Warum hat grüne Energie eine schwierige Zukunft?

Fast die Hälfte der Beiträge in unserem Blog befasst sich in gewissem Maße mit Energie unterschiedlicher Grade alternativer und nicht alternativer Natur. Aber um realistische Prognosen über die "grüne" Energie der Zukunft zu erstellen, müssen Sie die Antworten auf unangenehme Fragen kennen. In diesem Beitrag werden aktuelle Fakten aus dem Bereich der Energieerzeugung und -speicherung verglichen, um zu verstehen, warum die Welt keine Eile hat, auf umweltfreundliche erneuerbare Energiequellen umzusteigen, und welche Probleme auf dem Weg der Ökologisierung noch zu lösen sind.

Ausnahmslos jeder hat einen Anstieg des Anteils grüner Energie in der Welt festgestellt. Über diese Tatsache lässt sich nichts streiten: Die Entwicklung der Sonnen- und Windenergie nimmt von Jahr zu Jahr in beeindruckendem Tempo zu. Bedeutet dies, dass erneuerbare Energien fossile Brennstoffe immer mehr verdrängen? Nein.

Vergessen Sie nicht, dass von Jahr zu Jahr nicht nur grüne Energie, sondern auch der weltweite Stromverbrauch zunimmt. Um die Nachfrage zu befriedigen, reichen erneuerbare Energiequellen allein nicht aus, daher erhöhen die Sektoren Kohle, Gas und sogar Öl das Produktionsvolumen. Das heißt, es ist möglich, über die Entwicklung der grünen Energie zu sprechen, aber es gibt keine Möglichkeit, sie durch fossile Brennstoffe außerhalb der fortschrittlichsten europäischen Länder zu ersetzen.


Wenn Sie die Energieerzeugung aller relevanten Brennstoffe betrachten,
es stellt sich heraus, dass nicht nur die "grüne" energie wächst. Die Berechnung erfolgt in „Tonnen Öläquivalent“ - das Äquivalent der Energie, die aus Tonnen Öl gewonnen wird. Quelle: BP Statistical Review of World Energy 2019

EROI - der wahre Wert von Energie

Bei der Diskussion von Ökostromprojekten weisen die Entwickler als Argument auf die geringen Kosten von 1 kWh hin, die teilweise sogar unter dem Preis einer Kilowattstunde eines Kohlekraftwerks liegen. Wenn dem so ist, warum beträgt der Anteil der Kohle an der weltweiten Stromerzeugung immer noch 40% , und bekommt er nicht weniger fossiles Gas auf den Fersen?

Am zutreffendsten ist es, die Kosten für den Strombezug auf verschiedene Weise anhand des EROI-Indikators (Energieertrag aus investierter Energie) zu bewerten und zu vergleichen - dem Verhältnis des von der Quelle bezogenen Stroms zu dem für die Erzeugung aufgewendeten Strom. Mit EROI können Sie die Aussichten eines Energieträgers im Gegensatz zu einer rein theoretischen Effizienz oder einem Preissprung von Land zu Land 1 kWh am genauesten einschätzen. Beispielsweise bedeutet EROI 20: 1 für eine bestimmte Brennstoffart, dass für jede ausgegebene kWh 20 kWh erzeugt werden können.


EROI-Diagramm für verschiedene Energiearten in den USA. Quelle: Mrfebruar / Wikipedia

Der EROI für jeden Ausgabetyp kann im Laufe der Zeit stark variieren. Dies hängt von Produktions- und Verarbeitungstechnologien, nachgewiesenen Reserven und der Komplexität der Kraftstoffherstellung, den Ausrüstungspreisen und der Energiequelle selbst ab. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als Öl leicht zugänglich war, betrug der EROI seiner Produktion fantastische 1200: 1, und jetzt gleicht er sich auf dem Niveau von 5: 1 aus und fällt langsam weiter ab. Das Verhältnis für Kohle stieg auf 75: 1 und sank auf 30: 1. Erstaunlicherweise prognostizieren Wissenschaftler den Höhepunkt des Kohle-EROI in der Mitte des 21. Jahrhunderts, wenn das Verhältnis 100: 1 überschreiten kann.

Theoretisch sollte der EROI des Kraftstoffs über 1 liegen, damit seine Verwendung angemessen ist. Bei einem Verhältnis von weniger als 4: 1 muss die Energiequelle subventioniert werden, da ihre Verwendung sonst unrentabel und sehr teuer wird. Ein EROI knapp über der Einheit ist nur für Bergbauunternehmen zulässig, bei denen es nur darum geht, die Ressource zu extrahieren und später zu verkaufen - Ölunternehmen fühlen sich sogar mit einem Verhältnis von 1,1: 1 wohl.

EROI traditionelle Energie

Das obige EROI-Diagramm für die US-Energiewirtschaft für 2010 ist sehr aussagekräftig und allgemein für andere Länder gültig. Wasserkraftwerke mit einem EROI von nahezu 100: 1 stehen auf einem unerreichbaren Wirkungsgrad Olympus. Der Bau eines großen Wasserkraftwerks ist ein sehr teures Unterfangen. Der chinesische Komplex Three Gorges kostete Chinas Budget 25,5 Milliarden US-Dollar, von denen die Station selbst nur 9 Milliarden US-Dollar kostete. Dank des höchsten EROI und der installierten Leistung von 22,5 GW hat sich Three Gorges ein Jahr nach der offiziellen Inbetriebnahme oder vier Jahre nach dem Start der ersten Turbine amortisiert.


Lernen Sie das mächtigste Kraftwerk der Welt kennen - das Drei-Schluchten-Wasserkraftwerk am Jangtse. Installierte Leistung von 22,5 GW! Quelle: Le Grand Portage / Wikipedia

Die Kohle, die jetzt furchtbar archaisch und unglaublich schmutzig wirkt, wird auch in Europa nicht an Boden verlieren, nur weil der EROI bei 30: 1 liegt (viel höher in den USA). Überraschenderweise ist der europäische Rekordhalter für den Kohleverbrauch ... Deutschland. 61% des eingekauften Anthrazits und 93% der Braunkohle in Europa werden speziell zur Stromerzeugung eingesetzt. Darüber hinaus hat in Deutschland im vergangenen Jahr das Volumen der "grünen" Produktion die Produktion aus fossilen Quellen übertroffen. Ende 2019 schloss die Kommission zur Aufgabe der Kohleerzeugung ihre Arbeit in Deutschland ab und legte der Regierung Pläne und Empfehlungen für die Einstellung des Betriebs von Kohlekraftwerken bis 2038 vor. Mittlerweile gibt es 84 Kohlekraftwerke im Land, die gezwungen sind, die Aufgabe der Atomkraft zu glätten. Bis 2022 wird Deutschland alle seine Kernkraftwerke schließen, obwohl bereits in den 2000er Jahren ein Viertel der Atomkraft des Landes erzeugt wird.


Karte des Betriebs von Kohlekraftwerken in Deutschland (schwarz auf Anthrazit, braun auf Braunkohle) - sie machen ein Viertel der Gesamtproduktion des Landes aus. Daher müssen die Behörden versuchen, das Verschwinden von 48,8 GW Strom zu kompensieren. Quelle: CarbonBrief.org

Wenn Kohle ein sehr schmutziger Brennstoff ist, dann ist Erdgas viel umweltfreundlicher und wird als der vielversprechendste fossile Brennstoff für Kraftwerke der Zukunft angesehen. Sein EROI in den Importländern beträgt 20-30: 1 und in Russland, das Gas fördert, nicht weniger als 75: 1. das macht gas attraktiv und gefragt. Stärker als anderswo - in Deutschland, wo die Ablehnung von Kohle- und Kernkraftwerken dringend kompensiert werden muss und wo erneuerbare Energien allein keine Möglichkeit sind, dies zu tun.

Grüner EROI

Kommen wir nun zu EROI "grüner" Energie - dort macht vorerst wirklich alles keinen Spaß. Das Problem der erneuerbaren Energien ist ihre starre Bindung an das Gebiet. Solarstationen funktionieren besser in der Nähe des Äquators, Wind - an der Küste, Geothermie - in Gebieten mit vulkanischer Aktivität. Gleichzeitig wird die Produktion auf Solarmodulen nachts eingestellt und im Winter sinkt sie erheblich, Windmühlen werden für die Zeit der Vogelwanderung abgeschaltet, und obwohl geothermische Stationen effektiv sind, ist ihre Leistung äußerst gering (Dutzende, im besten Fall Hunderte von MW).

Theoretisch kann Windenergie sehr kostengünstig und entwicklungsschwach sein, aber einer der bislang besten deutschen Marine (Offshore) -Komplexe mit einer installierten Leistung von 200 MW weist einen EROI von 16: 1 auf. Und obwohl der Wind mehr als 21% der deutschen Produktion ausmacht, stagniert die Branche - das Tempo beim Bau neuer Windmühlen für das Jahr ist um 80% gesunken, und die Kapazität der im Bau befindlichen Stationen ist 26-mal niedriger als das theoretische jährliche Wachstum, das für den stabilen Ersatz fossiler Brennstoffe durch Windenergie als notwendig erachtet wird. Die Strenge der Gesetze und die mangelnde Bereitschaft der Bürger, Windmühlen in der Nähe ihrer Häuser zu haben, haben den deutschen Windenergiemarkt an eine bestimmte Grenze geführt, die nur schwer zu überschreiten sein wird - alle hoffen auf eine Modernisierung der Generatoren, um ihre Effizienz zu steigern. Dies kann den EROI übrigens noch weiter senken.


Die weltweiten Investitionen in Solar- und Windenergie sind im letzten Jahrzehnt praktisch unverändert geblieben. Quelle: Internationale Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA), Frankfurt School-UNEP Center / BNEF

Wenn die Windenergie insgesamt nicht schlecht ist, obwohl sie ihre eigenen Nuancen und Grenzen hat, dann ist mit der Sonnenenergie alles völlig trostlos. Wir haben bereits über die Gründe geschrieben, warum die Sonne nicht zu einer universellen Quelle unendlichen Stroms geworden ist, obwohl es effiziente Sonnenkollektoren seit mehr als einem halben Jahrhundert gibt. Aufgrund des geringen Wirkungsgrades billiger Dünnschichtplatten (6-8%) und der Notwendigkeit, sehr großflächige Stationen zu bauen, sowie aufgrund der Tages- und Jahreszeit ist die EROI-Solarenergie in Europa auf einem absolut entmutigenden Niveau: 1,6: 1. Der Habr-Leser führte sehr interessante Berechnungen für eine theoretische Station im sonnigen amerikanischen Arizona durch, einem der besten Orte für Sonnenenergie, wonach er ein "sphärisches Vakuum" EROI 3,8: 1 erhielt.

Die vollautonomen Wasserstoff-Brennstoffzellen-Kraftwerke H2One von Toshiba sind bereits in Betrieb. Sie erhalten Energie für die Elektrolyse von Sonne oder Wind

Leider läuft auch Wasserstoff nicht rund. Als absolut umweltfreundlicher tragbarer Energieträger ist Wasserstoff unverzichtbar, für seine Herstellung muss jedoch viel Energie aufgewendet werden, wodurch der EROI von Brennstoffzellen unter 2: 1 liegt. Die einzige kostengünstige Möglichkeit, Wasserstoff für Brennstoffzellen zu produzieren, besteht bisher darin, die Energie der Sonne oder des Windes zu nutzen. Wir haben bereits darüber gesprochen, wie Toshiba dieses Problem mit seiner mobilen Brennstoffzellenanlage Toshiba H2One , die selbst Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt und dabei Energie aus Solarmodulen und Batterien gewinnt, auf elegante Weise löst.

Der Bedarf an Energiespeichern

Eine ebenso instabile Energiequelle wie Wind und Sonnenlicht ist kaum zu finden. Gleichzeitig hängt ihre Erzeugung nicht vom Verbrauchsvolumen im Netz ab - nachts, während die Stadt schläft, kann der Windgenerator verzweifelt drehen und die maximal mögliche Leistung erzeugen, einfach weil der Wind weht, und tagsüber - auf dem Höhepunkt des Verbrauchs - herrscht Ruhe. Um die überschüssige Leistung nicht zu verlieren und deren Stillstand aus natürlichen Gründen auszugleichen, muss Energie gespeichert werden. Für fossile Kraftwerke war dies bisher kein Problem. Die einzige adäquate und allgemein verfügbare Möglichkeit, Strom zu speichern, sind Batterien.


Hydraulikspeicher berücksichtigen wir aufgrund des hohen Preises und der Genauigkeit im Gelände nicht. Dies ist ein Diagramm eines kleinen Wasserkraftwerks, das nachts Wasser in ein sich ansammelndes Becken pumpt und es tagsüber durch Generatoren leitet. Um es milde auszudrücken, nicht die einfachste und bequemste Lösung. Quelle: Spender / Wikipedia

Zwar gibt es keine universelle Lösung für die Akkumulation großer Elektrizitätsmengen in Batterien. An kleinen Stationen wie Windmühlen kommt man mit einer Reihe von Lithium-Ionen-Batterien (Lithium-Eisen-Phosphat) aus. Ihre Energieintensität ist doppelt so niedrig wie die von Lithium-Cobalt-Massenbatterien (120 W · h / kg), die Lebensdauer beträgt jedoch 2000 Lade- / Entladezyklen.

Eine andere vernünftige Möglichkeit ist die Verwendung gebrauchter Batterien von Elektrofahrzeugen. In der Regel muss eine Batterie ausgetauscht werden, die 20% ihrer Kapazität verloren hat. Andernfalls verringert sich die Laufleistung des Fahrzeugs durch eine einzelne Ladung merklich. Um die kostenintensive Entsorgung einer noch funktionierenden Batterie zu vermeiden, kann diese so angepasst werden, dass sie Energie aus grünen Quellen speichert. Dies geschah im Stadion Johan Cruyff Arena (54.990–68.000 Zuschauer) in den Niederlanden, Amsterdam, das nach der Perestroika in den Jahren 2016–2018 energetisch völlig autonom wurde. Auf dem Dach sind 4.200 Sonnenkollektoren installiert, die Energie in 280 gebrauchten Nissan Leaf-Batterien speichern. Nichtsdestotrotz hat das Stadion den Strom aus dem Stadtnetz nicht vollständig verweigert - Batterien helfen bei Abendveranstaltungen, bei denen eine starke Beleuchtung erforderlich ist, die Last auszugleichen. Das Stadion würde nicht jeden Abend mit Batterien arbeiten können.


Auf dem Dach der Johan Cruyff ArenA (ehemals Amsterdam ArenA) sind Sonnenkollektoren gut sichtbar - das Stadion versorgt sich so viel wie möglich mit Strom (wenn Sie mit dem Wetter glücklich sind). Quelle: Cornwall NISSAN / YouTube

Die Akkumulation von Strom aus erneuerbaren Energiequellen in Batterien, um Verbrauchsspitzen auszugleichen und den Mangel an Erzeugung auszugleichen, klingt sehr vernünftig. Das Problem der Reduzierung der Kosten für die Energiespeicherung ist jedoch noch nicht gelöst. Aufgrund der Batteriekosten steigt der Preis für kWh aus „grünen“ Quellen um das 3-4-fache und erreicht 0,45 USD (Lazard-Bericht, S. 12). Dies kann nur durch die Schaffung neuer Batterietypen bewältigt werden: geräumig, langlebig, kostengünstig. Wir haben früher über vielversprechende Entwicklungen in diesem Bereich geschrieben.

Prosumerismus als Mittel zum Sparen

Wie kann das Problem der hohen Kosten für kWh aus erneuerbarer Energie gelöst werden, die in Batterien gespeichert sind? Sie können den daraus resultierenden nicht beanspruchten Überschuss verkaufen. Dank der Anhäufung von Energie ist ein neues Phänomen aufgetreten - Prosumerismus. Antonymie für Konsum (Konsum), dh Verkauf einer Dienstleistung an ihren Anbieter. Wenn es einfacher ist, dann handelt es sich um den Verkauf der in Batterien gespeicherten Energie durch den Verbraucher zurück an das Netz an diejenigen, die sie benötigen. Angenommen, Sie sind ein Privathaushalt oder ein kleines Unternehmen mit eigenen Stromquellen. Ein Teil davon wird verbraucht, ein Teil in Batteriemodulen gespeichert. Wenn es einen Produktionsüberschuss gibt und es nirgendwo im wahrsten Sinne des Wortes mehr Energie gibt, können Sie diese an das Netzwerk verkaufen, als ob Sie ein kleines Kraftwerk wären. Eher nicht klein, aber virtuell - wir haben über virtuelle Kraftwerke und die Beteiligung von Toshiba an der Entstehung dieses positiven Phänomens geschrieben.


Toshiba bietet bereits eine Lösung für die Verwaltung des Akkus: Das System analysiert ständig den Verbrauch oder die Leistung, gleicht die Belastung des Akkus aus und verbindet ihn in Spitzenzeiten viel schneller als dies manuell möglich ist. Und in Zukunft wird das Toshiba-System die Funktion des Prosumerismus erhalten - den automatischen Verkauf von Energie an das Netzwerk. Quelle: Toshiba

Die bemerkenswerteste Implementierung des virtuellen Kraftwerksprojekts ist Tesla Powerwall - eine Heimbatterie, die von einem Solarpanel mit einer Kapazität von 6,4 bis 13,5 kWh angetrieben wird. Verbraucher können nicht nur billigen Strom aus dem Netz oder „kostenlos“ von der Sonne einkaufen, sondern ihn auch über Online-Börsen an das Netz zurückverkaufen. Powerwall wurde weltweit mit einer Gesamtkapazität von 300 MWh verkauft.

In Russland wurde der „Plan für Maßnahmen zur Förderung der Entwicklung von Erzeugungsanlagen auf der Grundlage erneuerbarer Energiequellen mit einer installierten Leistung von bis zu 15 kW“ in der gleichen Bedeutung wie Tesla Powerwall gebilligt, der Prozess des Prosumismus ist jedoch noch nicht gesetzlich vorgeschrieben. Durch den Verkauf von überschüssigem Strom können die Kosten für den Verbrauch von Ökostrom leicht gesenkt werden. Aber auch hier hängt alles von den Kosten der Batterien ab - in der gegenwärtigen Phase der technologischen Entwicklung beträgt die Amortisationszeit fast 10 Jahre.

Die Zukunft ist schön, aber weit weg

Eigentlich wollen wir keine Skepsis gegenüber erneuerbaren Energien und dem Übergang zum „grünen“ Energiesektor als Ganzes zeigen. Öl ist endlich, die Produktionskosten steigen ständig, aber bei einem Gas und Kohle kann die ökologische Situation nicht korrigiert werden. Bis die Menschheit die kontrollierte Kernfusion unterworfen hat, wird es notwendig sein, die aktivsten Entwicklungen auf dem Gebiet der grünen Energie durchzuführen. Dies ist ein sehr schwieriger Weg, der darin besteht, komplexe Probleme zu lösen: wirtschaftliche, technologische und sogar soziale.

Das Beste, was in einer solchen Situation getan werden kann, ist, die Forschung um jeden Preis fortzusetzen und zu versuchen, Solar-, Wind- und Geothermie effizienter und noch erschwinglicher zu machen. Der Prozess ist im Gange, der Fortschritt ist nicht in einer Sackgasse, und die Welt gibt fossile Brennstoffe langsam aber sicher auf, bis ihre Verwendung zu teuer und gefährlich ist. Und wir sind sehr stolz darauf, dass Toshiba sich aktiv in diese Angelegenheiten einbringt und alle Arten von alternativer Energie effektiv entwickelt.