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Windgas – oder wie man mit fluktuierendem Ökostrom eine sichere Energieversorgung ermöglicht
Wind- und Solarkraft sind wichtige Träger der regenerativen Stromerzeugung. Problematisch ist, dass bei diesen Technologien die Stromproduktion je nach Wetter schwankt. Gleichzeitig schwankt auch die Stromnachfrage der Konsumenten, je nach Jahres- und Tageszeiten. Das Kunststück besteht nun darin, Angebot und Nachfrage in Einklang zu bringen. (Dies ist Voraussetzung für eine sichere und vollständig regenerative Stromversorgung.) Derzeit wird unter dem Stichwort „Windgas“ eine neue Technologie erprobt, die diese Probleme lösen könnte.
Windstrom wird zu Windgas
Die oben beschriebenen Probleme können künftig noch besser gelöst werden, wenn die in Wind- und Solarstrom enthaltene Energie in irgendeiner anderen, umweltfreundlichen Form gespeichert werden kann. Ein bekanntes Beispiel für eine solche Speichertechnologie sind Pumpspeicherkraftwerke. Solche Pumpspeicherkraftwerke existieren bereits in Deutschland, haben bislang jedoch noch eine viel zu geringe Kapazität.
Ein neues Speicherkonzept stellt darauf ab, Windstrom in synthetisches Erdgas umzuwandeln. In einem Elektrolyseverfahren wird mit Hilfe des Windstroms Wasser in seine Grundbestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff wird dann in einem zweiten Schritt mit CO2 zu Methan (CH4) umgewandelt, wodurch synthetisches Erdgas entsteht. Dieses Erdgas kann anschließend ins deutsche Erdgasnetz eingespeist und damit gespeichert werden. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Strom zu Erdgas beträgt über 60 Prozent. Die Grundlagen der verwendeten Technik stammen von den Forschungsinstituten ZSW und Fraunhofer IWES.
Das Verfahren wird derzeit von zwei Firmengruppen in der Praxis erprobt. Der Energieversorger Greenpeace Energy plant ab 2012, Windgas zu verkaufen. Weitere Anwender der Windgas-Technologie sind die Juwi-Gruppe und die SolarFuel GmbH. Die beiden Firmen haben zusammen eine Windgasanlage in der Morbacher Energielandschaft im Hunsrück installiert.
Die Windgas-Technologie als Problemlöser
Die Windgas-Technologie (die selbstverständlich auch mit Solarstrom betrieben werden kann) bietet ein großes Potential und löst verschiedene Probleme auf dem Weg zu einer vollständig regenerativen Energieversorgung:
- Mit dem deutschen Gasnetz wird ein gigantischer Speicher erschlossen. In ihm können 514 Terawattstunden (TWh) Energie gespeichert werden. Zum Vergleich: die aktuell in Deutschland vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke können lediglich 0,6 TWh speichern. Die Speicherfähigkeit des Gasnetzes würde ausreichen, um für zwei bis drei Monate die gesamte Stromversorgung Deutschlands zu übernehmen. „Über die Strom-Gasnetz-Kopplung erschließen wir die größte Speicherinfrastruktur, die wir in Deutschland haben. Der gesamte Ökostrom von 2010 bräuchte gerade mal ein Viertel der vorhandenen Gasspeicherkapazität“, sagt Sterner vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Systemtechnik (IWES).
- Windgas lässt sich für viele Anwendungen einsetzen. Es kann in Gaskraftwerken und Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen rückverstromt werden. Im Mobilitätssektor kann es Gasfahrzeuge antreiben. Im Wärmesektor kann es zum Kochen oder Heizen eingesetzt werden. Die Windgas-Technologie verbindet somit Märkte für Strom, Wärme und Mobilität miteinander.
- Windgas ermöglicht eine wetterunabhängige und zudem bedarfsgerechte Energieversorgung. Bei Überproduktion wird Ökostrom in Gas umgewandelt und im Gasnetz eingelagert. Bei Unterproduktion bzw. bei erhöhter Nachfrage wird das Gas wieder entnommen und in die gewünschte Energieform (Strom, Wärme, Bewegung) umgewandelt. Somit kann die Windgas-Technologie auch das (oben beschriebene) Problem der schwankenden Ökostromproduktion lösen.
- Windgas kann helfen, das Problem der Netzengpässe zu lösen. Bislang kommt es immer wieder zu Situationen, in denen Ökostrom auf Grund von Netzengpässen nicht ins Stromnetz eingespeist werden kann und daher ungenutzt verpufft. In solchen Situationen könnte die Windgas-Technik künftig eingesetzt werden, um die Energie alternativ über das Gasnetz zu leiten.
Die Windgas-Technologie stellt somit einen wichtigen Beitrag dar, um eine vollständig regenerative Energieversorgung zu ermöglichen. Ihr könnte daher, bei der bevorstehenden Transformation der Energieversorgung, – gemeinsam mit anderen Speichertechnologien – eine entscheidende Bedeutung zukommen.
Das ist ja alles schön und gut, aber wie hoch ist der Wirkungsgrad (kWh Strom zu kWh Strom) und was kostet die kWh Strom aus Windgas?
Wow. Das klingt fast zu gut, um wahr zu sein! Ich hatte schon ein paar vage Aussagen zum Windgas gehört, aber nie so komprimiert wie hier. Ich werde das wohl gleich für meinen Blog verwenden, wenn das OK für dich ist?!
Hallo Mirko, freut uns dass dir der Artikel gefällt. Du kannst gerne auf ihn verlinken und/oder daraus zitieren.
Hallo Herr Nagel,
der Wirkungsgrad beträgt 60 Prozent; laut Angaben des Fraunhofer-Institut (siehe: http://www.fraunhofer.de/presse/presseinformationen/2010/04/strom-erdgas-speicher.jsp). Hinsichtlich der Kosten liegen uns derezeit keine Informationen vor.
Stefan, 100 % Erneuerbar-Team
Hallo Herr Nagel und Stefan,
das mit dem Wirkungsgrad stimmt so nicht ganz:
1) wie schon im Artikel gesagt, der Wirkungsgrad bei der Umwandlung Strom zu gas = 60%
2) mit einem Gasbetriebenen Generator erreicht man maximal rund 40% (das ist aber wirklich das Optimum)
Insgesamt ist also der Wirkungsgrad Strom via Gas zu Strom 24% – der Rest wird zu Wärme. Sinnvoll ist das trotzdem, auch die Wärme wird gebraucht, insbesondere, wenn man die Gasmotoren dezentral als BHKW plaziert. Und, Pumspeicherkraftwerke machens auch nicht ganz ohne Verluste (Strom –> Strom ca. 70%).
Benedikt
Nicht nur das Speicherproblem könnte mit dieser Technik kurzfristig gelöst werden.
Akzeptabel ist für mich allerdings nur ein Recycling von CO2, d.h. 0 Emission bei
der Verbrennung! Mittelfristig könnten die Industriestaaten sogar CO2 absorbieren
(Ergänzung mit Algenprojekten) und so die „Erklärung der Weltkonferenz über den
Klimawandel,…22.4.2010,Cochabamba, Bolivien“ Wirklichkeit werden lassen:
„…Reduzierung und Absorption ihrer Emissionen.“ Es ist Zeit für die Industriestaaten,
ihren Treibhausgas-Müll zurückzunehmen.“300ppm“ erscheinen mir zu ambitioniert,
350ppm nötig.
Der politische Druck muss jetzt auf ein Energie-Grundeinkommen hin gehen:
Hohe Lenkungsabgaben (vgl Wiki!) auf Atom-Strom, CO2 und Methan! lumi
An Herr Lindlar und Herr Nagel:
Entschuldigung, der Wirkungsgrad von 60 Prozent bezieht sich auf die Wandlung von Strom zu Erdgas – somit hat Herr Lindlar recht. – Um die Umwandlungsverluste insgesamt gering zu halten bietet sich (wie von Herr Lindlar erwähnt) die Rückverstromung des Windgases in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen an. Alternativ kann das Gas auch direkt im Wärmebereich eingesetzt werden, zum Kochen oder Heizen.
Wenn es interessiert, hier noch mal ein Beispiel einer praktischen Anwendung: Die Firma Enertrag hat ein Hybridkraftwerk mit Windkraftanlagen, Windgasanlage und KWK-Anlage installier und verkauft den Wasserstoff zusätzlich an Tankstellen. Das ist dann auch ne Möglichgkeit … (https://www.enertrag.de/projektentwicklung/hybridkraftwerk.html)
Stefan, 100 Prozent erneuerbar Stiftung
Servus Leute,
ich muss hier nochmal dazwischenhauen. Der Wirkungsgrad von 60% bezieht sich allein auf die Elektrolyse zur Gewinnung des H2, welcher dann noch methanisiert / hydriert werden muss. Optimale Wirkungsgrade bei GUD-Anlagen zur Rückverstromung erreichen heute (neue) auch schon annähernd 60% (Siemens Irsching). Wenn man nun Gesamtprozess betrachtet und auch anfallende Abwärme durch die Exothermie (KWK möglich) mit einbezieht, erreicht man einen Wirkungsgrad bei Rückverstromung von ca. 37% unterm Strich. Knackpunkt ist die Effizienz der Elektrolyse. Zu beachten ist auch noch die Möglichkeit der Wärmeerzeugung ohne Rückverstromung (bereits erwähnt).. oder die Anwendung im Verkehr. Hauptziel des Ganzen ist aber die Speichermöglichkeit von überschüssigem Windstrom. Mit dem vorhandenen Erdgasnetz (Speicher) in D ist das vielleicht der Lösungsansatz zur Unabhängigkeit unter der Prämisse der Versorungssicherheit.
Mahlzeit
Hallo,
finde ich prima, einen Blog zum Thema „100% erneuerbar“!
Bin bei Greenpeace Energy (Strom), sie bieten ab 1. 10.11 Windgas an. Leider nutze ich kein Gas in meiner Wohnung, aber allein die Realisierung dieser Idee, Windstrom zu speichern, gefällt mir sehr gut. Damit müßten sich doch viele überzeugen lassen, dass die unregelmäßige Stromerzeugung aus Wind (und vielleicht auch mal Sonne/Solar) kein Problem darstellt, sondern durch intelligente Lösungen ein „sauberer“ Energiemix in Zukunft möglich sein wird.
@Thiemo Nagel :
Ist es nicht völlig wurscht, wie der Wirkungsgrad aussieht, solange überhaupt Energie gespeichert wird ?
Wenn ich den Windstrom nämlich einfach verpuffen lasse weil „die Atomkraftwerke nicht so schnell runtergeregelt werden können“, habe ich den Strom der quasi KOSTENLOS zur Verfügung stand in die Mülltonne geworfen nur um stattdessen sehr sehr teuren Strom zu kaufen. (Denn Atomstrom wird noch jahrtausendelang nach seiner eigentlichen Nutzung Kosten verursachen, siehe bewachte Endlager, Rückbau usw.)
Da baue ich doch lieber ein, zwei Windkraftanlagen mehr und produziere „Windgas“, das strahlt wenigstens nicht tausende Jahre radioaktiv.
@ Elvis, Benedikt & Stefan
wie ist es mit den vollständigen Umwandlungs- bzw. Speicherkosten in ct/kWh ?
bei einer Anlagengröße im kW(Gewerbe) und MW(Industrie)-Maßstab?
Müssen nicht die Wirkungsgrade und Kosten in ct/kWh für jeden Prozessschritt betrachtet werden?
A) ct/kWh Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff
B) ct/kWh Umwandlung in synthetisches Erdgas, Wasserstoff mit CO2 direkt zu Methan (CH4)
C) ct/kWh Verdichtung des Erdgases auf 1bar -200bar fürs lokale/regionale/deutsche Gasnetz oder Gasspeicher an der Tankstelle (incl. Nutzung der Abwärme)
In welchen Dimensionen bewegen sich die Investitionskosten und Lebensdauer (jährlichen Abschreibungen) was ist wenn mal nicht der Wind weht und die Sonne scheint, kann die Anlage einfach hoch und runter gefahren werden? Welche weiteren Kosten könnten entstehen?
Wer kann helfen da paar Fakten für mehr Transparenz zusammenzutragen?
Matt
ich halte das für eine sehr oberflächige Argumentation. 1.) ist es unredlich den Wirkungsgrad von Gaskraftwerk ca. 60 % wegzulassen. 2.) kommen noch Verluste der Übertagung dazu. Ein Pumpspeicherwerk hat ca.95 % Wirkungsgrad. Übrigens habe ich auch noch keine solide Quelle für die 60% zur Erzeugung von Windgas gefunden. Einige die ich gefunden habe liegen bei 25-35% je nach Verfahren. Zusammen also unter 20%.Das würde eine Verfünfachung des Strompreises bedeuten nicht mitgerechnet das die kWh aus Gas billiger ist als aus Strom. Davon das man die mehrfache Erzeugerkapazität braucht ganz zu schweigen. Aus meiner Sicht klingt oberflächlich alles gut aber ich meine, dass der schöne Traum zum Alptraum wird.
@ Steffen
Hi Steffen, das Fraunhofer Institut war an der Entwicklung des Erdgas-Umwandlungs-Verfahren beteiligt. Die haben auf ihrer Webpage stehen: „Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Strom zu Erdgas beträgt über 60 Prozent.“ (vgl. : http://www.fraunhofer.de/presse/presseinformationen/2010/04/strom-erdgas-speicher.jsp) Weil du doch nach einer verlässlichen Quelle gesucht hast…
Grüße, Stefan
Sicher ist es sinnvoll und wichtig sich über den Wirkungsgrad gedanken zu machen, allerdings sollte man immer auch die Alternativen im Blick behalten.
a.) der Wirkungsgrad einer abgeregelten Windkraftanlage geht gegen Null, somit ist eine Nutzung oder Speicherung von vorhandener aber überschüssiger Energie immer sinnvoll.
b.) Windstrom wird vorwiegend im „nördlichen Flachland“ erzeugt, Pumpspeicher sind aber hauptsächlich im „südlichen Hochland“ zu finden, somit besteht auch hier die Problematik der Transportkapazität des Windstroms von Nord nach Süd. Trotz des höheren Wirkungsgrades taugt diese Alternative also auch nur bedingt, zumahl der Zubau an Speicherkapazität sehr begrenzt ist.
c.) im Stromnetz muss das Verhältnis von ‚Erzeugung‘ und ‚Verbrauch‘ zu jeder Zeit gleich sein, was einen großen Regelaufwand nach sich zieht und auch dazu führt, dass Anlagen mit eigentlich hohem Wirkungsgrad (z.B. GuD-KWs) als Reserve bereitgehalten werden müssen um Schwankungen bei der EE-Strom Erzeugung auszugleichen (–> Wirkungsgrad einer stehenden Anlage siehe a. )
Durch den Umweg über die EE-Gasgewinnung und Speicherung in bereits vorhandenen (!) Kapazitäten (Erdgasnetz und Gasspeicher) werden diese Probleme bei der Stromerzeugung aus Wind und Sonne gelöst.
Die Diskussion um Prozente beim Wirkungsgrad sollte maximal zur Verbesserung der Anlagen geführt werden, nicht aber als Argument gegen diese Speichertechnik. Hier wird letztendlich die kommerzielle Wirtschaftlichkeit und nicht die technische entscheidend sein. Sprich ist es günstiger den überschüssigen Strom zu nutzen oder ihn zu ‚entsorgen‘.
„Hier wird letztendlich die kommerzielle Wirtschaftlichkeit und nicht die technische entscheidend sein. Sprich ist es günstiger den überschüssigen Strom zu nutzen oder ihn zu ‘entsorgen’.“
Ingo, Das ist der Punkt. Aber wo stehen wir da?
Ich vermisse neben den publizierten Überlegungen der technischen Möglichkeiten und Tests ein paar Fakten, die uns die derzeitige Wirtschaftlichkeit der Lösung aufzeigen.
Es kann ja sein, dass der überschüssig verfügbar gespeicherte Strom der Windkraftanlage nicht mal die x-fach höheren Investitions- und Betriebskosten deckt.
Bei einen angenommen Gesamtwirkungsgrad von z.B. 40% hätte man dann nur 40% des ursprünglich erzeugten Stroms in Spitzenlastzeiten in einen Erlös ungewandelt.
Auf der Basis können wir überlegen welche Alternative sich in welchem Entwicklungsstadium bewegt. Man könnte ja Strom auch in Redoxflow-Batterien, oderDruckluftspeichern etc. speichern.
Ich suche weitere Publikationen, die Transparenz schaffen.
Ich denke dass es derzeit relativ schwierig sein dürfte seriöse Zahlen zu den Erzeugungskosten zu bekommen. Es handelt sich ja noch um Pilotanlagen, d.h. es gibt noch keinen Marktpreis und somit kann auch noch keiner verlässlich sagen wieviel die KWh kosten würde.
Ohnehin macht das Ganze erst in der Gesamtkostenbetrachtung sinn. Dazu zählen dann halt nicht nur die Erzeugungskosten, sondern auch der Opportunitätserlös, also praktisch die Kosten die ich an anderer Stelle damit einspare.
Vordergründig sind das mal die Kosten, die durch eine Abregelung der Windkraftanlagen entstehen, denn der abregelnde Netzbetreiber muss dann den entgangenen Erlös an den Anlagenbetreiber vergüten (was wir alle dann über das Netznutzungsentgelt auf der Stromrechnung wieder mittragen).
Viel interessanter dürften aber die Kosten für den Ausbau der Strom-Netze sein, denn die kann man sich dann sparen wenn statt dessen das vorhandene Gasnetz genutzt wird, das viel besser mit schwankenden Kapazitäten umgehen kann.
Was den Wirkungsgrad betrifft, so ist es auch zu kurz gesprungen nur den Strom-Gas-Strom Wirkungsgrad zu betrachten. Wird das Gas über KWK-Anlagen in Strom und Nutzwärme rückumgewandelt dann liegt der Strom-Gas-Strom+Wärme Wirkungsgrad so um die 50%.
Nicht zu vernachlässigen ist natürlich auch der Zeitfaktor, denn beim Strom-Netzausbau muss man eher in Dekaden als in Jahren rechnen, aber soviel Zeit wollen wir uns ja nicht mehr geben. Und auch was den Aufbau der Infrastruktur für die e-Mobilität betrifft, die wird wohl ebenfalls in den nächsten 10 Jahren nicht im erforderlichen Maß zur Verfügung stehen.
Was aus meiner Sicht ein starkes Indiz für die Rentabilität ist, ist dass neben den „üblichen Verdächtigen“ aus dem grünen Lager (Greenpeace) auch Big Player wie Audi, E.On und Vattenvall zu den first movern zählen.
Bezüglich Quellen würde ich das Gutachten zu Windgas vom IWES empfehlen (Google: Windgas IWES).
Viele Grüße
Ingo