80% Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines auf der Erzeugung von Wind- und Solarstrom sowie dessen teilweiser Speicherung in Wasserstoff beruhenden Energiesystem ist überraschend hoch: fast 80%!

Dies zeigt zunächst folgendes grobes Energieflußdiagramm welches sich bis 2050 so etwa einstellen wird:

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Nur 210 TWh von 1200 TWh Erzeugung bzw. 1.300 TWh Verbrauch (weil Wärmepumpen 100 TWh dazugewinnen) gehen im Hauptenergiesystem verloren.

Detaillierter und auch alle wesentlichen Verluste umfassend (auch diejenigen bei den Verbrauchern) zeigt dies folgendes Energieflussbild, welches auch rechts im Menü als PDF enthalten ist:

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Die Verluste steigen trotz Einbeziehung der Wandlungsverluste bei den Energieabnehmern nur auf 300 TWh (man muss genau hinsehen – hier die Summanden: 8+32+92+96+10+40+22=300 – und die Verluste für den Gastransport in Höhe von 96 gehen nicht vom blauen Fluss ab, sondern werden als separater Strom in grau gezeigt). Bezogen auf 1.300 TWh Energieverbrauch entspricht dies 78% Wirkungsgrad.

Ob sich nun genau obiges Bild einstellen wird oder ob einzelne Energieflüsse anders sein werden oder der ein oder andere Wirkungsgrad in der Bilanz am Ende etwas anders ausfällt – all das spielt für die Gesamtaussage keine Rolle:  nämlich dass ein Energiesystem aus Windkraft, Solarstrom, Umweltwärme und dem Speichermedium Wasserstoff extrem wenig Verluste hat und also hoch effizient ist.

Unser heutiges auf Verbrennung beruhendes Energiesystem hat dagegen etwa 78% Verluste. Allein durch den Übergang auf Windkraft und Solarstrom vervielfacht sich die Energieeffizienz des gesamten Systems. Aus 78% Verlusten werden 78% Effizienz.

Die Energiebilanz berücksichtigt bewußt keine Solarthermie, weil Solarwärme über Photovoltaik billiger ist. Biogas wurde weggelassen, weil seine Herstellung gegenüber der direkten Stromerzeugung aus Sonne und Wind ebenfalls zu teuer ist und die Gasleitungen zu reinen H2-Leitungen werden müssen, so dass Biogas auch nicht transportiert werden könnte. Wasserkraft wurde aufgrund ihrer geringen Bedeutung vernachlässig – sie würde an der Gesamtaussage nichts ändern.

Heizen wird über zwei Wege möglich sein: Windspeicherheizung in der Nähe von Windkraftanlagen oder Wärmepumpen-Brennstoffzellen-Kombinationen, welche Strom und Wasserstoff nutzen.

Und natürlich wir in diesen Energiesystem keine kostbare Wind- oder Solarenergie einfach dumm abgeregelt. Die Balance zwischen Stromerzeugung und -verbrauch wird zum größten Teil über die Elektrolyse, also die Wasserstoffherstellung,  hergestellt und die seltenen Spitzen werden in Windwärmespeichern kostengünstig genutzt. Solaranlagen werden sinnvollweise überwiegend so gebaut, dass sie möglichst gleichmässig tagsüber produzieren, also mit Ost-West-Ausrichtung. Für die Solarstomspeicherung kommen Kühleinrichtungen und Akkumulatoren zum Einsatz.

Wie wird ein so hoher Wirkungsgrad möglich?

1. Ein grosser Teil des erzeugten Gleichstromes wird in Wechselstrom gewandelt und direkt für den Strombedarf genutzt, wobei wenig Verluste anfallen.

2. Anfallende Energiespitzen von etwa 55 TWh werden direkt in Nähe der Windkraftanlagen zu Heizzwecken genutzt. Auch dabei fallen wenig Verluste an. Grössere Orte heizen mit Wärmepumpen deren Strom in windstillen dunklen Zeiten mit Hilfe von Wasserstoff aus dem Gasnetz erzeugt wird, so dass gleichzeitig auch Strom für die Engpassbewirtschaftung zur Verfügung steht.

3. Der grösste Teil des erzeugten Gleichstromes aber wird sofort in Elektrolyseuren zu Wasserstoff gewandelt. Dabei entstehen 25% Wärme. Die Hälfte davon, 92 TWh, können im Winterhalbjahr für Heizzwecke genutzt werden. Die andere Hälfte ist nicht nutzbar.

4. Der erzeugte Wasserstoff wird an Tankstellen und über das Gasnetz verkauft. Die dabei anfallenden Verluste für Verdichtung und Transport sind oben dargestellt.

5. Ein Viertel des Wasserstoffs wird, siehe 2., für die Rückverstromung per Brennstoffzellen in windstillen dunklen Zeiten benötigt.

Warum heisst es dann aber so oft, Wasserstoff habe einen schlechten Wirkungsgrad?

Der weitläufige Irrtum, ein Wasserstoffsystem habe einen schlechten Wirkungsgrad, beruht auf einem grob fehlerhaften Ansatz, nämlich der Annahme, daß Windstrom mit 25% Verlusten zu Wasserstoff gewandelt würde, wozu 12% Kompressionsverluste kämen und welcher dann mit 40% Wirkungsgrad wieder verstromt würde. Das ergäbe natürlich nur 25% Wirkungsgrad.

Aber genau dieses Szenario spielt in der Gesamtbilanz wie oben ersichtlich nur eine untergeordnete Rolle: Weil insbesondere nur ein sehr kleiner Teil des Wasserstoffs wieder rückverstromt wird, sind die damit verbundenen Verluste insgesamt unwesentlich.

Der richtige Ansatz ist also der bilanzielle, bei welchem die gesamte Energieabgabe ins Verhältnis zur Energiezufuhr gesetzt wird. Dies eben zeigt obiges Energieflußbild.