Energiewirtschaft aus einem Guss

Einen Masterplan für die Energiewirtschaft der Zukunft gibt es nicht. Zwar hat die deutsche Bundesregierung mit dem Energieziel 2050 für den Einsatz erneuerbarer Energien und Erhöhung der Effizienz eine Richtung vorgegeben, an die sich Gesetzgeber und Industrie vorläufig halten, doch realistisch ist dieses Energieziel nicht. Beispielsweise wird unterstellt, dass die Privathaushalte ihren Energieverbrauch um 95% absenken. Das ist zwar technisch machbar aber nicht bezahlbar, weil dass wegen der erforderlichen Wärmedämmung auf einen Abriss und Neubau von 80% aller Häuser hinauslaufen würde. Auch wurde übersehen, dass man bei ausschließlicher Nutzung von EE-Strom ca. 2-3mal mehr EE-Strom hergestellen muss als verbraucht wird - das kostet.

Es wird daher eine Energiewirtschaft aus einem Guss vorgeschlagen, die bezahlbar ist und eine fluktuierende Stromeinspeisung mühelos absorbieren kann

Konzept

Die unterschiedlichen Teilmärkte für Strom, Wärme und Mobilität werden in ein Konzept integriert, das alle Teilmärkte mit einer Infrastruktur und einem sekundären Energieträger versorgt. Als sekundärer Energieträger ist am besten Wasserstoff geeignet, weil er verlustarm herstellbar, kostengünstig an Endverbraucher verteilbar und mit einfachen billigen Brennstoffzellen in die gewünschte Energieart konvertierbar ist. Das Konzept ist unten bildlich dargestellt.

Nachhaltige Wasserstoffwirtschaft

Wie die Grafik zeigt, werden Tankstellen und Endverbraucher aus regionalen Wasserstoff-Fabriken mit Wasserstoff versorgt. Anders als Motor-KWK-Anlagen können Brennstoffzellen ihre Leistung spontan anpassen. Ein Stromnetz als Stütze ist also nicht erforderlich. Eine Brennstoffzelle ist mit < 50 € je installiertes KW so billig, dass sich ein separater Heizkessel nicht lohnt.

Anders als beim Sekundärenergieträger Strom, muss der Sekundärenergieträger Wasserstoff nicht sekundengenau hergestellt werden. Die im Erdgasnetz vorhandenen Speicher können einen Totalausfall von Sonne, Wind und Wasser über Wochen puffern, die Biomasse in Wald und Feld für Jahre. Diese Pufferung gilt nicht nur für Strom, sondern für Strom, Wärme und Mobilität. Schattenkraftwerke sind in diesem Konzept also nicht erforderlich.

Anders als beim Stromnetz, ist diese Infrastruktur von außen nicht angreifbar (Trojaner).

Wärmegeführte Energiewirtschaft

Bei Nutzung von Brennstoffzellen wird 50%-60% der chemisch an Wasserstoff gebundenen Energie in Strom umgewandelt. Da in einem Privathaushalt nur 17% der Primärenergie (25% der Endenergie) als Strom genutzt wird, ist das doppelt so viel als heute. Eine Wasserstoffwirtschaft ist also eine Energiewirtschaft, bei der ein großer Teil des Stroms in Wärme umgewandelt werden muss. Das geht verlustfrei. Bei einem systembedingtem Stromüberschuss sprechen die Ingenieure deshalb von einer wärmegeführten Energiewirtschaft, die per Definition prinzipiell verlustfrei ist.

Herstellung von Wasserstoff

Mit den heute industriell verfügbaren Methoden gibt es zwei Formen der Energiewandlung für den Wasserstoff:

  1. Die als Strom geernteten Energien (Wind, Photovoltaik) werden per Wasserelektrolyse in Wasserstoff überführt
  2. Kohlenstoffhaltige Energieträger, wie Biomasse, werden mittels thermochemischer Vergasung in Wasserstoff überführt.

Für die ökonomische Betrachtung wird angenommen, dass der Wasserstoff zu 70% aus Biomasse kommt und EE-Strom einen Beitrag von 30% erreicht. Das ist doppelt so viel EE-Strom wie heute (2013).

Die detaillierte Herstellung von Wasserstoff und die nutzbaren Potenziale werden weiter hinten erläutert.

Verteilung von WasserstoffDa die Effizienz technischer Prozesse nie hundertprozentig ist, fällt bei beiden Prozessen 5%-10% der eingesetzten Energie in Form von Wärme an der Konversionsanlage an. Das ist in einer wärmegeführten Energiewirtschaft aber nicht als Verlust zu betrachten, weil die Wärme fast immer genutzt werden kann. Die Investitionskosten für diese Energiewandler sind bei Serienproduktion mit ungefähr 200 €/kW um eine Größenordnung billiger als Kraftwerke.

Wasserstoff kann ohne Einschränkungen in den Rohrleitungen des Erdgasnetzes transportiert werden. Auch die Kavernenspeicher des Netzes können genutzt werden. Zu den technischen Regeln bei Umstellung des Netzes auf Wasserstoff wird an anderer Stelle Näheres ausgeführt.

Nutzung der Wasserstoffs

Prinzipiell kann Wasserstoff auch in Motoren und Turbinen verstromt werden. Kosten, Effizienz und Reaktionsträgheit sprechen allerdings gegen eine dezentrale Nutzung in Haushaltsgröße. Einfache Membran-Brennstoffzellen (PEMFC), wie sie auch für PKW’s genutzt werden, erfüllen die Bedingungen an Preis, Reaktionsvermögen und Wartungsarmut wesentlich besser.

Die nebenstehende Grafik zeigt die ungefähren spezifischen Investitionskosten von Stromerzeugern. Nur die letzten 3 sind für wirklich dezentrale Stromerzeugung in Haushaltsgröße relevant. Eingeführt sind Kleinmotoren von einigen kW Leistung. Reformer-Brennstoffzellen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC), die mit Erdgas arbeiten, befinden sich am Anfang der Entwicklung. In Deutschland sind ca. 350 dieser Geräte installiert in Japan ca. 50 000.

Aufgetragen ist mit 15.000 €/kW die Zielgröße der Entwickler von Brennstoffzellen im Erdgasnetz. Alle diese Stromerzeuger sind auf das Stromnetz angewiesen, weil sie den Lastanforderungen eines Haushalts nicht genügen.

Ganz anders verhält es sich mit einer Brennstoffzelle (PEMFC) im Wasserstoffnetz, die auch in Autos genutzt werden. Dieser Typ kann jeder Lastanforderung augenblicklich folgen und benötigt daher kein Stromnetz. Diese ist mit 20-50 €/kW so billig, dass der Balken in der Grafik nicht wahrnehmbar ist.

Spezifische Investitionskosten von Anlagen zur Stromerzeugung

Die niedrige Investitionskosten einer Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) werden von keinem anderen Kraftwerkstyp erreicht. Da eine PEMFC beliebig klein gebaut werden kann, ohne ihre wesentlichen Eigenschaften zu verlieren, eignet sich dieser Zellentype hervorragend zur dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung. So wird ein teures Wärmenetz vermieden. Das Temperaturniveau von PEMFC liegt je nach Membran zwischen 60°C und 180°C, verbreitet sind Typen mit ca. 80°C.

Eine Brennstoffzelle (PEMFC) von 5 kWel (10 kW Gesamtleistung) als stromerzeugende Heizung ist billiger als eine Erdgasheizung. Sie ist außerdem mit einem Mehrfachen der Nennleistung kurzzeitig überlastbar, was sich zur Stabilisierung des Stromnetzes nutzen lässt.

Ein Vorteil des hohen Brennstoffzellen-Wirkungsgrades besteht darin, dass der Energiebedarf von Strom und Warmwasser ungefähr gleichgroß ist. Im Haushalt geht also auch im Sommer keine Energie verloren. Allerdings ist ein kleiner Wärmespeicher (40-200 Liter) sinnvoll. Eine detaillierte Betrachtung finden Sie hier.

Die nebenstehende Grafik veranschaulicht den Aufwand zur Verteilung von je 600 MW Energie in Form von Strom und in Form von Gas. Dargestellt ist eine Hochspannungsleitung und eine kaum wahrnehmbare Wasserstoffleitung im Sockel dieser Hochspannungsleitung. Das lässt sich auch in Zahlen ausdrücken:

  • Stromverteilung vom Kraftwerk zum Haushalt ca. 11 ct/kWh, ohne Steuern und Umlagen (Bundesnetzagentur 2013)
  • Wasserstoffverteilung von der H2-Fabrik zum Haushalt ca. 1 ct/kWh (einige Gasversorger < 0,3 ct/kWh)

Bei einem möglichen Preis von Wasserstoff aus Biomasse in Höhe von 3 ct/kWh, wäre ein möglicher Preis für Haushaltsstrom ca. 4 ct/kWh.

Kraftwerke, die auch Strom für 4 ct/kWh erzeugen können (EEX-Preis 2012) müssen den Strom hingegen mindestens 4 + 11 = 15 ct/kWh für den Haushalt fordern - ohne Steuern und Umlagen.

 

Anders als mit einer Stromtrasse, kann eine Wasserstoffleitung Strom, Wärme und Mobilität transportieren. Das ist ein Mehrfachnutzen.

 

Das Geheimnis für den Erfolg einer Wasserstoffwirtschaft ist im Wesentlichen begründet in:

  • billigen und effizienten Stromwandlern in Form von Brennstoffzellen,
  • einer durchgehenden Kraft-Wärme-Kopplung,
  • einer kostengünstigen Verteilung von Energie über ein Rohrnetz,
  • Nutzung eines einzigen Energieträger für alles.
  • Eine verlustarme Energiekette von der Primärenergie zur Nutzenergie

In einer Wasserstoffwirtschaft wird kein Stromnetz benötigt. Man stellt den Heizungsregler auf “angenehm” und verbraucht Strom wie sonst auch. Da Strom in einer wärmegeführten Energiewirtschaft ein Abfallprodukt ist, ist ein Stromzähler überflüssig. Es ist nur eine Gasrechnung zu bezahlen, keine Stromrechnung. Die Gasrechnung wird voraussichtlich nicht höher sein als heute.

Der Verbraucher benötigt weder smarte Endgeräte noch einen Anschluss an ein europäisches smartes Stromnetz. Auch Stromspeicher und Schattenkraftwerke sind nicht erforderlich. Für Trojaner, die die Energieerzeugung manipulieren können, gibt es keine Türen. Für eine Gebühr auf selbst erzeugten Strom fehlt eine entscheidende Grundlage.

That’s all you need

aktualisiert: 03.07.2014

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