11.
Jun. 2021
Der ständig steigende Energieverbrauch
stellt uns als Menschheit vor eine Aufgabe von scheinbar monströsem Ausmaß.
Sind die öffentlich diskutierten Konzepte ein großer Irrtum von ebensolchem
Ausmaß? Oder ist es gar politisch motivierter Selbstbetrug?
von Detlef Ahlborn und Horst Heidsieck
„Die Zukunft gehört der Elektromobilität“ – so
verkünden es Annalena Baerbock, Ministerin Schulze und alle grünen Unterstützer
bei jeder sich bietenden Gelegenheit. Aber nicht nur das – alles soll zukünftig
elektrisch werden. Und wenn Frau Baerbock oder eine Ministerin das sagen, dann
muss es ja stimmen – oder? Auf den
ersten Blick ist Elektromobilität in der Tat eine sehr attraktive Idee – wie
die Schweizer bereits seit 100 Jahren eindrucksvoll zeigen. Damals wurde die
Gotthardbahn elektrifiziert. Der Strom dafür kam und kommt vornehmlich aus
Wasserkraftwerken. Die Energie des Wassers hinter den Staudämmen wird – bei
Bedarf – mit einer Wasserturbine zu 90% in Strom umgewandelt und zu den
elektrischen Lokomotiven weitergeleitet. Diese wandeln die elektrische Energie
dann mit einem 90%igen Wirkungsgrad in Bewegungsenergie um. Der gesamte
Wirkungsgrad des Systems liegt damit bei 80%. (Anmerkungen: Wirkungsgrade
werden multipliziert.) Das ist ein phänomenal guter Wert und das ist auch der
Grund, warum so viele Bahnstrecken in den Bergen elektrifiziert wurden. Unsere
Altvorderen – hier besonders die Schweizer – waren gar nicht so dumm! Sie haben
schon vor hundert Jahren ein nach heutigen Maßstäben mustergültiges
erneuerbare-Energien-Konzept technisch umgesetzt. Und weil es so gut ist, ist
es auch heute noch in Betrieb.
Neben der phänomenal guten Energienutzung ist das
System Wasserkraftwerke – Elektrischer Antrieb noch aus einem anderen Grund
sehr lehrreich: Der Strom aus den Speicherseen wird immer nur dann erzeugt,
wenn er auch tatsächlich von den Lokomotiven benötigt wird. Kein Mensch käme
auf die Idee, Wasser aus den Speichern einfach ablaufen zu lassen, ohne es zu
nutzen. Anders ausgedrückt: die Stromerzeugung richtet sich immer und zu jeder
Zeit nach dem Strombedarf – und nicht umgekehrt.
Im Fokus der deutschen Energiewende stand und steht
dagegen bis heute nicht der Strombedarf, sondern die Stromproduktion. Da wir im
Gegensatz zu unseren Schweizer Nachbarn keine hohen Berge mit großen
Speicherseen haben, geht es bei uns beim Ersatz konventioneller, fossiler und
nuklearer Stromproduktion vor allem um Strom aus Wind- und Solaranlagen
(W&S-Anlagen). Da aber nachts bekanntlich keine Sonne scheint und der Wind
nie konstant weht, stand – bei nüchterner und objektiver Betrachtung –
eigentlich von Anfang an fest, dass dieses Ziel nicht erreichbar war und ist,
da die Stromproduktion aus diesen Quellen „volatil“ ist, d.h., stark schwankt,
regelmäßig bis auf null abfällt und letztlich den Zufälligkeiten und der
Unvorhersehbarkeit des Wetters folgt.
Stellen Sie sich einmal vor, unsere Stromversorger
würden bereits heute täglich mit einem frisierten Würfel auswürfeln, wie viele
ihrer Kraftwerke zur Stromproduktion am nächsten Tag ans Netz gehen sollen. Der
frisierte Würfel hat drei „Einsen“, zwei „Zweien“ und einen „Dreier“. An der
Wand hängen drei Tabellen, in denen die am nächsten Tag angeschalteten
Kraftwerke stehen. In der „Einser-Spalte“ stehen Kraftwerke mit insgesamt 20%
der maximalen Leistung, in der „Zweier-Spalte“ stehen 50% und in der „Dreier-
Spalte“ 130% der Kapazität. Und dann wird ausgewürfelt, welche
Produktionskapazität am nächsten Tag zur Verfügung gestellt wird: das können
dann 20% oder auch 130% sein, je nachdem, wie der Würfel fällt. Sie halten das
für Quatsch? Dieses zahlenmäßige Gedankenspiel ist keineswegs Spinnerei,
sondern bittere Realität! Genau so stellt sich die Politik die Stromversorgung
der Zukunft vor: meistens reicht die Stromproduktion nicht aus, um den
Strombedarf zu decken und dennoch haben wir regelmäßig ein Überschussproblem.
Man stelle sich vor, die Schweizer Bergbahnen könnten nicht mehr entsprechend
ihrem Fahrplan fahren, sondern würden sich nach dem Wasserstand in den
Speicherseen richten. Zumindest für die Schweizer ein absurder Gedanke!
Und Deutschland? Da die Würfelei in der Vergangenheit
nicht funktioniert hat, gibt die Politik nun konkrete Ziele vor, um wieviel die
Produktionskapazitäten für W&S in Zukunft weiter zu erhöhen sind. Alle
bekannten Probleme werden dadurch weiter verschärft.
Diese Vorgehensweise erinnert uns zu einem gewissen
Grad an die seinerzeitige Entwicklung in der DDR: wir sind davon überzeugt,
dass die Herren Honecker & Co. im Verlauf der Zeit erkannt haben, dass die
Umsetzung des real existierenden Sozialismus auf deutschem Boden nicht so
verlief, wie sie sich das gedacht hatten. Aber da es Politkern damals wie heute
sehr schwerfällt, Fehler einzugestehen und diese gar zu korrigieren, wurden die
„Anstrengungen verstärkt.“ Das Ergebnis ist bekannt…
Inzwischen sind hierzulande schon so große W&S-
Kapazitäten aufgebaut, dass die produzierten Spitzenleistungen sogar an den
Verbrauch bzw. Bedarf heranreichen – für die Dauer von einigen Stunden im Jahr
zumindest. Meistens liefern die „erneuerbaren“ Quellen jedoch (viel) zu wenig
Strom, gelegentlich aber auch zu viel. Ein weiterer Zubau der Produktionskapazitäten
– wie er jetzt seitens der Politik vehement gefordert wird – wird daher
unvermeidlich auch zu einer ansteigenden energetischen Überschussproduktion
führen. Damit stellt sich die Frage, wohin mit dem dann aktuell nicht
benötigten Strom? Leider ist – entgegen der Feststellung von Frau Baerbock –
das Netz kein Speicher, sondern seine Aufnahmefähigkeit liegt bei null. Die
Weissagungen zahlreicher universitärer Forschungseinrichtungen – wie das
Fraunhofer IWES in Kassel und regierungsnaher „Think-Tanks“ wie Agora, – ein
großflächiger Zubau würde zu einer Glättung und damit zu einer Entschärfung
dieses Problems führen, haben sich bereits eindeutig nicht erfüllt. Derlei
Behauptungen haben sich als glatter Betrug erwiesen.
Aber anstatt eine kritische Bestandsaufnahme vorzunehmen und einzugestehen,
dass wir uns auf einem nicht realisierbaren Irrweg befinden, wird intensiv nach
einem Ausweg aus der sich abzeichnenden Katastrophe gesucht. Und dieser Ausweg
trägt den Namen „Power-to-X.“
Es muss also schnellstens eine Lösung her, wie die durch einen forcierten
W&S-Ausbau unvermeidlich erzeugten Leistungs-Überschüsse gespeichert und
anschließend energetisch nutzbar gemacht werden können. Die überschüssige
elektrische Energie soll zukünftig auch außerhalb des Stromsektors, etwa in der
Wärmeversorgung, z.B. als Methan- oder Wasserstoffgas oder im Verkehr z.B. als
sogenannte „E-fuels“, also als elektrochemisch synthetisierte Kraftstoffe,
genutzt werden und dort einen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten. X steht
damit also vor allem für synthetische Brenngase oder Kraftstoffe.
Natürlich kann man nicht erwarten, dass alle Politiker ein Physik- oder
Ingenieur-Studium abgeschlossen haben. Aber die physikalischen Zusammenhänge
sind nicht kompliziert oder so unüberwindlich schwierig, dass nicht auch
Politiker sie verstehen könnten. Man muss nur begreifen – und akzeptieren –
dass jede Umwandlung von einer Energieform in eine andere unweigerlich mit
energetischen Verlusten verbunden ist. Aus sehr grundsätzlichen physikalischen
Gründen fallen diese Verluste unterschiedlich groß aus, je nachdem welche
Ausgangsenergie in welche Endenergie umgewandelt werden soll.
Diese Unterschiede können erneut beim Bahnbetrieb sehr
anschaulich illustriert werden: Wie eingangs ausgeführt, wandelt eine
Elektrolokomotive in ihrem Antriebsmotor elektrische Energie in mechanische
Energie, d.h. Bewegungsenergie des Zugs um. Die Wirkungsgrade der Elektrolok
liegen bei 90%. Wie gleich ersichtlich werden wird, nimmt die elektrische
Energie bei der Wandlung in andere Energieformen eine ganz besondere Rolle ein.
Eine Diesellokomotive hingegen ist ein komplettes
thermisches Kraftwerk auf Rädern: Ein Teil der bei der Verbrennung des
Kraftstoffs im Motor freigesetzten Wärmeenergie wird im Motor und über ein
Getriebe in mechanische Energie gewandelt. Dieser mechanisch nutzbare Anteil
der Wärmeenergie wird, physikalisch korrekt, auch als Arbeit bezeichnet. Der
größte Teil der zugeführten Wärmeenergie des Kraftstoffs wird aber im Kühler
und mit den Abgasen als Abwärme abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der
Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine und die begrenzte Nutzbarkeit der
zugeführten Wärmeenergie als mechanische Energie ist keineswegs schlechter
Ingenieurskunst geschuldet, sondern vielmehr eine physikalisch bedingte,
grundsätzliche Eigenschaft aller Wärmekraftmaschinen. Der tiefere Grund für die
begrenzte Nutzbarkeit der Wärme als mechanische Arbeit ist der von Rudolf
Clausius 1850 entdeckte Zweite Hauptsatz der Thermodynamik, einem fundamentalen
Naturgesetz, das die Effizienz der Energiewandlung von Wärme in mechanische
Energie begrenzt.
Jetzt machen wir eine Zeitreise ins 21. Jahrhundert
und nehmen unseren überschüssigen Strom zur Synthese von sogenannten E-fuels
(z.B. Diesel). Mit diesem synthetischen Diesel betreiben wir nun die
Lokomotiven. Da es sich um einen Brenn- bzw. Kraftstoff handelt, sind wir mit
allen energetischen Konsequenzen aus dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik
auf Lokomotiven mit Verbrennungsmotor und damit auf Wärmekraftmaschinen
festgelegt. Es ist genau diese Festlegung auf Synthese-Brennstoffe, die diese
miserable Effizienz des gesamten Prozesses physikalisch bedingt. Alle
Forschungsmilliarden der Welt können und werden daran nichts ändern: Wir
wandeln überschüssigen Strom mit 50% Wirkungsgrad bei der Synthese in die
Energie des Kraftstoffs und nur 25% davon werden in der Lok in mechanische
Energie gewandelt. Der Gesamtwirkungsgrad schrumpft auf 12%.
Der in Fachkreisen wohlbekannte Schweizer Ingenieur
Aurel Stodola hat schon 1910 in seinem Standardwerk „Die Dampfturbinen“
gewarnt, „es darf daher die dringliche Mahnung an die Erfinder gerichtet
werden, von ihrem zwecklosen Kampfe abzulassen und keine Mittel an die
Durchführung von Ideen zu wagen, die mit dem zweiten Hauptsatze im Widerspruche
stehen.“ Hundert Jahre später mangelt es weder an Professoren und Politikern
noch an ungezählten Forschungsmillionen, Ideen umzusetzen, deren Effizienz von
vornherein durch physikalische Gesetze begrenzt sind. Und sicher werden es die
grünen „Strom-Romantiker“ nicht gerne hören und noch weniger gerne akzeptieren:
der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik lässt sich nicht einfach verbieten, wie
so vieles andere…
Die (wie auch immer geartete) auf Elektrizität
gegründete Synthese von Brennstoffen entspricht aus energetischer Sicht der
Logik, den Kessel einer Dampflok mit Strom aus der Oberleitung zu beheizen.
Spinnerei?! Keineswegs! Im Energiewende-Neusprech heißt so etwas
„Power-To-Heat-Technologie“! Wohlgemerkt: Technologie!
Neben den beschriebenen unvermeidlichen
Energieverlusten gibt es noch ein weiteres massives Problem: ein Mengenproblem,
das durch folgenden Vergleich sehr schnell deutlich wird: Am Frankfurter
Flughafen wurden in Vor-Corona-Zeiten die Flugzeuge jährlich mit 5,4 Mio.
Kubikmeter Kerosin betankt. Der Energiegehalt dieses Kerosins liegt bei 50 TWh
(Terawattstunden). Um die Flugzeuge zukünftig mit synthetischen Kraftstoffen
betanken zu können, ist unter sehr, sehr optimistischen Annahmen für die
Kraftstoffsynthese die doppelte Menge an Energie erforderlich, also 100 TWh.
Das entspricht in etwa der Jahresproduktion aller ca. 30.000 deutscher
Onshore-Windkraftanlagen. Mit anderen Worten: sämtliche an Land gebauten
Windkraftanlagen zusammen reichen also gerade mal aus, um den Energiebetrag
bereitzustellen, der für die Synthese des Treibstoffbedarfs am Frankfurter
Flughafen erforderlich ist. Zur Orientierung: der Kraftstoffverbrauch in
Deutschland beträgt je nach Quelle zwischen 52 und 110 Mio. t. Das entspricht
ca. 65 bis 135 Mio. Kubikmeter Kraftstoff – also um Größenordnungen mehr als
das Volumen, das bisher nur am Frankfurter Flughafen vertankt wurde. Ist es
angesichts dieser Größenordnung realistisch zu glauben, dass
Synthesekraftstoffe aus deutschem Wind- und Solarstrom eine ernstzunehmende
Option für eine gesicherte Energieversorgung sind? Neben der Umwandlung von
Überschussstrom in „E-Fuels“ ist natürlich auch die Nutzung von „grünem“
Wasserstoff in Betracht zu ziehen. Leider lässt sich auch für die Umwandlung
von Strom in Wasserstoff der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik nicht außer
Kraft setzen: Die Energie, die beim Betrieb einer Elektrolyse zur
Wasserstoffherstellung aufgewandt wird, ist doppelt so groß wie die Energie,
die anschließend im Wasserstoff noch vorhanden ist. Anders ausgedrückt: von der
Energiemenge, die man vorne in den Prozess hineinsteckt, kommt hinten nur noch
die Hälfte raus. Und sollte dieser Wasserstoff dann „rückverstromt“ werden,
dann bleiben am Ende noch 25% der ursprünglich eingesetzten Strom-Energie übrig.
Das führt zu der Frage: würde ein vernünftig denkender Mensch jemals auf die
Idee kommen, ein Kohle- oder Gaskraftwerk rückwärts laufen zu lassen, in dem
Strom aufgewandt wird, um am Ende Gas oder Kohle zu erhalten…?
Der Übergang zu einer ganz auf Elektrizität
begründeten Energieversorgung wird heute gern als „Paradigmenwechsel“
schöngeredet, weil wir ja in Zukunft elektrische Energie im Überfluss haben.
Und dieser Überfluss ist eine systemimmanente, unüberwindliche Eigenschaft des
Zappelstroms. Im Kern geht es bei Power-To-X nur um das Recycling von
überschüssigem, nicht verwertbaren Strommüll!
Das Kernproblem aller Power To
X- Konzepte besteht darin, dass wir mit „überschüssigem“ Strom Brennstoffe
synthetisieren. Die Nutzung dieser überschüssigen elektrischen Energie ist
damit eingeschränkt auf Wärmekraftmaschinen oder andere Wärmeanwendungen. Wenn
wir mit diesen Brennstoffen eine Wärmekraftmaschine betreiben, erzwingt der
Zweite Hauptsatz der Thermodynamik eine Limitierung der Effizienz, weil bei den
Prozessen unvermeidlich auch Wärme entsteht, die am Ende wieder abgeführt
werden muss. Für die gleiche Strommenge, die zum Betrieb der Gotthardbahn seit
hundert Jahren benötigt wird, müssen wir heute die 16-fache Generator-Leistung
in Windkraftanlagen installieren: Faktor 4 für den Wirkungsgrad und Faktor 4
für die miserable durchschnittliche Leistung.
Da sich die politische Diskussion nicht nur um E-Fuels
sondern vorrangig um „grünen“ Wasserstoff dreht, sei auch hier kurz aufgezeigt,
dass wir es z.B. beim möglichen Ersatz von Erdgas durch Wasserstoff ebenfalls
mit einem gigantischen Mengenproblem zu tun haben:
Im Jahr 2019 (Statista) wurden in Deutschland 89 Mrd.
m³ Erdgas verbrannt. Der Heizwert von Erdgas beträgt 10,1 kWh/m³ – der von Wasserstoff
„nur´“ 3,0 kWh/m³. Unter der Voraussetzung, dass es technische Lösungen für
eine Umstellung der Heizungen von Gas auf Wasserstoff geben sollte, so würden
300 Mrd. m³ Wasserstoff nur im Gebäudesektor benötigt. Zum Vergleich: dieses
Volumen ist 50% größer, als Russland 2020 weltweit an Gas exportiert hat. Auch
hier stellt sich also die Frage: woher soll diese Menge an Wasserstoff kommen?
Das können wir drehen und wenden, wie wir wollen. Das
ist der Kern der Sache! Wann wird darüber endlich offen und ehrlich gesprochen?
Die Autoren
Dr.-Ing. Detlef Ahlborn ist
stellvertretender Vorsitzender der Bundesinitiative Vernunftkraft.de und Inhaber der Karl Ahlborn
Maschinenfabrik im nordhessischen Großalmerode. Er kritisiert die Energiewende
als illusionär weil die zahlenmäßigen technischen Dimensionen jeden
vernünftigen Rahmen sprengen.
Der Physiker Dr. rer. nat. Horst Heidsieck,
hat zwischen 1990 und 2006 als CEO verschiedene Unternehmen im In- und Ausland
geleitet und ist seit 2018 Mitglied der Arbeitsgruppe „Energy Reality
Büdingen“. Die Arbeitsgruppe besteht aus erfahrenen Ingenieuren und
Naturwissenschaftlern und hat sich zum Ziel gesetzt, die Energiewende in
Deutschland zu Ende zu denken.
