben nicht der Fall ist. Ob die Faktoren von 4 bei Windkraft und 2.5 bei Solarkraft, wie es das bekannte Diagram nebenan suggeriert, wirklich stimmen, das wollen wir freilich genau wissen.

Was die gesicherte Leistung bei der Windkraft anbelangt, so liegt diese mit etwas über 130 MW gerade so im Bereich der OnBoard-Leistung der „Akademik Lomonosow“ 😛. Die betr. Jahresproduktion von immerhin nicht-volatilem Strom beträgt somit stolze 1.15 TWh. Der Rest müsste dann freilich dem Speicher kommen und hier geht der Katzenjammer erst so richtig los. Denn die einzig brauchbare Speichertechnologie sind in der Tat die Pumpspeicherwerke (PSW). Alles andere – P2G, P2H etc. – weist z.T. so miserable Wirkungsgrade auf, dass deren Beitrag zur Bereitstellung von Speicherkapazitäten derzeit noch zu vernachlässigen ist. Von den PSW hat Deutschland 35 an der Zahl und deren „Leistung“ wird mit 6.7 GW angegeben. Das hört sich erst einmal nicht schlecht an, denn das wären immerhin 6 EPR’s. Aber bei näherem Hinsehen entpuppt sich alles doch als der sprichwörtliche Tropfen auf heißen Stein. Denn die Gesamtkapazität all dieser PSW’s beträgt nur ca. 38 GWh. Was das wiederum heißt, zeigt ein kurzes Review auf unser vorheriges Beispiel 2.

Ein Diagram – ein Klassiker! Es entstand nach unserer Kenntnis um das Jahr 2010 herum aus einer uns unbekannten Feder. Wer unter © gesetzt werden sollte, möchte uns bitte einen dezenten Hinweis geben. :mrgreen:

Wir machen wir folgendes Gedankenexperiment. Unser Speicher ist zunächst leer. Dann kommt quasi wie gerufen ein kräftiger Wind auf, so dass wir es auf 6.7 GW bringen – eine Last, die unsere PSW gerade so schultern können. Wir lassen den Speicher auf 38 GWh voll- und anschließend, ebenfalls mit 6.7 GW, wieder leerlaufen. Beide Vorgänge dauern (unter Idealbedingungen) gleich lang und zwar jeweils knappe 6 Stunden.

Demzufolge geben unsere Speicher im Schnitt 3,3 GW her, wovon wir 2.5 GW auf den Windstrom zurückführen wollen – macht eine jährliche Windstrom-„Produktion“ von 22 TWh, was nach Abzug von Friktionsverlusten, Gestehungsenergie etc. 13-15 TWh per anno ergibt. Und wie es der Zufall will, ergibt dies für den Anfang der Dekade bei einer Stromproduktion um die 50 TWh einen um die 4 :mrgreen:. Dem aufmerksamen Leser dürfte diese Zahl irgendwie bekannt vorkommen – vgl. Diagram nebenan! →

Und da haben wir es, unser „qed“! Denn seit Anfang dieser Dekade hat sich an den PSW-Kapazitäten so gut wie gar nichts geändert, während die (brutto) Windstrom-Produktion um den Faktor 2.5 stieg. Und so liegt bei der Winkraft im Jahre 2019 bei etwa 10 😳 – will heißen, dass der gepufferte EROI selbst bei Offshore-Wind mittlerweile unter 1 liegt 😯.

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