Windräder

Die erneuerbaren Energien – Sonnenenergie, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse, Erdwärme… – sind nicht erschöpfbar. Sie standen seit jeher zur Verfügung und sind verfügbar, solange die Erde existiert.
Aus diesem Grunde sind in den vergangenen Jahrzehnten vor allen Dingen in Deutschland viele Anstrengungen unternommen worden, die Anwendung dieser Energieformen weiterzuentwickeln, allerdings in der falschen Weise nach den Rezepten von Lovins.

Sonnenenergie und Windenergie haben das Potential, in beträchlichem Maße zur Energieversorgung in Deutschland beizutragen. Der Nachteil dieser Energieformen ist, daß sie in geringer Intensität und sehr unregelmäßig angeboten werden. Die Sonne scheint nicht nachts, der Wind weht nicht dauernd mit genügender Stärke. Der Bedarf ist aber dauernd vorhanden. D.h. Sonnenenergie und Windenergie benötigen einen leistungsfähigen Speicher. Bei den Solarzellen wird die Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie umgewandelt, die normalerweise ins Netz eingespeist und verkauft wird. Ebenso geschieht es bei den Windrädern, die elektrische Energie in das Stromnetz einspeisen, da ihre Speicherung in Batterien zu teuer und zu aufwendig ist. Die in Deutschland z.Z. installierte Windenergieleistung liegt bei ca. 15 Gigawatt, das entspricht der Leistungsabgabe von etwa 12 großen Kernkraftwerken. Bei schwachem Wind oder Windstille wird keine Leistung von den Windrädern ins Netz abgegeben. Sie muß aber an die Kunden geliefert werden. Das tun dann zunächst die anderen Kraftwerke am Netz, die mit Kohle oder Kernenergie oder Gas betrieben werden. Aber sie sind durch den Ausfall der Windenergie überlastet. Die Strom-Generatoren der noch laufenden Kraftwerke -sie arbeiten ähnlich wie die Lichtmaschinen im Auto oder ein Notstromaggregat – müssen mehr Strom abgeben als vorgesehen, die Wicklungen erhitzen sich, die Generatoren werden nach ca. 30 Minuten abgeschaltet, einer nach dem anderen, bevor die Wicklungen durch Überhitzung zerstört werden. Innerhalb weniger Minuten ist das Netz tot, kein Strom wird mehr geliefert. Es ist nicht ganz einfach, es wieder in Betrieb zu setzen, wie man aus den Netzzusammenbrüchen der letzten Jahre in USA, Italien usw. weiß. Den Stromversorgungsunternehmen ist dieses Verhalten der Kraftwerke bekannt. Deswegen muß für jedes Megawatt Windleistung, das ins Netz installiert wird, etwa ein Megawatt konventionelle Kraftwerksleistung – Kohle oder Kernenergie – vorgehalten werden, die im Falle einer Flaute eingeschaltet werden kann. Das heißt: Windenergie im deutschen Stromnetz ist völlig überflüssig, ebenso die Energie aus Solarzellen.
Windenergie und Solarenergie sind nur dann sinnvoll, wenn man sie mit einem geeigneten Speicher koppelt, das tut auch die Natur, wie wir später sehen werden. Batterien haben ein zu geringes Speichervermögen und sind zu teuer. Der geeignete Speicher für die erneuerbaren Energien ist der Wasserstoff, den man durch Wasserelektrolyse mit Energie aus Windrädern oder Solarzellen oder durch Kohlevergasung herstellen kann. Aber die Entwicklung der Wasserstofftechnik ist in Deutschland nicht konsequent verfolgt worden: seit ca. 30 Jahren hier ein Projekt, da ein Projekt, kein großer Plan, nur isolierte Vorhaben, die nach einiger Zeit eingestellt wurden. Man könnte den Eindruck gewinnen, daß hier von Staats wegen ein Theater für das große Publikum inszeniert wurde, um zu zeigen, daß man etwas tut und Alternativen zu der “schmutzigen” Kohle und der “lebensfeindlichen” Kernenergie hat. Es wurden Solarzellen und Windräder entwickelt, aber nicht die dazu gehörenden Energiespeicher. Gespeist wurde die Energie im elektrischen Netz, was aber in Deutschland völlig falsch ist, wie ich oben gezeigt habe.
Wie die in Deutschland installierte erneuerbare Energie sinnvoll verwendet werden kann, ist im nächsten Abschnitt beschrieben.

Wasserstofftechnik und Kohlevergasung

Wehrdamm

In seinem 1884 veröffentlichten Roman “Die geheimnisvolle Insel” schreibt der bekannte französische Schriftsteller Jules Verne: Ja, meine Freunde, ich glaube, daß Wasser eines Tages als Brennstoff benutzt werden wird, daß Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen es sich zusammensetzt, eine unerschöpfliche Wärme- und Lichtquelle bilden werden, und das mit einer Intensität, die man von Kohle nicht erwarten kann. Wasser wird die Kohle der Zukunft sein.
Jules Verne hatte recht. Wasserstoff ist in beliebiger Menge vorhanden (in chemisch gebundener Form, z.B. als Wasser), leicht speicherbar, bei seiner Verbrennung mit Sauerstoff entsteht reines Wasser, das nicht umweltschädlich ist und wieder zersetzt werden kann. Es findet also kein Verbrauch von Rohstoffen statt, in der Biologie ist der Wasserstoff seit Milliarden Jahren der Energielieferant und Energiespeicher. Leben ist nur möglich durch dauernde und ununterbrochene Zufuhr von Energie, selbst wenn der pflanzliche oder tierische Organismus keine Arbeit verrichtet. Denn die Billionen Makromoleküle eines lebenden Organismus müssen nach einem exakten Plan zusammenarbeiten, ihre Funktionen zentral gesteuert werden. Jedes dieser Moleküle ist mit jedem über einen Informationsstrang verbunden. Dieses Informations- und Steuerungssystem benötigt Energie Diese Energie wird aus einer gesteuerten Knallgasreaktion in jeder biologischen Zelle gewonnen.

Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich in der Zelle zu Wasser, dabei wird die benötigte Energie frei. Das entstandene Wasser kann wieder zersetzt werden zur Energiespeicherung. Wie kommt nun der Wasserstoff in die Zelle, genau dorthin, wo er benötigt wird? Welchen Mechanismus hat die Natur zu diesem Zweck erfunden? Es ist die Photosynthese. Betrachten wir den Vorgang der Photosynthese an Beispiel der Energieversorgung eines Baumes. Zum Leben braucht der Baum Wasser, Kohlendioxid und Sonnenlicht. Fehlt eine dieser Komponenten, stirbt der Baum. Das Wasser nimmt er über die Wurzeln auf, es steigt in dte Blätter. Dort wird es durch Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Sauerstoff wird von dem Baum nicht benötigt, er wird an die Atmosphäre abgegeben. Der Wasserstoff reagiert mit dem Kohlendioxid, das über die Blätter aus der Atmosphäre aufgenommen wird. Bei dieser Reaktion entsteht in einem sehr sinnreichen Verfahren aus CO2 und Wasserstoff Glucose (Zucker), aber auch Stärke, Öle usw. Diese Substanzen dienen als Energiespeicher, da sie sehr viel Wasserstoff enthalten. Der menschliche Organismus z.B. bezieht die zum Leben nötige Energie aus diesen wasserstoffreichen Substanzen, die er als Nahrung aufnimmt. Bei diesen Substanzen wird mit Hilfe von Enzymen in den Zellen der Wasserstoff abgespalten, der sich dann mit Sauerstoff, über die Lunge eingeatmet, zu Wasser verbindet. Dabei wird die zum Leben nötige Energie freigeselzL AuBerdem entsteht CO2, das über die Lunge ausgeatmet wird- Wir haben also hier den Wasserstoff, den wir für die Energteversorgung des lebenden Organismus benötigen.

Von links nach rechts gelesen hat man die Synthese von Zucker aus Wasser und Kohlendioxid mit Hilfe von Sonnenenergie, von rechts nach links die Verbrennung von Zucker mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid. Diese Reaktion findet u.a. in den Zellen des menschlichen Körpers statt. Seit Jahrmilliarden basiert die Energieversorgung der Biologie auf Methoden der Wasserstofftechnik. Was Jules Verne vor 120 Jahren prophetisch vorausgesehen hatte, kann heute Wirklichkeit werden: Wasserstoff als Energiespeicher und Energieträger für Haushalt, Industrie, Verkehr. Wasserstoff ist bei Normalbedingungen ein Gas. Er ist das häufigste Element im Universum, auf der Erde kommt er nur in gebundener Form vor, gebunden an andere Atome. Freies Wasserstoffgas ist so leicht, daß es in den Weltraum entweicht. Die bekannteste Wasserstoffverbindung ist Wasser. Das Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom mit zwei daran gebundenen Wasserstoffatomen. Man kann diese Bindung durch Zufuhr von Energie trennen. Man erhält dabei zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom, die als Gase entstehen und gespeichert werden können. Ein Gerät zur Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit elektrischer Energie nennt man Elektrolyseur. Wenn man die Gase später in geeigneter Form rekombinieren läßt, entsteht wieder Wasser und man erhält die Zersetzungsenergie zurück. Man kann die Rekombination in einer schlagartigen Explosion ablaufen lassen (Knallgasreaktion) oder in einer sorgfältig gesteuerten Reaktion, z.B. in einer Brennstoffzelle oder im lebenden Organismus. In der Brennstoffzelle wird die frei werdende Energie hauptsächlich als elektrische Energie abgegeben zum Antrieb von Elektromotoren.

Die elektrische Energie aus Windrad oder Solarzelle, die man zur Zersetzung des Wassers im Elektrolyseur benötigt hat, wird bei der Rekombination der Gase in der Brennstoffzelle wiedergewonnen. D.h. wenn man in die Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff einspeist, rekombinieren die beiden Gase zu Wasser, die Bindungs-Energie wird zu etwa 50% in Form elektrischer Energie abgegeben, zu 50% in Form von Wärme wie bei der Knallgasreaktion.
Mit Wasserstoff kann Sonnen- und Windenergie gespeichert und auch konzentriert werden. Wasserstoff und Sauerstoff kann man beliebig lange verlustfrei speichern, das Verbrennungsprodukt der beiden Gase ist reines Wasser, also sehr umweltfreundlich. Die zukünftige Wasserstofftechnik ist also die naturgegebene Energietechnik ohne Verbrauch von Rohstoffen und Schädigung der Umwelt. Was kann man nun mit den vielen Windrädern in Deutschland machen, die im Stromnetz überflüssig sind? Die Energie aus diesen Windrädern kann dazu dienen, in Elektrolyseuren Wasserstoff aus Wasser zu produzieren. Diesen Wasserstoff kann man bis zu einem gewissen Prozentsatz dem Erdgas beimischen, das aus Rußland oder Norwegen importiert wird, ohne die Erdgasbrenner der Zentralheizung modifizieren zu müssen. Der Energieinhalt des Gasgemischs steigt damit. Oder man kann den Wasserstoff in großen unterirdischen Kavernen speichern z.B. in Salzstöcken, wie man es bei Erdgas tut. Diesen Wasserstoff kann man mit Kohlendioxid reagieren lassen. Wenn man die Reaktionsbedingungen wie Druck und Temperatur richtig einstellt, erhält man dabei Methanol, einen leistungsfähigen Energieträger (man kann Autos damit betreiben) und Chemierohstoff.

Das Kohlendioxid kann man aus der Luft entnehmen, aus Verbrennungsprozessen oder Zementfabriken. Mit Methanol können nicht nur Automotoren betrieben werden, sondern auch Brennstoffzellen, statt mit Wasserstoff. Man ist also nicht mehr auf Benzin und damit Erdöleinfuhren angewiesen. Leider schätzt das unser Staat BRD nicht, da er an der Benzinsteuer reichlich verdient!

Kohlevergasung und Biomassevergasung

Den Wasserstoff kann man statt durch Wasserelektrolyse auch durch Kohlevergasung herstellen, indem man Wasserdampf über glühende Kohle leitet. Dabei entsteht Wasserstolf und Kohlenmonoxid.
Das Synthesegas kann man mit Sauerstoff verbrennen, dabei entsteht Kohlendioxid und Wasser sowie Energie. Man kann das Synthesegas aber auch bei vorgegebener Temperatur und Druck über einen Katalysator leiten. Dann bildet sich Methanol oder ein anderer Kohlenwasserstoff (z.B. Benzin). Man sieht daß die Kohlevergasung und Kohleverflüssigung Verfahren der Wasserstofftechnik sind. Das ist der Grund dafür, daß die Wasserstofftechnik von den Machthabern der BRD, die ihre Handlungsanweisungen aus der Londoner und New Yorker City erhalten, nicht geschätzt wird: man könnte sich ja energetisch unabhängig machen von den anglo-amerikanischen Herren, da man sein Benzin selbst produzieren kann, wie es in Deutschland in den 20er und 30er Jahren geschah.
Aus dem gleichen Grunde ist die Bio-massevergasung nicht sehr beliebt bei den Forschungsförderern. Bei der Biomassevergasung wird Holz, Stroh oder anderes organisches Material einer Temperatur von über 1000°C ausgesetzt in sauerstoffreier Atmosphäre. Dabei entsteht wie bei der Kohlevergasung ein Gasgemisch von CO, CO2, H2 usf., das man zu Methanol oder anderen flüssigen Energieträgern reagieren lassen kann. Im Zweiten Weltkrieg diente die Holzvergasung in Deutschland zum Betrieb von privaten Autos. Der etwas umgebaute Motor lief mit Holzgas, einem Gemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid (sehr giftig).

Dezentrale Energiesysteme

In Ballungsgebieten, Großstädten oder Industriezentren ist die Anwendung von Solar- oder Windenergie sehr fragwürdig, die Energieversorgung wird hier in aller Regel durch große zentrale Kraftwerke auf der Basis von Kohle und Kernkraft oder Erdgas erfolgen. In abgelegenen Landstrichen kann die erneuerbare Energie aber sinnvoll sein. Allerdings muß eine Speichermöglichkeit für die erneuerbaren Energien vorhanden sein, also Wasserstoff, gewonnen aus erneuerbaren Energien. Ein dezentrales Energieversorgungssystem, das in der Lage ist, kontinuierlich Energie zu liefern, unabhängig davon, ob Windstille herrscht oder Wind weht, besteht also aus einem Windrad, einem Elektrolyseur, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, einem Wasserstoffspeicher und einem Wasserstoffverbraucher, z.B. einem Wasserstoffmotor oder einer Brennstoffzelle. Betrachten wir den Fall des Windrads: Das Windrad erzeugt elektrischen Strom, der für die Energieversorgung eines Dorfes oder Betriebs benutzt wird. Bei starkem Wind wird mehr Strom erzeugt als benötigt wird. Diese Überschußenergie geht in einen Elektrolyseur, der Wasser zersetzt und dabei Wasserstoff erzeugt. Der Wasserstoff wird gespeichert und bei Windstille in die Brennstoffzelle gegeben, die dann den benötigten elektrischen Strom erzeugt. Auf diese Weise können abgelegene Gebiete, Inseln usf. dezentral mit Energie versorgt werden. Die Vernetzung von Solar- und Windanlagen bietet weitere Möglichkeiten.
Das Auto der Zukunft läuft mit einer Brennstoffzelle, deren elektrische Leistung bei 20-30 kW liegt. Diese Leistung kann während der Stillstandzeiten des Autos in das elektrische Netz eingespeist werden, wenn Wasserstoff zum Betrieb der Brennstoffzelle zur Verfügung steht. Tausend solcher Autos erbringen eine elektrische Leistung von 20-30 Megawatt, wie ein kleines Kraftwerk. Woher kommt der Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzellen? Es gibt inzwischen Konzepte von Brennstoffzellen, die man wahlweise als Elektrolyseur (also Wasserstofferzeuger, betrieben mit Windenergie) oder als Brennstoffzeile (Erzeuger elektrischer Energie) betreiben kann. Es ist also vorstellbar, daß in abgelegenen Regionen Gasnetze entstehen mit Speichermöglichkeiten für Millionen Kubikmeter Wasserstoff, der mit den Elektrolyseuren in den Garagen nachts erzeugt wird der dann tagsüber für den Betrieb der Brennstoffzellen benötigt wird (Spitzenbedarf des Netzes). Der Wasserstoff kann auch zum Betrieb des Autos, für Heizung usf. verwendet werden in Haushalt und Industrie. Die Brennstoffzelle von 20-30 kW erzeugt neben der elektrischen Energie auch thermische Energie in der Größenordnung ca. 20-30 kW.

Autor: Prof. Sigurd Schulien

Bildquellen:
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Windräder – Claudia Hautumm
Wehrdamm – Eva Kaliwoda