Das Speichern in Batterien ist sehr teuer. Wie im Abschnitt "Speicher" erläutert, ist das Speichern von Strom in Batterien unter günstigsten Annahmen zu den Batterie--Kosten etwa dreimal so teuer, wie das Speichern von Methan, in das man den Überschußstrom umwandeln kann. Wir konzentrieren uns deshalb auf das Speichermedium Methan.
Jahr 2050
Die beiden untenstehenden Bilder zeigen in Bild 3 den Verbrauch und in Bild 4 die (rein regenerative) Produktion. Beim Vergleich der Bilder 3 und 4 sieht man, dass bei Gleichheit Jahresverbrauch und -produktion die aktuellen Werte fast nie übereinstimmen, obwohl die Jahressummen gleich sind. Deshalb muß gespeichert werden. Speicher sind in diesem Fall Batterien. Als Folge gibt es nur noch Elektro-Antriebe für Fahrzeuge. Das führt zu einem deutlich kleineren Jahresverbrauch für Verkehr von 256 TWh in 2050, verglichen mit 634 TWh in 2015. Die relatv kleinen Verluste in Bild 4 sind auf die hohe Effizienz beim Be- und Entladen von Batterien zurückzuführen.
Bild 6 zeigt, analog zu Bild 2, die Produktion. Nach Ersatz der fossilen Energieträger ist die Produktion im Jahr 2050 nur noch regenerativ. Dabei wird Geothermie, Biomasse, und Biogas von 241 TWh im Jahr 2015 um maximal 30% auf 307 TWh im Jahr 2050 ausgebaut. Wasserkraft bleibt konstant. Der 2015 vorhandene Bestand an Windkraft- und PV-Anlagen muß bis 2050 so vervielfacht werden, dass damit der Strombedarf für Haushalte, Bahn, Ladung der Elektrofahrzeuge und ein Teil des Bedarfs für Heizung und Prozeßwärme zeitgleich genutzt und der Rest des Stroms in geeigneter Form gespeichert wird. Abregeln der Anlagen bei Überschußproduktion soll vermieden werden, da Anlagen auch dann Geld kosten, wenn sie keinen Strom produzieren. Der Faktor der Vervielfachung liegt bei über 30. Die Summe der Produktion abzüglich der Verluste ist mit 2.312 TWh gleich der Summe des Verbrauchs. Die Zahlen zu den Bildern 5 und 6 finden Sie im mittleren Teil von Tabelle 1.
Die Bilder 5 und 6 zeigen die ganze Dramatik der CO2-freien Energieversorgung bei Gasspeicherung (Methan). Bild 5 zeigt, analog zu Bild 1 den prognostizierten Energieverbrauch der Bundesrepublik Deutschland für das Jahr 2050. Er ist bei Wärme und Strom praktisch derselbe wie 2015. Beim Verkehr wird angenommen, dass 1/3 aller Fahrzeuge Elektroantrieb besitzt und 2/3 mit Methan aus dem Speicher betankt werden. Der Elektroantrieb bei 1/3 aller Fahrzeuge verbraucht ca. 140 TWh weniger, als dieselbe Zahl Verbrenner im Jahr 2015. Die mit Methan betankten Fahrzeuge haben mit 425 TWh denselben Verbrauch wie mit Diesel oder Benzin betankte.
Die Summe aus Jahresverbrauch in Bild 1 und Jahresproduktion in Bild 2 ist mit 2.470 TWh gleich groß. So verlangt es die Gesamtbilanz. In Tabelle 1 im Abschnitt "Basisdaten der Energieversorgung in Deutschland" können Sie im linken Teil sehen, wie sich die Zahlen aus Bild 1 (linker Teil von Tabelle 1, unten) und Bild 2 (linker Teil von Tabelle 1, oben) so zusammensetzen, dass alle Bilanzen erfüllt sind. Das sieht man daran, dass die Summe der umrahmten Jahressummen für Verbrauch (Bild 1) und Produktion (Bild 2) gleich sind.
Stromexport und -import: Anders als in 2015 gibt es im Jahr 2050 weder Stromexport noch Stromimport. Grund: wie Bild 4 zeigt, sind die Überschüsse zeitweilig ein Mehrfaches des gesamten Stromverbrauchs. Dafür gibt es in Nachbarländern keine Abnehmer. Die Überschüsse müssen entweder teuer abgeregelt oder im Land gespeichert werden. Umgekehrt gibt es Zeiten, in denen die Produktion aus Wind und PV praktisch Null ist. Fast der gesamte Energiebedarf Deutschlands müßte dann carbonfrei aus Nachbarländern importiert werden. Dafür gibt es keine Lieferanten. Also muß das Defizit aus Speichern in Deutschland gedeckt werden.
Produktion:
Die Produktion ist im Jahr 2050 zu 100% regenerativ.
regenerativ, speicherbar (307 TWh): dies sind Biomasse und Biogas, die bei Bedarf in Zwischenlagern gespeichert werden können und Geothermie, die aus einem globalen Großspeicher kommt
regenerativ, nicht speicherbar (2.973 TWh): hierzu gehören PV, Windkraft und Wasserkraft, sowie Wärme, die mit Hilfe von Wärmepümpen der Umgebungsluft entnommen werden kann. Luft deshalb, weil in Städten die an sich günstigere Entnahme aus Boden und Grundwasser nur sehr begrenzt möglich ist
Verluste (967 TWh): Die hohen Verluste entstehen vor allem dadurch, dass die meteorologisch bedingten Strom-Überschüsse in synthetisches Methan ("synMeth") umgewandelt werden. SynMeth kann zum Betanken von Autos, zum Heizen und zum Decken von Defiziten bei unverzichtbaren Stromverbräuchen wie Bahnstrom und Haushaltsstrom (Stichwort: Rückverstromung) verwendet werden.
Die Versorgung mit regenerativer Energie muss also nicht nur die geforderte Menge an Energie liefern, sondern sie muss auch so konzipiert sein, dass auf unvermeidbare Abweichungen der Produktion vom Verbrauch zeitgleich reagiert werden kann. Das führt zum Thema Speicher, das im nächsten Kapitel behandelt wird.
Strom (528 TWh): Der Verbrauch an elektrischem Strom weist relativ starke, tageszeitabhängige Schwankungen auf. Wie in Bild 1 im gespreizten Ausschnitt zu erkennen ist, treten werktags typische Strom-Spitzen auf, die an Wochenenden zurückgehen.
Verkehr (634 TWh): Der Energieverbrauch für den Bereich Verkehr ist über das gesamte Jahr im wesentlichen konstant.
Export (58 TWh) : Bei der Stromproduktion vor allem aus PV und Wind entstehen kurzzeitige Überschüsse, die nicht von Verbrauchern abgenommen werden können und deshalb in Nachbarländer exportiert werden.
Produktion:
Bild 2 zeigt die Energieproduktion in Deutschland im Jahr 2015, aufgeteilt in die Produktion aus fossilen und regenerativen Energieträgern, sowie dem Import von Strom
fossil (2.068 TWh) bestehend aus Kohle, Öl, Gas und Uran. Alle vier Energieträger werden globalen Großspeichern entnommen, eventuell zwischengelagert und können dadurch genau an den Verbrauch angepasst werden.
regenerativ (374 TWh) bestehend aus Biomasse, Biogas, PV, Windkraft, Wasserkraft und Geothermie. Biomasse und Biogas sind durch Zwischenlagerung speicherbar, Geothermie wird einem globalen Großspeicher entnommen. PV, Windkraft und Wasserkraft snd ncht speicherbar, Überschüsse müssen exportiert und Defizite durch Import gedeckt werden.
Import (27 TWh) verursacht vor allem duch nicht planbare Defizite bei PV und Windkraft
Dazu im Einzelnen:
Verbrauch:
Wärme: Zwar wird ein kleiner Teil der bereits bestehenden Gebäude bis zum Jahr 2050 energetisch saniert sein und dadurch weniger Heizenergie verbrauchen. Dem steht jedoch der "rebound-effect" entgegen, der bewirkt, dass die Gesamtheit des zu beheizenden Gebäudevolumens durch Neubauten kontinuierlich zunimmt. sodass für das Jahr 2050 von einem annähernd gleichen Energiebedarf in Höhe von 1.251 TWh für die Produktion von Wärme ausgegangen wird. Im Unterschied zum Jahr 2015 kann ein Teil dieses Bedarfs jedoch aus Abfallwärme gedeckt werden, die bei der Umwandlung von elektrischem Strom aus Windkraft und PV in Methan entsteht. Diese "nutzbaren Verluste" sind im rechten Teil von Tabelle 1 (Szenario E) mit 256 TWh ausgewiesen. .
Verkehr: Es wird angenomen, dass 1/3 der Fahrleistung der heutigen 45 Mio PKW im Jahr 2050 elektrisch erbracht wird. Wegen des deutlich besseren Wirkungsgrades von Elektromotoren ergibt sich ein Rückgang des Energiebedarfes für den Bereich Verkehr von 634 TWh im Jahr 2015 in Bild 1 auf insgesamt 494 TWh im Jahr 2050 in Bild 5. Aus der Annahme, dass Methan überwiegend tagsüber getankt wird, während die Akkumulatoren rein elektrisch betriebener Fahrzeuge überwiegend nachts geladen werden, ergibt sich eine Vergleichmäßigung des Stromverbrauchs, wie im vergrößerten Ausschnitt in Bild 5 zu erkennen ist. Dort läßt sich auch abschätzen, dass, die Entnahme von rund 430 TWh Methan aus dem Speicher zur Betankung von Fahrzeugen der größte Anteil des Verbrauchs für Verkehr ist.
Strom: Der Verbrauch an Strom für Haushalte und Bahn wird leicht ansteigen von 527 TWh im Jahr 2015 von auf 564 TWh im Jahr 2050. Dafür entfällt der Export von Strom. Die tageszeitabhängigen Schwankungen verlaufen nach dem gleichen zeitlichen Muster wie im Jahr 2015.
Im Folgenden wird anhand verschiedener Grafiken dargestellt, wie sich Energieverbrauch und Energieproduktion im Jahr 2015 zusammensetzen, welche Veränderungen bei einer Umstellung auf 100% regenerative Energiequellen bis zum Jahr 2050 notwendig sind, und welche technischen Lösungen (insbesondere Speichermöglichkeiten) erforderlich sind, um eine lückenlose Versorgung mit regenrativer Energie zu gewährleisten.
Jahr 2015
In den Bildern 1 und 2 sind der Energieverbrauch und die Energieproduktion der Bundesrepublik Deutschland im Jahr 2015 dargestellt.
Verbrauch
Bild 1 zeigt den Energieverbrauch, aufgeteilt in die vier Bereiche Wärme, Strom Verkehr und Export. Die Flächen unter den Kurven stellen den jeweiligen Energieverbrauch in Terrawattstunden (TWh = Megawatt * Stunden * 1.000) jedes dieser drei Bereiche dar.
Wärme (1.251 TWh): Diese Kurve weist einen deutlichen Abfall in der Jahresmitte auf, da in den Sommermonaten wesentlich weniger geheizt wird als in den Wintermonaten. Basis dieser Kurve sind stündliche Verbrauchsdaten, abgeleitet aus einer mathematischen Funktion, die mit Daten des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft (rote Dreiecke "Messung Wärme") so kalibriert wurde, dass die Abweichung von mathematischer Funktion und Messung möglichst klein ist.
