rethink energy europe

Der globale Verbrauch fossiler Energieträger steigt weiterhin an; eine Trendwende ist nicht in Sicht.^ii.„Statistical Review of World Energy; BP International Limited; Link geöffnet am 14.10.2021 https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html

In Europa erreichte Strom aus EE⁴erneuerbare Energie (ohne Kernkraft) 2019 einen Anteil von 34,6 %.^iii.„Die Treibhausgasemissionen der EU-Kraftwerke sanken 2019 so stark wie noch nie zuvor; AGORA Energiewende; Link geöffnet am 14.10.2021 agora-energiewende.de/presse/neuigkeiten-archiv/die-treibhausgasemissionen-der-eu-kraftwerke-sanken-2019-so-stark-wie-noch-nie-zuvor/ Doch selbst eine hundertprozentige Ökostromquote würde die Gesamtemissionen kaum sinken lassen, weil elektrische Energie nur etwa 17 % der Primärenergie ausmacht – welche auch in Europa zu 73 % fossilen Ursprungs ist.^iv.„Statistical Review of World Energy; BP International Limited; Link geöffnet am 14.10.2021 https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html

2019 verbrauchte Europa 17.100 TWh fossile Primärenergie. Um diese (hypothetisch) mit Ökostrom zu ersetzen, müssten 36-mal mehr Windräder installiert oder die Solarpaneelfläche um den Faktor 111 erweitert werden (was der Fläche von Rumänien entspricht). Die Leistung der Stromnetze müsste zudem vervielfacht werden.

73 % Primärenergie aus fossilen Energieträgern in Europa.

34,6 % Stromanteil aus erneuerbarer Energie 2019 (ohne Kernkraft).

36-mal mehr Windräder bräuchte es zur Deckung des Ökostrombedarfs.

17.100 TWh Ökostrom müssten zusätzlich produziert werden, um die fossile Primärenergie abzudecken.

Um Faktor 111 erweiterte Solarpaneelflächen, was der Fläche Rumäniens entspricht, bräuchte es zur Deckung des Ökostrombedarfs.

Kein noch so starker Ausbau der EE⁴erneuerbare Energie kann verhindern, dass die Ökostromproduktion (je nach Helligkeit, Jahreszeit und Wetter) zeitweise weit unter den Bedarf sinkt. Kritische Infrastruktur (Informations- und Kommunikations-Technik [IKT], Krankenhäuser, Wasser- und Gasversorgung etc.), Industrie und viele weitere Verbraucher sind aber auf eine zuverlässige Energieversorgung angewiesen. Da mit der Abschaltung der fossilen und nuklearen Kraftwerke fast der gesamte regelbare Teil der Kraftwerksleistung entfällt, müssen zur Überbrückung kalter Dunkelflauten etwa 15 % des jährlichen Strombedarfs jederzeit mit der notwendigen Netzleistung aus anderen grünen Quellen abrufbar sein.

Europas Primärenergiebedarf aus dem Jahr 2019 von 17.100 TWh entspricht einer mittleren Übertragungsleistung von 1.952 GW während 8.760 Stunden (1 Jahr). Ein Import via Stromleitungen aus angrenzenden Ländern würde 488 Gleichspannungs-Freileitungen mit je 4 GW Leistung erfordern.⁵Zurzeit gibt es weltweit nur 19 Leitungen von mindestens dieser Leistung. ^v.Peter Fairley, China’s Ambitious Plan to Build the World’s Biggest Supergrid, IEEE Spectrum, 21.2.2019; Link geöffnet am 18.10.2021 https://spectrum.ieee.org/chinas-ambitious-plan-to-build-the-worlds-biggest-supergrid Weil die Gesamtheit der Schnellstart-Kraftwerke nur einen Leistungsausfall von maximal 3 GW ersetzen kann, würde bereits beim Ausfall von nur einer einzigen der 488 Vier-Gigawatt-Leitungen das Risiko eines Blackouts unvertretbar zunehmen.^viUnterscheiden sich Stromangebot und -nachfrage in Europa um mehr als ca. 3 GW, kommt es zu einer Auftrennung des Netzes und zu Blackouts; Link geöffnet am 30.05.2022 https://www.apg.at/de/markt/netzregelung

Dazu müssen hinreichende Mengen treibhausgasneutraler Brennstoffe (Synfuels) vorrätig gehalten werden.

Der Offshore-Windpark Arkona hat eine Größe von 39 km² und produzierte 2019 1,5 TWh Strom.^vii.Georg Brasseur, Wie schafft man die Energiewende in Europa?, Eingeladener Vortrag in der ET-IT Fakultät der TU Graz, 5.5.2021, Folie 17, 24 Min. 30 Sek.; Link geöffnet am 14.10.2021 https://www.saurugg.net/wp-content/uploads/2021/05/energiewende-europaskurie2021-5-549min43.mp4?_=1 Mit dieser Energie könnten Methan oder Diesel erzeugt werden. Aufgrund der hohen Energiedichte flüssiger Brennstoffe würde die Herstellung zur Befüllung eines einzigen Flüssiggastankers jedoch 18 bis 26 Monate dauern (bei einem Dieseltanker wären es zweieinhalb bis vier Jahre); das Löschen des Tankers nähme hingegen weniger als einen Tag in Anspruch.

Dieses Beispiel zeigt, dass die Produktion von Synfuels außergewöhnlich große Flächen erfordert, die im dicht besiedelten Europa schlichtweg nicht verfügbar sind. In anderen Teilen der Welt (z.B. Nordafrika, Kanada, Patagonien, Zentralasien) gibt es nicht nur mehr Platz, sondern auch mehr Wind oder oder stärkere Sonneneinstrahlung als in Europa; aufgrund günstigerer Standortbedingungen verbessert sich die Energieausbeute der Anlagen dort gegenüber Europa um einen Faktor 2 bis 3.^viii.„Der Effizienzbegriff in der klimapolitischen Debatte zum Straßenverkehr“; Frontier Economics Ltd; Link geöffnet am 5.10.2021 https://www.frontier-economics.com/media/4297/rpt-frontier-uniti_mwv_effizienz-antriebssysteme_26-10-2020-stc.pdf Das senkt die Anzahl der erforderlichen Wind- und Solarkraftwerke sowie Syntheseanlagen. Bei der Errichtung der Anlagen werden entsprechend weniger Treibhausgase freigesetzt, d. h. die Maßnahmen werden effizienter. Außerdem sinken die Investitionskosten.

Nicht alle Brennstoffe kommen für den Transport über weite Strecken in Frage:

• Wasserstoff muss für den Transport stark komprimiert oder (durch Kühlung bis auf -256°C) verflüssigt werden. Das wäre aufgrund der Energieverluste zur Kühlung und der vollständig neu zu errichtenden interkontinentalen Transport- und Verteilinfrastruktur mit sehr hohen Treibhausgasemissionen und auch Kosten verbunden. Realisierte Projekte für interkontinentale Entfernungen sind nicht bekannt.^ix.Zentralverband der deutschen Seehafenbetriebe e.V., Seehäfen in der Energiewende: Wasserstoff, 3.6.2021; Link geöffnet am 1.6.2022 zds-seehaefen.de/wp-content/uploads/2021/06/2021-06-03_ZDS_Wasserstoff_Arbeitspapier_Juni21
• Synthetische Kraftstoffe, die aus Wasserstoff gewonnen werden, verhelfen dem Wasserstoff durch atomare Bindung an Stickstoff oder Kohlenstoff zu einer wesentlich höheren volumetrischen Energiedichte. Sie können mit vorhandener Infrastruktur gespeichert und transportiert werden. Die Transportkosten sind bezogen auf den Wert der Ladung gering.

Per Elektrolyse gewonnener Wasserstoff (z.B. aus Windkraftanlagen oder Photovoltaik) kann nicht in den benötigten Mengen interkontinental transportiert werden, sondern muss zu diesem Zweck in Methan, flüssige Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak umgewandelt werden. Wasserstoff wird daher vorrangig innerhalb Europas produziert werden müssen.

Die Industrie muss ihre Produktionsprozesse defossilisieren. Zur Umstellung auf Wasserstoff werden z.B. in Deutschland für die Stahlindustrie 176 TWh^x.Neues Verfahren ermöglicht klimafreundliche Stahlherstellung; STANDARD Verlagsgesellschaft m.b.H.; Link geöffnet am 14.10.2021 https://www.derstandard.at/story/2000114434250/neues-verfahren-ermoeglicht-klimafreundliche-stahlherstellung /^x.Wirtschaftsvereinigung Stahl, Fakten zur Stahlindustrie in Deutschland 2020, Seite 42; Link geöffnet am 1.6.2022 https://www.stahl-online.de/wp-content/uploads/WV-Stahl_Fakten-2020_rz_neu_Web1.pdf veranschlagt (ca. das Fünffache von Österreich), für die Chemieindustrie 645 TWh^xi.Roadmap Chemie 2050; Eine Studie von DECHEMA und FutureCamp für den VCI, Seite 94; Link geöffnet am 14.10.2021 https://www.vci.de/vci/downloads-vci/publikation/2019-10-09-studie-roadmap-chemie-2050-treibhausgasneutralitaet.pdf und für Raffinerien 82 TWh.^xii.Potentialatlas für Wasserstoff, ENCON Europe GmbH, 3-2018, Seite 47; Link geöffnet am 1.6.2022 https://www.dwv-info.de/wp-content/uploads/2018/04/Potentialstudie-f%C3%BCr-gr%C3%BCnen-Wasserstoff-in-Raffinerien.pdf Allein diese drei Branchen werden mehr zusätzlichen Strom benötigen, als in ganz Deutschland 2019 netto verbraucht wurde (574 TWh^xiii.Statistical Review of World Energy; BP International Limited; Link geöffnet am 14.10.2021 https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html).

Konflikte um die Priorität bei der Belieferung mit Ökostrom sind absehbar. Dabei werden die Verbraucher Vorrang haben, die auf elektrischen Strom angewiesen sind und keine andere Energieform nutzen können (z.B. Telekommunikation, Internet, Haushalte, Wärmepumpen und gewisse industrielle Prozesse).

Anhand der Minimierung der Treibhausgasemissionen und Kosten für (i) Errichtung, (ii) Betrieb der Anlagen, (iii) Speicherung und (iv) Transport der Energieträger zu den Verbrauchern wird zu entscheiden sein, welche Energieträger in welchen Regionen der Welt in welcher Menge und für welchen Verwendungszweck produziert werden sollten.

Die hier angedeuteten Fragen sind als Teilaufgaben eines multidimensionalen Optimierungsproblems zu verstehen, dessen Lösung sich nach wissenschaftlich fundierten Fakten zu richten hat. Ideologische Vorgaben oder politische Fehlentscheidungen führen stets zu Abweichungen vom Optimum – mit der Folge höherer Treibhausgasemissionen und steigender Kosten. Ein gemäß wissenschaftlichen Standards methodisch richtiges Vorgehen erlaubt es hingegen, die Gesamtheit der Investitionskosten innerhalb und außerhalb Europas zu minimieren.

Die Langzeit-Speicherung größerer Energiemengen (in der Größenordnung von TWh) von elektrischem Strom in Akkus mit heutiger Lithium-Ionen-Technologie⁷Andere Akku-Technologien für stationäre Anwendungen wie beispielsweise Redox-Flow-Akkus lösen zwei der hier angeführten Probleme: knapp verfügbare Rohstoffe und hoher Preis. erreicht nicht die geforderte Kapazität, benötigt knapp verfügbare Rohstoffe, verursacht bei der Herstellung hohe Treibhausgasemissionen und ist für Stromversorgungssysteme zu teuer.^xiv.Saisonaler Energiespeicher; Energie-Lexikon von Rüdiger Paschotta; Link geöffnet am 14.10.2021 https://www.energie-lexikon.info/saisonaler_energiespeicher.html Strom muss entweder sofort vom Endanwender verbraucht oder in Wasserstoff umgewandelt werden. Diese und jede weitere Umwandlung (z.B. in Methan) verschlechtert aber den Gesamtwirkungsgrad.^xv.Elektrolyse; Energie-Lexikon von Rüdiger Paschotta; energie-lexikon.info/elektrolyse.html; Link geöffnet am 10.2021 https://www.energie-lexikon.info/elektrolyse.html Je weniger Umwandlungen insgesamt erfolgen, umso weniger zusätzlicher Grünstrom wird benötigt und umso kleiner können die Anlagen dimensioniert werden. Das verringert die Treibhausgasemissionen und senkt die Investitionskosten.

Die Auswirkungen unterschiedlicher Erzeugungswege auf den Gesamtwirkungsgrad können am Beispiel der Erzeugung von Wasserstoff für den Verbrauch in Europa veranschaulicht werden:

Wird der Wasserstoff in räumlicher Nähe der Verbraucher erzeugt und gegebenenfalls zur bedarfsgerechten Nutzung zwischengespeichert, so entfallen zwei verlustbehaftete Umwandlungsstufen; das senkt den Primärenergiebedarf, den Rohstoffbedarf zur Errichtung der grünen Kraftwerke und damit die Treibhausgasemissionen. Weiters sinken die Kosten trotz der schlechteren Ausbeute der Wind- und Solarkraftwerke in Europa.

Der elektrische Antrieb verbessert den Wirkungsgrad von Autos erheblich.

In Deutschland ist gesetzlich festgelegt, dass Ökostrom stets zuerst abgenommen werden muss und praktisch immer vollständig verbraucht wird. Mehrbedarf kann nur von fossilen Kraftwerken gedeckt werden. Die Einsatzreihenfolge der Kraftwerke, von der Energiewirtschaft auch „Merit-Order“ genannt, wird durch die Grenzkosten der Stromerzeugung bestimmt.

Die steigende Stromnachfrage der E-Fahrzeuge kann nicht von den erneuerbaren Energien (EE) abgedeckt werden, weil diese bereits vollständig eingespeist sind. Der Ladestrombedarf bewirkt stattdessen die Produktion fossilen Ausgleichsstroms gleicher Menge.

Abbildung 1: Prinzipdarstellung der Merit Order.^xvi.Das Dilemma oder die Selbstlüge der Merit-Order:
 Um die wirtschaftlich optimale Stromversorgung in einem Stromhandelsplatz zu gewährleisten, orientiert sich die Merit-Order an den niedrigsten Grenzkosten, also an den Kosten, die bei einem Kraftwerk für die letzte produzierte Megawattstunde anfallen. Damit muss der Ladestrombedarf über zusätzliche Kohlekraftwerke gedeckt werden, da die kostengünstigen Kraftwerke für EE und Kernenergie bereits vollständig ausgelastet sind (sie produzieren aber leider nur 60 % des europäischen Strombedarfs); Link geöffnet am 1.6.2022 https://www.next-kraftwerke.de/wissen/merit-order.
Residuallast ist die Leistung, die nicht aus erneuerbaren Energien (EE) erzeugt werden kann.

Angenommen, in Deutschland würden alle 48 Mio. konventionellen Pkw durch BEV⁸BEV = Battery Electric Verhicles = batterieelektrische Fahrzeuge. ersetzt werden. Weiters sei angenommen, dass die Fahrleistung 15.000 km/a betrage und der Verbrauch bei 25 kWh / 100 km inklusive Heizung und Kühlung liege. Jedes BEV muss daher, um die Jahresfahrleistung zu erreichen, 150-mal im Jahr geladen werden und nimmt dabei je 25 kWh auf.

Das ergäbe einen Gesamt-Energiebedarf der Elektromobilität von 179 TWh/a. Eigens dafür müsste die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie kräftig ausgebaut werden: 179 TWh/a erforderten 42.400 zusätzliche Windräder (+137 %) oder 2.600 km² mehr PV-Fläche (+380 %). Die zugebaute Kapazität würde aber sogleich mit anderen, notwendigen oder für die Senkung der Treibhausgasemissionen wirkungsvolleren Verwendungen (wie dem steigenden Bedarf der Informations- und Kommunikationstechnologie [IKT], der lokalen Wasserstofferzeugung für die Industrie und dem Ersatz von Hausbrand fossiler Kraftstoffe durch Wärmepumpen) konkurrieren. Batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge verzögern somit die Defossilisierung der Stromerzeugung!

Derzeit liegt die Netzleistung in Deutschland bei durchschnittlich ca. 75 GW. Würden nur 10 % von 48 Mio. Autos gleichzeitig mit 25 kW laden, so müsste die Netzleistung auf 195 GW steigen; bei 50 kW Ladeleistung wären es bereits 314 GW.^xvii.Georg Brasseur, Schafft man in Europa die Energiewende?, Eingeladener Plenarvortrag, Gesamtsitzung der Österreichische Akademie der Wissenschaften, 25.6.2021, Folie 15, ab Minute 29; Link geöffnet am 1.6.2022 https://youtube.com/watch?v=weI_ga3TYoI Ein Netzzusammenbruch wäre die Folge und ließe sich nur mit für die Verbraucher unzumutbaren Beschränkungen vermeiden (z.B. „alle 58 h einmal zwischen 6 – 22 Uhr laden, jedoch weniger als 2 % Pkw gleichzeitig und mit Leistungen von unter 50 kW“). Daher sollen z. B. im UK zur Vermeidung von Stromengpässen an Wochentagen private Ladestationen, die vom öffentlichen Netz versorgt werden, zwischen 8 und 11 Uhr sowie zwischen 16 und 22 Uhr automatisch abgeschaltet werden  können.^xviii.The Sunday Times, Nicholas Hellen, E-car chargers will turn off to prevent blackouts; Link geöffnet am 5.6.2022 https://www.thetimes.co.uk/article/e-car-chargers-will-turn-off-to-prevent-blackouts-jnm2m86pz

60 Liter Diesel werden heute üblicherweise in ca. drei Minuten getankt. Das entspräche einem elektrischen Kabel mit 12 MW Leistung. Die (trotz der 250 kW-Schnellladestationen) relativ langsamen „Betankungs“-Geschwindigkeiten der BEV führen also zu einer unzulässig starken Belastung des Stromnetzes, das sich damit als für diesen Zweck prinzipiell ungeeignet erweist.

Bei gleichmäßigem Stromfluss sind die Netzverluste am geringsten (bei Nennlast ca. 5 % der abgegebenen Leistung). Steigt die Netzleistung aufgrund schwankender Einspeisung oder Abnahme an, um die vom Verbraucher benötigte Energie in kürzerer Zeit zu übertragen, nehmen die Netzverluste quadratisch mit der Übertragungsleistung zu. Verengt sich das Zeitfenster auf 24 % der bisherigen Zeit, so betragen die Netzverluste bei konstanter Last ca. 27 % der Netzleistung; bei einem Zeitfenster von nur 11 % kann die gewünschte mittlere Leistung nicht mehr über das Netz übertragen werden. Dann wird schon bei etwas mehr als der halben mittleren Leistung etwa gleich viel Energie als Verlustwärme im Netz anfallen, wie an den Endverbraucher abgegeben wird (Quelle: dito).

Abbildung 2: Einfluss von Lastschwankungen auf den Netzwirkungsgrad.^xix.Georg Brasseur, Schafft man in Europa die Energiewende?, Eingeladener Plenarvortrag, Gesamtsitzung der Österreichische Akademie der Wissenschaften, 25.6.2021, Folie 7, ab Min. 8:53; Link geöffnet am 1.6.2022 https://www.youtube.com/watch?v=weI_ga3TYoI Die Verbraucherleistung PL ist gleich der Netzleistung PN verringert um die Netzverluste PV. Stromnetze eignen sich nicht dazu, punktuell hohe Leistungen zur Verfügung zu stellen. Diese besondere Anforderung der Elektromobilität erschwert und verzögert die Defossilisierung der Stromversorgung.

Aufgrund des großen Wasserstoffbedarfs wird noch für Jahrzehnte kein Grünstrom überschüssig sein. Jeglicher Strombedarf zusätzlicher Verbraucher wird von Wärmekraftwerken gedeckt werden müssen. Diese werden zurzeit mit fossilen Brennstoffen betrieben und zukünftig auf Synfuels umgestellt.
Die Rückverstromung der Synfuels muss aber nicht in Kraftwerken erfolgen, sondern kann z.B. in die Fahrzeuge verlagert werden. Die aufgrund der ungleichmäßigen Leistungseinspeisung ohnehin in ihrer Stabilität gefährdeten Stromnetze auch noch mit der Ladestromverteilung zu belasten, erscheint wenig sinnvoll.

Serielle Hybridfahrzeuge mit hocheffizienten Verbrennungsmotoren erlauben es, die Effizienz des Elektroantriebs mit der hohen Energiedichte herkömmlicher Fahrzeugtanks zu verbinden.

Dieses Konzept

• verringert die Netzbelastung,
• vermeidet die bekannten Rohstoffengpässe und geografischen Abhängigkeiten aufgrund der Akku-Herstellung,
• verringert das Fahrzeuggewicht,
• senkt den Energieverbrauch gegenüber  BEV^xx.Georg Brasseur, Hochwirkungsgrad Hybridantrieb für nachhaltige Elektromobilität, Inst. f. Elektrische Messtechnik u. Sensorik, TU Graz, 31.1.2020; Link geöffnet am 14 .10.2021 https://epub.oeaw.ac.at/0xc1aa5576_0x003b46cd.pdf  und
• umgeht die Kosten der Ladeinfrastruktur

Einige der laufenden und geplanten Elektrifizierungsprojekte sind offensichtlich unzureichend durchdacht und führen de facto zu einer Verzögerung der Energiewende. Vor allem im Kontext des hohen Leistungsbedarfs der Verkehrswende ist zu berücksichtigen, dass

• zusätzlich erforderlicher Strom zu 100 % defossilisiert sein muss,
• die Stromübertragung verlustbedingt nicht über beliebig lange Strecken erfolgen kann und
• die Leistung von Energieeinspeiseleitungen auf jeweils weniger als 3 GW begrenzt sein muss, weil bereits der Ausfall einzelner Leitungen das Netz kollabieren lassen würde.

Die Differenz zwischen Strombedarf und Grünstromproduktion kann heute nur mit Fossilstrom gedeckt werden. Sie muss zukünftig Schritt für Schritt durch die verlustehaftete Rückverstromung importierter chemischer Energie geschlossen werden. Dadurch kann der Primärenergiebedarf nach einer Elektrifizierung unter Umständen höher sein, als wenn diese Endenergieverbraucher von fossilen auf Synfuels umgestellt worden wären.

Es ist hoch an der Zeit, objektiv und ohne Rücksicht auf ideologische Vorgaben zu untersuchen, in welchen Verbrauchssektoren die Elektrifizierung bereits jetzt nachhaltige Treibhausgaseinsparungen erzielen kann und staatlich gefördert werden sollte.⁹Selbst Wärmepumpen, die mit fossilem Strom betrieben werden, sind zu überdenken: Denn würde man diese mit einem Verbrennungsmotor betreiben und dessen Abwärme nutzen, ließe sich etwa die gleiche Menge Primärenergie wie mit einem elektrischen Antrieb einsparen, ohne kostbaren Grünstrom zu verbrauchen.

Der Politik ist die Frage zu stellen, ob es nicht unverantwortlich ist, eine Mobilitätsform zu fördern, welche

• die vollständige Defossilisierung des Stroms verzögert,
• in bedeutendem Umfang knappe Ressourcen bindet, die damit für tatsächlich treibausgasverringernde Maßnahmen nicht mehr zur Verfügung stehen, und
• im Vollausbau zu Blackouts führen wird, falls nicht massive Infrastrukturerneuerungsmaßnahmen im Netz unmittelbar in Angriff genommen werden, die genau aus diesem Grund nicht in einem auch nur annähernd ausreichenden Umfang geplant werden.

Stattdessen diskutiert man Stromrationierungen für E-Autos.