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Freitag, 9. November 2012

Power to Gas

Power to Gas? Künstliches Erdgas als Speicher

Die Bundesregierung unterstützt die Technologie "Power to Gas" und viele, etwa die DENA,  finden dies eine sinnvolle Idee Energie zu speichern. Daher will ich das Konzept einmal gründlich analysieren.

Ausgangspunkt

Die Grundidee von Power to Gas liegt in der Umwandlung von überschüssigen Strom aus Windkraftwerken oder aus Solarzellen in Wasserstoff. Da Wasserstoff aber nur schlecht zu speichern ist und mit unserem Erdgasnetz nicht kompatibel ist, wird der Wasserstoff über eine chemische Reaktion zusammen mit CO2 in Methan umgewandelt. Methan ist der chemische Begriff für Erdgas, wie es durch Millionen von Gasleitungen in die Haushalte transportiert wird. Verbrennt man dieses Methan wieder in einer Gasturbine, dann kann man damit Strom erzeugen und hat auch zu Zeiten von Strommangel eine sichere Energiequelle.

Wo liegen die Denkfehler?

Elektrolyse

Der erste Schritt, in diesem Verfahren, die Elektrolyse, kennt jeder noch aus dem Chemieunterricht. Dabei wird im Hofmannschen Apparat Gleichstrom angelegt und schon perlt an der Kathode Wasserstoff nach oben.
Hofmannscher Apparat zur Wasserstofferzeugung
Dieses Verfahren nutzt als Elektroden Platin, ein sehr teures Edelmetall! Für den großtechnischen Einsatz ist es daher erforderlich ein preiswerteres Metall zu finden, hier ist Nickel das günstigste Metall. Dies erfordert aber, dass man eine höhere Spannung anlegt, als theoretisch notwendig wäre, Überspannung siehe Wikipedia, damit verschlechtert sich der Wirkungsgrad.  Der Wirkungsgrad hängt natürlich von den Details der Konstruktion ab, Greenpeace gibt für seine Anlage 73% an. Eine genaue Analyse des Wirkungsgrads findet man in der Studie des Fraunhofer Instituts ISE, die aufzeigt, dass ein wesentlich höherer Wirkungsgrad schwer unter realen Bedingungen zu erreichen ist.
Neben den Wirkungsgrad ist es schwierig, kurzzeitig hohe Ströme in einem Elektrolyseur umzuwandeln, wie es gerade für Systemen benötigt wird, die Spitzen bei der Solar- oder Windenergie nutzen sollen.

Methanerzeugung

Um aus Wasserstoff Methan zu erzeugen, das bedeutet Kohlenstoff anzulagern, benötigt man Kohlendioxid (CO2). Das erscheint zunächst erfreulich, da in der Atmosphäre zu viel CO2 ist. Leider kann dieses CO2 aufgrund der extremen Verdünnung nicht direkt verwendet werden. Eine Alternative ist, CO2 dort zu nutzen wo es entsteht, etwa bei der Verbrennung von Kohle, was extrem aufwendig und unökologisch ist, oder bei Biogasanlagen. Letztere erzeugen viel CO2 bei der Umwandlung von Pflanzen (Mais) in Methan. Prinzipiell ist das CO2 aus solchen Anlagen als Ausgangsstoff für die Methanerzeugung geeignet.  
In einem chemischen Reaktor wird unter Druck dann Methan erzeugt. Der Wirkungsgrad ist etwa 80%, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Damit ist der Wirkungsgrad auch unabhängig vom technischen Fortschritt festgelegt.
Für die Lagerung und den Transport ist es notwendig das Methan zu verdichten. Dazu werden Pumpen benötigt, die einen kleinen Teil der Energie benötigen, die im Erdgas gespeichert ist. 
Der Gesamtwirkungsgrad der Methanherstellung ist das Produkt aus den einzelnen Wirkungsgraden!
In unserer Rechnung: 73% * 80% = 58% Wirkungsgrad

Umwandlung in Strom

Methan ist jedoch noch kein Strom! Das Ziel der Umwandlung von Strom in Methan war die Speicherung von Strom. Will man nur Methan als Erdgas zur Heizzwecken speichern, ist es wesentlich wirtschaftlicher, den Strom direkt in Warmwasserspeicher einzusetzen, man spart dann 42% Verlust und den riesigen Aufwand von Elektrolyseur und Methanerzeugung!
Strom kann aus Methan effizient in einer Erdgasturbine erzeugt werden. Dazu wird das Erdgas in der Turbine verbrannt, ähnlich einer Turbine im Düsenflugzeug, und zur Optimierung kann man die heiße Abluft zur Dampferzeugung nutzen und sozusagen als Nachbrenner noch eine Dampfturbine betreiben.
Der Wirkungsgrad von Erdgas-Dampfturbinen liegt zwischen 50% und 60%. Hier muss man beachten, dass hoher Wirkungsgrad immer über sehr teuere Systeme erkauft wird. Das macht Sinn, wenn eine Turbine 6000 Stunden im Jahr läuft (Grundlast). Wird die Turbine aber nur 1000 Stunden eingesetzt (Spitzenlast), ist es nicht sinnvoll den maximal möglichen Wirkungsgrad zu nutzen. Somit kann man annehmen, dass für die zukünftige Stromversorgung Turbinen für Spitzenlasten einen Wirkungsgrad von 50% aufweisen.
Zu beachten ist jetzt, dass der Gesamtwirkungsgrad mit dem der Methanherstellung multipliziert werden muss!
In unserer Rechnung gilt: 58% * 50% = 28% Wirkungsgrad!
Das bedeutet, von 100kWh, die eingesetzt wurden, erhält man nur 28kWh zurück.

An dieser Stelle werden häufig zwei Argumente in den Raum geworfen:
1. Wenn der Strom praktisch umsonst ist, dann spielt der Wirkungsgrad keine große Rolle
2. Man kann doch noch die Restwärme nutzen.
Die Nutzung der Restwärme ist theoretisch möglich, da wir aber von Spitzenlastkraftwerken ausgehen, ist der Aufwand unwirtschaftlich. Ein Fernwärmenetz, das nur 1000 Stunden im Jahr arbeitet wird kaum jemand wollen.

Denkfehler Strommarkt

Die Vorstellung, dass der Strom zukünftig bei starker Sonneneinstrahlung fast kostenlos ist, erscheint plausibel, da zumindest heute häufig sehr niedrige Strompreise auftreten, wenn die erneuerbaren Energien viel liefern. 
Ein zukünftiger Strommarkt wird aber sehr wohl auf dieses Marktsignal reagieren. Gibt es etwa häufig Strom für 2ct/kWh, dann ist es lohnend, damit den Warmwasserboiler im Keller aufzuheizen und damit (vorübergehend) elektrisch das Brauchwasser zu erwärmen und die Wohnung zu beheizen. Zudem werden andere "smarte" Teilnehmer, etwa Kühlhäuser nur noch dann ihre Klimaaggregate anschalten, wenn der Strom sehr billig ist. 
Daher erwarte ich, dass der Strompreis in einem solchem Umfeld nur sehr selten unter 2ct/kWh fällt, was aber immer noch ein sehr günstiger Einkaufspreis ist!
Steigt der Strompreis an, können alle jene Marktteilnehmer Strom in das Netz einspeisen, die ihn zuvor abgespeichert haben. Und jetzt kommt der Wirkungsgrad ins Spiel!
  • Ein Pumpspeicherkraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 80%. Damit ist es theoretisch bereits bei 2ct/kWh/0,8 = 2,5ct/kWh lohnend, die Turbinen des Pumpspeicherkraftwerks anzuwerfen.
  • Kurz darauf kommen die Betreiber von Druckluftspeichern, diese haben heute einen Wirkungsgrad von 40%. Für sie ist ein Strompreis von 2ct/kWh/0,4 = 5ct/kWh der Grenzpreis, ab dem sie in das Netz mit Gewinn einspeisen können.
  • Und erst bei einem Strompreis von 2ct/kWh/0,28 = 7,1 ct/kWh wird es für den Betreiber der Erdgasturbine (Methan aus Wasserstoff, Wasserstoff aus Strom gewonnen) attraktiv, die Turbine anzuwerfen.
Zu beachten ist, dass diese Rechnung nur den Wirkungsgrad berücksichtigt, nicht die Investition in die jeweilige Technik. In erster Näherung ist aber nicht zu erwarten, dass der Betrieb großer Elektrolyseanlagen, Methanwandler und aufwendige Gasturbinen zum Nulltarif zu haben ist. Ganz im Gegenteil, diese kaum erprobte Technologie wird sehr teuer sein. Daher sollte man ein Auge auf Systeme mit hohen Wirkungsgrad werfen.

Pumpspeicherkraftwerke, die heute 99% aller Stromspeicher ausmachen, haben einen gewaltigen Vorteil, gerade wegen des Wirkungsgrads.
Die Weiterentwicklung des Pumpspeicher in Form des Lageenergiespeichers, ebenfalls Wirkungsgrad 80%, ist daher sinnvoll, da er in einem Strommarkt der Zukunft sehr gute Chancen hat sich zu amortisieren.

Das Konzept Power to Gas wird es aus den oben beschriebenen Gründen im Strommarkt der Zukunft sehr schwer haben.









Kommentare:

  1. Sie liegen mit Ihrere Analsyse aus der Sicht des heutigen Strommarktes bestimmt richtig.
    Eine Methanisierungsanlage mit Rückverstomung hat einen niedrigen Wirkungsgrad und ist dadurch
    relativ teuer bei der Speicherung von elektrischer Energie. Durch die preissenkende Wirkung des
    subventinierten Stroms aus PV Anlagen konkuriert damit Strom für den die Markregeln nicht gelten mit
    Strom dessen Preis an der Börse gebildet wird.
    Der Strommarkt der Zukunft MUSS aber anders funktionieren. In diesem werden Kraftwerke auch für die
    Bereitstellung von Kapazität bezahlt, so dass am Ende der Betrieb eines Spitzenlast Kraftwerkes rentabel wird.
    Das selbe wird für Speicher gelten. Wir müssen schauen wieviel Leitungen, Kraftwerkskapazität und Speicher für einen
    zuverlässigen Betrieb des Stromnetzes benötigt werden und für diese Kontingente können Betreiber Anlagen erstellen.
    Die Kosten(+Marge) werden über einen Schlüssel auf alle Verbraucher umgelegt.
    In solch einem Markt können sich auch Methanisierungsanlagen und Gaskraftwerke rechnen.
    Bei der Methanisierung ist die prinzipielle Funktion nachgewiesen und es kann an der Skalierung gearbeitet werden.
    Beim Lageenergiespeicher steht dieser Nachweis noch aus. Die Vorbereitungen dafür laufen ja schon. Bin gespannt
    wie die Pilotanlage performt...

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  2. Der Kommentar wurde von einem Blog-Administrator entfernt.

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  3. Welche Faktoren verkleinern eigentlich noch den Wirkungsgrad des Lageenergiespeichers auf 80% ,außer der Pumpe und der Reibung zwischen dem Zylinder und der Wand? So viel ich weiß, ist nach dem Pascal'schen Gesetz, der Druck bei Fluessigkeiten und Gasen in einem Gefaess , an jeder Stelle gleich.

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  4. @Explorer9 Der Wirkungsgrad eines Pumpspeichersystems, dies gilt auch für den Lageenergiespeicher, wird durch den Wirkungsgrad der Pumpe und den Wirkungsgrad der Turbine bestimmt.
    Eine sehr gute Pumpe hat einen Wirkungsgrad im Bereich von 90%, davon sind 2% Verlust im Pumpenmotor und 8% hydraulische Verluste, im wesentlichen Wasserreibung.
    Bei der Turbine liegt der Wirkungsgrad ähnlich.
    Zusammen: 90% * 90% = 81%
    Anmerkung: An der Zylinderwand entstehen keine Verluste.

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  5. Das Ganze steht und fällt mit den politische Randbedingungen. Eigentlich brauchen wir die Solarenergie gar nicht, weil es genug Braunkohle gibt. Erst wenn man die Klimaerwärmung verhindern will, wird Solarenergie sinnvoll. Wenn man das wirklich will, dann muss man die Kohle mit einer Strafsteuer belegen, und den Rest erledigt der Markt. Aber solange es Strom aus Kohle für 2 cent gibt, hat alles andere keine Chance.

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    1. Das ist genau der Punkt. Richten wir uns nur nach den Erzeugungskosten (ohne Einrechnung von externen Kosten wie z.B. die Folgen der Umweltverschmutzung) dann ist Ihre Aussage richtig. Das Kuststück, das die Politiker vollbringen sollen, ist trotz des Kostenanachteils von erneuerbaren Energien wie PV und Windkraft, den Ausbau dieser zu unterstützen und möglich zu machen. Das EEG wurde mit diesem Ziel entworfen. Niemand hat jedoch mit den schnell sinkenden Herstellungskosten der PV gerechnet. Daraus kann man zwei Dinge lernen.
      1. Gesetze die so langfristige (20 Jahre garantierter Preis) Wirkung haben, müssen dynamische Anpassungen erlauben. Das wird momentan an das Gesetzt drangebastelt.
      2. Subventionen setzen Markregeln außer Kraft und können zum Versagen des Marktes führen, so dass die Politik wieder eingreifen muß.

      Wenn es ein von der Gesellschaft gewolltes Ziel ist, auf alternative Energien zu setzen (und das ist in Deutschland mittlerweile der Fall) dann hat die Politik die Aufgabe, alle Beteiligten zu zu steuern, dass Energieversorger einen Anreiz haben, sich in diese Richtung zu entwickeln und die Verbraucher trotzdem preiswerten Strom zuverlässig geliefert bekommen. Das erfordert Steuerung und Optimierung im Gesamtsystem und genauso auf allen Ebenen der Energieversorgung bis hin zum Endverbraucher.

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  6. Intelligente Stromzähler: Die Technik wäre vorhanden, der politische Wille nicht. Würde der intelligente Stromzähler dafür eingesetzt, den Strompreis anhand des aktuellen Preises an der Börse nachzuvolziehen, anstatt dem Verbraucher einen nutzlosen Überblick zu geben, wann genau er seine Waschmaschine angschaltet hat, dann wäre plötzlich ein unglaublich starkes Regulativ vorhanden. Anstelle von Durchlauferhitzern gäbe es plötzlich nur noch Wärmepumpen mit Wasserspeicher, die den billigen Strom über Stunden speichern können, und was in der Industrie los ist, kann man sich gar nicht vorstellen. Dazu müßte aber der Strompreis wirklich schwanken. SO wie bisher, also 23 cents am Tag und 20 cent in der Nacht bringt gar nichts.

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