2018/01/31

Wie Kaliforniens Stromsektor 100% regenerativ werden kann

Diesmal verweise ich wieder auf den britischen Blog Energy Matters und einem Posting, das sich mit der Frage auseinandersetzt, wie es zu bewerkstelligen wäre, wollte man die Elektrizitätsversorgung Kaliforniens (mit rund 37 Mio. Einwohnern) 100% regenerativ gestalten kann.

Der Knackpunkt ist - wie stets, wenn um regenerative Energien geht - die Verfügbarkeit einer ausreichenden Speicherkapazität, um die unausweichlichen Fluktuationen sinnvoll ausgleichen zu können. Und dafür müsste ein richtig großes Rad gedreht werden. Mehr dazu hier.

2018/01/27

Vor hundert Jahren und heute

Vor hundert Jahren war Kohle der Energieträger, der Europas Industrialisierung und den darauf aufbauenden Wohlstand ermöglichte. In zwei Postings zu diesem Thema betrachtete ich im Detail die Entwicklungen in Großbritannien und Deutschland. Somit sollte klar sein, worauf unser gegenwärtiger Lebensstandard beruht: auf der Verfügbarkeit von billiger und stabiler Energie. 

Die Betrachtung der Verhältnisse vor hundert Jahren hat den Vorteil, dass es praktisch nur einen Energieträger gab, von dem alles abhing. Der Schlachtruf jener Epoche "Wenn dein starker Arm es will, stehen alle Räder still" bringt die Abhängigkeit, die man sich damit eingehandelt hatte, sehr klar zum Ausdruck. Wenn die Minenarbeiter streikten, bedeutete das eine latente Bedrohung für die gesamte Gesellschaft.

Der Treibstoff unserer Tage, Erdöl, spielte damals eine vernachlässigbare Rolle. Inzwischen haben sich die Gewichte, zumindest was Europa betrifft, deutlich verschoben. Kohle ist im Energiemix des Vereinigten Königreichs nur noch eine Randnotiz. Für die Energieversorgung Deutschlands ist sie hingegen wesentlich wichtiger, allem Palaver um die Energiewende zum Trotz: denn irgendwie müssen ja Schwankungen der regenerativen Energien ausgeglichen werden, um eine einigermaßen stabile Versorgung sicherzustellen.

Kann man nun den Energieverbrauch vergangener Zeiten mit dem gegenwärtigen vergleichen? Ja, das kann man. In der Zeit vor dem ersten Weltkrieg war Kohle der alles dominierende Energieträger, auch für die Stromerzeugung, zumindest in den beiden genannten Ländern.

Aus den Fördermengen für 1910 ergibt sich im Fall Großbritanniens ein jährlicher Pro-Kopf-Energieverbrauch von etwa 45,7 MWh. Hundert Jahre später, also 2010, lag der entsprechende Vergleichswert bei 39,5 MWh. Die neueren Daten stammen alle von Eurostat. Noch eine Anmerkung dazu: es handelt sich hierbei um einen Vergleich des Primärenergieverbrauchs.

Das gleiche Spiel können wir auch für Deutschland durchführen. Dort lag der Pro-Kopf-Verbrauch 1910 bei 18,8 MWh. Ein Jahrhundert später waren es dann 47,3 MWh.

Diese Zahlen bedürfen noch einer genaueren Interpretation. Der signifikant höhere Energieverbrauch des Jahres 1910 auf den britischen Inseln verglichen mit Deutschland lässt sich durch einen höheren Grad der Industrialisierung und durch eine größere Handelsflotte erklären. Hundert Jahre später hat sich das Blatt dann gewendet. Die Briten haben einen Großteil ihrer (Schwer)Industrie verloren, während Deutschland immer noch ein bedeutender Industriestandort ist.








2018/01/20

Eine kurze Geschichte der Kohle (2)

Diesmal am Beispiel Deutschlands.

Die Ähnlichkeiten zur Entwicklung Großbritanniens im selben Zeitraum sind frappierend.

Zunächst die Steigerung der Kohleförderung bis 1913 (in Millionen Tonnen, Quelle: hier):

1850 4
1860 13,5
1870 26,4
1880 46,9
1890 70,2
1900 109,1
1910 152,8
1913 190,1

Dann die Zunahme der Bevölkerung (in Millionen):

1850 29,8
1860 34
1870 41
1880 45,2
1890 49,4
1900 56,3
1910 64,9

Die Länge des Eisenbahnnetzes entwickelte sich wie folgt (in km, Quelle: Wikipedia):

1835 6
1840 548
1845 2300
1855 8289
1860 11660
1865 14690
1875 27930
1885 37650
1895 45560
1900 51000
1905 56980
1912 58297

Laut den Zahlen des deutschen Stahl-Zentrums stieg die Produktion von Rohstahl folgendermaßen an (in Kilotonnen, kt): 

1870 1042
1880 1892
1890 3100
1900 5703
1910 9781

Ich möchte an dieser Stelle nochmals darauf hinweisen, wie eng die Stahlproduktion mit der Kohlegewinnung zusammenhängt. Ohne eine Ausweitung der Kohleproduktion wäre eine Steigerung der Stahlmenge nicht möglich gewesen. Gleichzeitig bedurfte es einer Steigerung der Mobilität (Stichwort: Eisenbahn), um allein diese beiden Güter zu transportieren. Und natürlich wollten auch Menschen und andere Waren auf der Schiene transportiert werden.

Um die historischen Zahlen mit den gegenwärtigen zu vergleichen, bemühen wir das Statistikportal Statista, wo es heißt, dass 2016 Kohle mit dem Energiegehalt von 75,3 Millionen Tonnen Öläquivalent verbrannt wurde. Das entspricht etwa 875 TWh. Das Energieäquivalent der Kohleförderung des Jahres 1913 betrug demgegenüber etwas mehr als 1520 TWh, die natürlich ohne lästige Filter in die Luft geblasen wurden.

Über weitere Folgen des Mobilitätsbooms aus der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts werde ich mich in einem späteren Posting auslassen.

Nachtrag: Die oben genannten Werte für 2016 (Statista) umfassen den gesamten Verbrauch von Stein- und Braunkohle, während die Zahlen aus dem Jahr 1913 sich lediglich auf Steinkohle beziehen. In unseren Tagen wird das schwarze Gold hauptsächlich zur Stahlproduktion und Stromerzeugung eingesetzt. Die Verwendung für Heizzwecke dürfte vernachlässigbar sein.

Was die Stahlproduktion betrifft, findet man hier Zahlen für 2013. Demnach wurden 2013 etwa 15 Mt Kohle in diesem Bereich eingesetzt. Das entspricht einem Energiegehalt von rund 120 TWh. Die Werte für 2016 dürften nicht allzu sehr davon abweichen.

Nun zur Stromerzeugung. Nach den Daten der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen entfielen etwa 43% der Kohleverstromung in Deutschland auf Steinkohle. Das wären etwa 320 TWh.

Somit lässt sich folgern, dass der korrekte Vergleichswert (also nur für Steinkohle) aus dem Jahr 2016 bei etwa 440 TWh liegen müsste, also ziemlich genau die Hälfte dessen, was Statista für den Gesamtverbrauch ausweist.


2018/01/01

Energievergeudung im Dienste der Energiewende

Eigentlich werden wir ständig darauf hingewiesen, wie wichtig der sparsame Umgang mit Energie ist. Dass es auch anders geht, beweist Deutschland mit seiner Energiewende.

Wie Digital Trends berichtet, wurden kürzlich deutsche Unternehmen sogar noch dafür bezahlt, Strom zu verbrauchen. Der Grund: ein Überangebot an Windstrom, das die Preise in den negativen Bereich drückte.

Over the holiday weekend, a combination of low demand, strong winds, and warm weather combined for a surge in power generation.
The country’s nuclear and coal plants were unable to scale down their output quickly enough, leading to a bounty of about $60 per megawatt-hour for high-volume consumers such as factories.

Das ist übrigens keineswegs ein singuläres Ereignis.

Nicht schlecht, wenn man für Stromverbraten bezahlt wird. So macht die Klimarettung Spaß.





2017/12/29

Hat PV eine negative Energiebilanz?

Dass Photovoltaik eine relativ schwachbrüstige Energiequelle ist, darf als bekannt vorausgesetzt werden. Der Kapazitätsfaktor liegt bei etwas mehr als 10%, d.h. nur ein gutes Zehntel der theoretisch verfügbaren Leistung wird tatsächlich produziert. Fast alle anderen Möglichkeiten der Energiegewinnung schneiden in dieser Hinsicht deutlich besser ab. Insofern ist die Faszination, die dieser Form der Stromgewinnung entgegengebracht wird, kaum zu verstehen.

Von einer Energiequelle sollte man sinnvollerweise annehmen können, dass sie eine positive Energiebilanz aufweist. Was ist damit gemeint? Gemeint ist damit das Verhältnis zwischen der Energie, die zur Herstellung einer solchen Quelle nötig ist, und jener Energie, die diese Quelle dann über ihre Lebensdauer erzeugt. Beispiel: Der Bau eines Gaskraftwerks erfordert eine gewisse Menge Energie (nennen wir sie X) über die Herstellung und den Transport der Baumaterialien und anderer technischer Komponenten sowie die Arbeitsleistung beim Aufbau der Anlage. Sobald das Kraftwerk in Betrieb geht, wird aktiv Energie erzeugt. Irgendwann kommt das Kraftwerk ans Ende seiner Tage und wird stillgelegt. Bis zu diesem Zeitpunkt hat es die Energie Y produziert, die (hoffentlich) deutlich größer ist als der Aufwand X aus der Bauphase. Nur wenn Y immer größer als X ist (also Y/X > 1), rentiert sich das Unternehmen aus physikalischer Sicht. Über die Ökonomie ist damit aber noch nichts gesagt.

Zwei Schweizer Energieexperten haben kürzlich genau dieses Verhältnis Y/X für PV-Anlagen unter die Lupe genommen und kamen zu dem Ergebnis, dass Y/X < 1 ist. Genaueres hierzu findet sich hier und, für Freunde der detaillierten Analyse, hier.

Ich persönlich maße mir kein abschließendes Urteil darüber an, ob in dieser Sache bereits das letzte Wort gesprochen ist. Vielleicht lassen ja zukünftige Entwicklungen (technische Verbesserungen) eine positivere Schlussfolgerung zu. Allein die Tatsache, dass man bei der Photovoltaik keine eindeutig positive Energiebilanz als gegeben voraussetzen kann, lässt dieses Unterfangen in einem sehr zweifelhaften Licht erscheinen. Um nochmals auf das obige Beispiel mit dem Gaskraftwerk zurückzukommen: Eine Anlage, die nicht deutlich mehr Energie liefert als zu ihrer Herstellung nötig ist, ist physikalisch gesehen sinnlos.


2017/12/16

Kann man vom Energieversorger unabhängig werden?

In zwei Blogposts befasst sich Roger Andrews mit den Möglichkeiten, gleichsam energieautark zu werden, zumindest was die Versorgung mit Elektrizität betrifft. Er analysiert dabei ein zufällig gewähltes Haus in Shrewsbury (Vereinigtes Königreich), das mit einer Photovoltaikanlage ausgestattet ist. 2016 produzierte diese Anlage 3809 kWh (bei einer Kapazität von 4 kWp).

Wenig überraschend stellt der Autor fest, dass hiermit eine völlig autarke Energieversorgung nicht möglich ist. Der Grund ist die über das Jahr schwankende Stromproduktion, die im Winter (wenn man also mehr Energie braucht) zuwenig und im Sommer (wenn man nicht soviel braucht) zuviel liefert. Auch der Einsatz einer Tesla Powerwall schafft keine endgültige Abhilfe. Um sich wirklich völlig von seinem Energieversorger zu trennen, braucht man letztlich immer einen Dieselgenerator.
Mehr dazu hier und hier.

Aus persönlicher Sicht möchte ich hierzu folgendes anmerken: Seit 2013 verfolge ich monatlich die Produktionsdaten einer PV-Anlage im sonnigen Linz. Ein Vergleich dieser Werte mit jenen aus dem angeblich verregneten Vereinigten Königreich ergibt, dass beide Anlagen durchaus vergleichbare Kapazitätsfaktoren (capacity factor) von etwas über 10% haben. 2016 schnitt die Photovoltaik auf der Insel sogar etwas besser ab.


2017/12/12

Eine kurze Geschichte der Kohle

Am Beispiels Großbritanniens.

Kohle hat als Energieträger in unseren Tagen nicht den besten Ruf. Das ist verständlich, denn bei der Kohleverbrennung entstehen eine Reihe unerwünschter Dinge, die man eigentlich gar nicht haben möchte. Mittels moderner Filtertechnologie lassen sich etliche dieser Schadstoffe absondern und in einigen Fällen sogar einer nützlichen Verwendung (etwa als Baumaterial) zuführen. Trotz dieser technologischen Fortschritte gilt die Kohle immer noch als problematisch für Mensch und Umwelt.

Infolge dieser Problematik laufen verschiedene Lobbygruppen gegen eine weitere Nutzung der Kohle Sturm und drängen auf einen Ersatz durch andere, in erster Linie regenerative Energieträger.  Inwiefern das gelingen, bleibt abzuwarten und soll hier nicht das Thema sein.

Worum es in diesem Posting geht, ist ein Faktum, das in den gegenwärtigen Diskussionen gerne ausgeblendet, wenn es denn überhaupt zur Kenntnis genommen wird: nämlich der Beitrag der Kohle zu Entstehung moderner Industriegesellschaften.

In Großbritannien entstand erstmals eine Gesellschaft, die ein neues Niveau der Mobilität und der wirtschaftlichen Produktivität erreichte, wie es nie zuvor auf diesem Planeten der Fall gewesen war. Dies lässt sich mit Zahlen untermauern, die im wesentlichen die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts und das erste Jahrzehnt des 20. umfassen.

Beginnen wir mit des Ausbau des britischen Schienennetzes. 1825 fuhr dort erstmals eine Eisenbahn.

1825                       41 km
1840                   2411 km
1850                 10655 km
1860                 16790 km
1885                 30358 km
1912                 37740 km

In entsprechendem Maße erhöhte sich die Mobilität von Menschen und Gütern, die in den Jahrhunderten zuvor fast ausschließlich von Pferden geleistet wurde. Reisen wurde bequemer und schneller. Wollte man von London aus seine Tante in Edinburgh besuchen, so war das nun keine once-in-a-lifetime-Geschichte mehr. Die Züge wurden in diesem Zeitraum ausschließlich von Dampflokomotiven angetrieben, deren Dampfkessel mit Kohle befeuert wurden. 

Um ein derart ausgedehntes Schienennetz in die Welt zu setzen, brauchte man Stahl. Und zwar mehr, viel mehr als je zuvor. Hier sind die Produktionszahlen in Kilotonnen (kt), derer ich habhaft werden konnte: 

1870                3667 kt
1880                3916 kt
1890                6177 kt
1900                6154 kt
1910                7946 kt

Natürlich ging ein Teil dieser Produktion auch in den Bau moderner Dampfschiffe, die selbstredend mit Energie aus der Kohle angetrieben wurden. 

So eindrucksvoll diese Zahlen sind, sowenig sind sie überhaupt denkbar ohne die Nutzung eines Mediums, dessen Energiedichte die bis dahin bekannten Brennstoffe deutlich in den Schatten stellte. Man stelle sich vor, die Dampfkessel in den Lokomotiven und Schiffen wären mit Brennholz anstatt mit Kohle betrieben worden. Brennholz hat einen Heizwert von etwa 4 kWh/kg, Steinkohle kommt auf mehr als das Doppelte (8-9 kWh/kg). Mit anderen Worten: Mit der Kohle kam man doppelt so weit wie mit Holz. 

Nun zu den Förderzahlen auf der Insel (in Millionen Tonnen, Mt). 

1860           72 Mt
1870         106 Mt
1880         140 Mt
1890         173 Mt
1900         207 Mt
1910         258 Mt

Es ist mit Sicherheit davon auszugehen, dass in den Jahrzehnten vor 1860 die Fördermengen deutlich geringer waren. Das legt zumindest ein Vergleich mit dem Kohleabbau in Deutschland nahe. Um das Jahr 1910 wurde das Maximum der Kohleförderung erreicht, peak coal wenn man so will. Die geförderte Kohle wurde fast ausschließlich für die Stahlproduktion, für die Mobilität auf der Schiene und den Weltmeeren sowie für Heizzwecke verwendet. 

Inzwischen hatte sich nämlich auch die Bevölkerung Großbritanniens vermehrt, und zwar wie folgt:

1860          28,8 Mio
1870          31,4 Mio
1880          34,7 Mio
1890          37,6 Mio
1900          41,2 Mio
1910          45,1 Mio  

Das Auto spielte in diesem Zeitraum so gut wie keine Rolle. Abgesehen von den sicherlich noch zahlreichen Pferdefuhrwerken war für den Überlandverkehr ausschließlich die Eisenbahn von Bedeutung. Und dafür gab es nur einen einzigen Treibstoff. 

Inzwischen gibt es Dampflokomotiven nur noch im Museumsbetrieb. Mit Kohle heizen auf den britischen Inseln nicht mehr viele Leute. Hauptsächlicher Verbraucher ist die Energiewirtschaft. 2016 wurden etwa 12 Mio. t Kohle verfeuert, davon der allermeiste Teil unter Einsatz von Filtern Verglichen damit wurden die 258 Mio. t des Jahres 1910 ungefiltert in die Luft geblasen. Man fragt sich, wie die Briten das vor hundert Jahren überlebt haben.