Energie

Energietechnik, Energiewende, Stromerzeugung

Ein paar Worte zu BHKWs und KWK

In praktisch jeder längeren Diskussion über die Energiewende (und auch schon in Vorwendezeiten) taucht früher oder später der Hinweis auf die scheinbar „magische“ Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit ihren phantastischen Wirkungsgraden auf. Vom Micro-BHKW in jedem Keller über BHKWs für Wohnsiedlungen bis zum großflächigen Einsatz in der Fernwärmeversorgung – wenn man doch nur überall KWK hätte, ja dann…wären doch alle Probleme gelöst.

Wann immer jemand behauptet, dass die „magic bullet“ existiert, sollte man hellhörig werden. Nur in den seltensten Fällen gibt es solche Patentlösungen. Und leider ist es bei der KWK (und ihrem weiter fortgeschrittenen Cousin KWKK) nicht anders.

Und das ist kein technisches Problem. Rein technisch kann man per KWK problemlos die Strom- und Wärmeversorgung von klein (EFH) bis groß (Stadt) bereitstellen.

Das Problem ist wie fast immer ein ökonomisches. KWK konkurriert gegen die klassische getrennte Erzeugung von Wärme und Strom. Seinen Wirkungsgradvorteil kann die KWK nur realisieren, wenn Wärme- und Strombedarf möglichst oft zur gleichen Zeit anfallen. Wenn man gerade viel Wärme braucht und wenig Strom, so hat man sich einen sehr teuren Heizkessel geleistet. Wenn man wenig Wärme und viel Strom braucht, so hat man sich ein Kraftwerk mit niedrigem Wirkungsgrad geleistet (oder man kann aufgrund fehlender Kühlmöglichkeit diesen Betriebsmodus überhaupt nicht fahren). Aus diesem Grund werden auch die allermeisten Anlagen stets wärmegeführt betrieben, was wiederum heißt, dass sie als flexibler Stromerzeugungs-Kompagnon zu den Zufallsstromerzeugern Windkraft und Photovoltaik nicht zur Verfügung stehen.

Dazu kommt, dass durch bessere Dämmung der Raumwärmebedarf ständig sinkt, und durch Niedertemperaturheizsysteme inzwischen sogar eine Luft-Wärmepumpe das effizientere Heizsystem darstellt, selbst wenn das BHKW im optimalen Bereich betrieben wird. Übrigens mit dem entscheidenden Vorteil, durch Betrieb mit sauberen Strom deutliche Umweltvorteile zu haben. Denn auch das ist ein Problem des typischen BHKWs: unnötige Luftverschmutzung. Klar, in Zeiten von Pellet- und Hackschnitzelheizungen scheint Luftreinhaltung sowieso keine Priorität mehr zu haben.

Großtechnisch hätte KWK durchaus seinen Charme – schon bei Neckarwestheim 2 wurde ein Fernwärmeanschluss vorgesehen, und moderne kleine modulare Kernkraftwerke wären sicher geeignet, stadtnah Fernwärme bereitzustellen. Aber auch hier gibt es den berühmten Haken: allein die Kosten für Bau und Betrieb des Fernwärmenetzes sorgen oft schon dafür, dass einem die Ökonomie einen Strich durch die Rechnung macht – selbst wenn die Wärmebereitstellung nichts kostet. Obwohl in Energiewendezeiten das Thema „Ökonomie“ scheinbar keine Rolle mehr spielt, wird allein die deutsche Kernenergiephobie solcherart sinnvolle Lösungen zuverlässig verhindern.

E-Autos – Comeback der Brennstoffzelle

Hier habe ich vor nicht allzu langer Zeit den E-Auto-Hype unter die Lupe genommen. Dabei habe ich mich auf bereits erhältliche E-Autos konzentriert, die – sicher nicht zufällig – alle ihren Strom aus dem mitgeführten Akku beziehen.

Die Älteren unter uns werden sich noch daran erinnern, dass vor allem in den 90ern des vorigen Jahrtausends die „Wasserstoffwirtschaft“ eines der Hype-Themen war. Große Visionen für die automobile Zukunft wurden entworfen – die Fahrzeuge sollten mit Wasserstoff fahren (egal ob als klassischer Verbrenner wie von BMW favorisiert oder per Brennstoffzelle wie u.a. von Daimler (hießen die damals noch DaimlerBenz oder schon DaimlerChrysler?) bevorzugt), der dafür benötigte Wasserstoff sollte am besten in Wüstengebieten per Photovoltaik erzeugt werden.

Viele Detailprobleme wurden bereits in den 90ern gelöst – BMW präsentierte mit Linde den superisolierten LH2-Tank, der es schaffte, trotz Flüssigwasserstoffinhalt die Abdampfverluste gering zu halten. Daimler machte große Fortschritte bei der Miniaturisierung der Brennstoffzelle und in Bezug auf Haltbarkeit und Verwendungsparameter wie Kaltstartfähigkeit. Am Ende schien die Erkenntnis zu stehen, dass die Brennstoffzelle schlicht zu teuer war. Anno 2009 wagte Honda noch einen Versuch und bot in USA den FCX Clarity an, allerdings nur in geringen Stückzahlen und ausschließlich als Leasingangebot. Wieviel Honda pro Stück draufgelegt hat, lässt sich schwer sagen – immerhin schaffte es der FCX Clarity nachzuweisen, dass man mit heutiger Technologie ein Fahrzeug mit Wasserstofftank und Brennstoffzelle bauen kann, das keine wesentlichen Einschränkungen im Praxisbetrieb mit sich bringt. Reichweite 400-500km, verhältnismäßig simpler Drucktank in 350bar-Technik, kleiner LiIon-Akku mit an Bord um den Brennstoffzellenstack vor zu gravierenden Leistungsgradienten zu bewahren, mit 100kW auch ausreichende Leistung.

Danach wurde es recht still um die Brennstoffzelle – abgesehen von ein paar Absichtserklärungen diverser Automobilhersteller, man wolle spätestens 2012…äh 2013…doch eher 2014…nicht vor 2015…ganz bestimmt 2016…vielleicht doch erst 2017 entsprechende Serienmodelle auf den Markt bringen.

Einigermaßen überraschend ist nun Toyota – bekannt als Hybrid-Pionier und Verweigerer reiner akkubetriebener E-Autos – mit dem Mirai vorgeprescht und verspricht allgemeine Verfügbarkeit ab 2015, wenn auch zunächst als Kleinserie (700 Stück). Die Preise sind ambitioniert, in Europa sollen es 60000€ (sagt die Wikipedia – möglicherweise netto, denn andere Quellen reden von bis zu 79000€ in Deutschland) sein. Rund 100kW Leistung, Tanks in 700bar-Technik, NiMH-Akku zum Puffern und eine Reichweite irgendwo zwischen 400 und 700km sind die Eckdaten.

Und plötzlich stellt sich die lange schlummernde Frage wieder mit neuer Aktualität: ist ein großer Akku oder doch eher die Brennstoffzelle der Energielieferant für das Elektroauto?

Leider gibt es viele Parameter bei dieser Frage, die man heute kaum seriös abschätzen kann. Wie entwickeln sich die Preise für Akku und Brennstoffzelle weiter? Wie sieht es mit der Dauerhaltbarkeit aus? Was kostet der Aufbau der jeweils notwendigen Infrastruktur?

Ein paar Dinge kann man aber prinzipiell festhalten. Der größte Vorteil des Brennstoffzellenautos ist sicherlich, dass es in der Nutzung den heute üblichen benzin-, diesel- oder gasbetriebenen Fahrzeuge sehr ähnlich ist – Reichweiten von jenseits der 500km sind kein Problem, die Tankdauer liegt bei wenigen Minuten. Das sind Parameter, die ein akkubetriebenes E-Auto wohl nicht so schnell erreichen wird. Klar, wenn man genügend Akkus in ein Fahrzeug packt (wie beim 85kWh-Modell des Tesla S) kann man sicherlich auch 500km Reichweite realisieren – aber es ist dann doch ziemlich erbärmlich, dass selbst am Tesla-Supercharger mit 120kW Ladeleistung es eine halbe Stunde dauert, bis 200-250km Reichweite zur Verfügung stehen.

Einer der oft zitierten Vorteile des akkubetriebenen Elektroautos ist, dass man es in der heimischen Garage laden kann. Man sollte diesen Vorteil nicht überschätzen, denn man wird um eine zusätzliche Elektroinstallation kaum herumkommen – mit der üblichen Schukodose mit maximal 3,5kW Anschlusswert macht das Laden eines 85kWh-Akkus sicher keinen Spaß. Honda hatte beim FCX Clarity damals die Möglichkeit des Heimbetankens über die „Home Energy Station“ vorgesehen, die über Dampfreformation von Erdgas den Wasserstoff erzeugt. Kaum vorstellbar, dass diese Idee zu akzeptablen Kosten machbar ist, auch wenn Honda sie als Komplettlösung fürs ganze Haus anpreist – sie versorgt den Haushalt nicht nur mit Wasserstoff fürs Auto, sondern auch mit Strom und Wärme.

Unterm Strich löst die Brennstoffzelle drei der großen Akku-Probleme: Gewicht, Volumen und Tankdauer. Gemeinsam mit der Akkutechnologie plagt die Brennstoffzelle das Infrastrukturproblem und das Preisproblem. Man muss wohl kein Prophet sein, um zu prognostizieren, dass höchstwahrscheinlich der Sieg im Kampf der Konzepte über den Preis errungen werden wird. Es werden noch Wetten angenommen.

Elektroautos – Hype und Realität

Im vorherigen Blogeintrag habe ich kurz angerissen, mit welchen Mitteln man den Weg „weg vom Öl“ in der Verkehrstechnik beschreiten könnte. Über das Elektroauto wird in letzter Zeit ja reichlich geschrieben und diskutiert, vor allem seit die Firma Tesla den Markt aufmischt.

Ich habe grundsätzliche Zweifel daran, dass mit heutiger oder absehbar verfügbarer Akkutechnologie dem Elektroauto eine große Zukunft bevorsteht – denn eines ist klar, der Erfolg des Elektroautos liegt nahezu ausschließlich an der Praxistauglichkeit des Energiespeichers. Die Probleme, die ich sehe, will ich im Folgenden kurz erläutern.

Der Benchmark des Elektroautos ist ein heute erhältliches diesel- oder benzinbetriebenes Fahrzeug. Wichtige Vergleichskriterien sind Preis, Fahrleistungen, Reichweite und Tankdauer. Da nur das Bessere des Guten Feind ist, müsste das Elektroauto den Benchmark schon in allen Kriterien übertreffen oder zumindest nicht deutlich schlechter dastehen – manchmal genügt es ja schon, wenn ein Produkt nur hip genug ist, dann reicht der Coolnessfaktor oft aus, um etwaige Nachteile zu überdecken. Bei gravierenden Nachteilen hingegen ist so ein Effekt eher selten.

Was wird heute an Elektroautos am Markt angeboten? Wenn man mal die Exoten weglässt: Tesla Model S, Mitsubishi i-MIEV, Nissan Leaf, Renault Zoe (den Twizy lasse ich wegen des „das-soll-ein-Auto-sein“-Faktors vorsichtshalber weg), VW E-Golf, BMW i3. Der Tesla fällt oben aus der Skala, der i-MIEV unten – die anderen, allesamt in der Kompaktklasse angesiedelt, sehen eigentlich sehr ähnlich aus: Reichweiten zwischen 120 und 200 km, 80-125 kW Leistung, Höchstgeschwindigkeit bis zu 160 km/h, die Akkukapazität liegt irgendwo zwischen 20 und 30 kWh.

Für eine realistische Reichweitenrechnung (die angegebenen Reichweiten basieren auf dem Zyklusverbrauch, bekanntlich eine überwiegend optimistisch ermittelte Kennzahl) kann man sich als Hausnummer merken: unter 15 kWh/100km geht es praktisch nicht, Sparkünstler schaffen bei optimalen Bedingungen (also keine Heizung oder Klimatisierung notwendig, batterieoptimierte Außentemperatur) 12 kWh/100km. Für die Kostenseite ist wichtig: wenn man 15 kWh aus dem Akku zapfen will, muss man mehr reinstecken, weil der Ladewirkungsgrad deutlich unter 100% liegt. Ebenfalls wichtig: welche Garantieleistungen gibt der Hersteller auf den Akku. Der Akku ist das teuerste Einzelstück im Fahrzeug, und unterliegt einem Verschleiß, über den man im Moment nur sehr wenig weiß. Umso wichtiger, hier verlässliche Zusagen zu haben.

Die ganzen Details kann der Interessierte in den Datenblättern nachlesen. Ich will hier eher eine qualitative Betrachtung machen. Nehmen wir den e-Golf als Beispiel: 35000 € für das ganz ansprechend ausgestattete Modell. Praxisreichweite 130-190km. Ladedauer an einer gewöhnlichen Steckdose: 13h. Am Schnelllader bekommt man 80% der Maximalfüllung schon in 30min hin, mit der Wallbox (3,6kW Ladeleistung) gehen 100% in 9h. Höchstgeschwindigkeit 140km/h. Ein Wald-und-Wiesen-Golf kommt als Handschaltungs-Benziner auf minimal 19000 €, als Automatik-Diesel auf rund 25000 € – um mal den Preisbereich weiträumig abzustecken. Verbrauch liegt halbwegs realistisch bei 4l/100km für den Diesel bis 6l/100km für den Benziner. Reine Energiekosten liegen also bei etwa 6 € für den Diesel, 10 € für den Benziner und 4,50 € für das Elektrofahrzeug.

Wir reden hier also von mindestens 10000 € Aufpreis für ein Auto, das plakativ gesagt eine lahme Ente ist, alle 150km für eine lange Zeit an die Steckdose muss, nur an wenigen Stellen aufgeladen werden kann und bei den Energiekosten nicht wirklich viel Geld spart – zumindest nicht so viel, dass eine Amortisationsdauer sicher innerhalb der Lebensdauer des Autos liegt, und das obwohl die Energie steuerlich begünstigt ist. Ernsthaft: wer soll sowas freiwillig kaufen, außer ein paar verwegenen Menschen mit Pionier-Ambitionen? Kein Wunder, dass die Elektroautos nur dort gut laufen, wo der Staat üppige Subventionen zahlt – Norwegen oder die Niederlande sind hier Beispiele.

Wird das Elektroauto in Zukunft konkurrenzfähiger werden? Das halte ich für zweifelhaft. Die Akkutechnologie hat sicher noch Potenzial, aber ob bei der Energiedichte in den nächsten 10 Jahren ein Faktor 2 drin ist und erhebliche Kosteneinsparungen möglich sind, darf doch bezweifelt werden. Und letztlich bleibt das Ladeinfrastrukturproblem. Denn man muss sich mal klar machen, was hier für eine Ladeleistung am Start sein muss: will man zum Diesel aufschließen – 1000 km Reichweite mit (im Idealfall deutlich unter) 10min Tankzeit, dann braucht man mindestens 900 kW Ladeleistung. Zur Einordnung: wenn man heute in Deutschland ein Einfamilienhaus baut, liegt der Anschlusswert normalerweise bei 13,5 kW. Wenn man sich eine Photovoltaik-Anlage aufs Hausdach schraubt, braucht man typischerweise eine Dachfläche von mindestens 7 qm, um 1 kW(peak)-Leistung zu bekommen.

Wer also sein Elektroauto mit der heimischen PV-Anlage laden will, sollte ein großes Haus haben, nur ein Auto fahren und die Fahrten nachts durchführen, damit tagsüber die volle PV-Leistung das Fahrzeug betanken kann. Vorzugsweise sollte das Haus auch in einer deutlich sonnigeren Gegend als Deutschland stehen.

Um auch mal Tesla, das Elektroautohersteller-Wunderkind aus den USA zu erwähnen: das Tesla Model S ist zweifellos ein Meilenstein der Fahrzeugtechnik auf dem Weg zu einem praxistauglichen Elektroauto. Aber auch die Idee des Superchargers kann nicht über das Akku-Reichweiten-Ladezeitproblem hinwegtäuschen: trotz nicht weniger als 120kW Ladeleistung schafft es der Supercharger in 30min gerade mal, eine Reichweite von rund 250km in den Akku zu pumpen. Wer es bisher gewohnt war, lange Strecken am Tag zurückzulegen, wird sich umstellen müssen, zur Fahrtzeit kommen jetzt erhebliche Zwangspausenzeiten – wenn man es überhaupt bis zum nächsten Supercharger schafft. Letztlich hat Tesla nicht das Elektroauto neu erfunden, sondern es geschafft, auf relativ kompaktem Raum für verhältnismäßig wenig Geld eine verhältnismäßig große Akkukapazität unterzubringen. Inwieweit Tesla durch Massenfertigung die Akkupreise in den Griff bekommt, zeigt sich erst, wenn Fahrzeuge im Brot-und-Butter-Segment angeboten werden und Tesla ernsthaft anstrebt, Gewinne zu machen. Solange die Autos Verlustbringer sind und die Zahlungsbereitschaft der Luxusklassekundschaft ausgenutzt werden kann, ist es schwer, fundierte Aussagen zu treffen.

Die Tatsache, dass selbst Tesla nur eine recht schmale Garantie auf den Akku gibt – 8 Jahre, aber nur auf prinzipielle Funktionsfähigkeit ohne Kapazitätsgarantie – lässt mich etwas skeptisch zurück.

Letztlich gibt es sicherlich viele Kunden, deren tägliche Fahrleistung gering genug ist, um mit einem Elektroauto Vorlieb nehmen zu können. Aber es gibt wohl sehr wenige Kunden, die für weniger Auto mehr Geld ausgeben wollen. Und am Ende bleibt die Frage, ob die Kunden mit der geringeren Fahrleistung nicht sowieso mit einem Plugin-Hybrid besser bedient sind. Denn das Bessere ist des Guten Feind.

Die Doomer sind zurück

In den letzten Tagen wurde vermehrt wieder die (mediale) Sau der demnächst untergehenden Welt durchs Dorf getrieben. Der Living Planet Report des WWF beispielsweise.

Seit Jahrzehnten, mindestens aber seit der Zeit des Berichts an den Club of Rome („Grenzen des Wachstums“) und „The Population Bomb“ von Paul R. Ehrlich, grüßt jährlich (und manchmal auch täglich) das Murmeltier. Der Tenor ist stets derselbe: Die westliche Lebensweise ist eine Sünde, denn sie verbraucht zu viele Ressourcen. Wir versündigen uns an unseren Kindern, denn bekanntlich haben wir von denen die Erde nur geliehen. Im aktuellen Fall verbraucht die Menschheit die Ressourcen von 1,5 Erden, wir Deutschen hochgerechnet sogar von 2,5 Erden. Die Rohstoffe sind endlich und gehen zur Neige. Dazu noch ein Löffelchen „Peak Oil“-Panik – das Ende vom Öl ist schließlich ein bewährter Angstmacher. Artensterben ist auch immer ein Renner gewesen. Und immer häufiger die Forderung, man möge sich doch vegetarisch, besser aber noch vegan ernähren – nur so kann man die Welt retten.

Um mal eine nicht besonders mutige Prognose zu wagen: das Gerede vom Verzicht wird gar nichts ändern – insbesondere, weil die Prediger des Verzichts selbst eher der „Wasser predigen – Wein trinken“-Fraktion angehören und deshalb wenig glaubwürdig sind. Und man muss sich vor Augen halten, dass der größere Teil der Welt nicht besonders viel hat, auf das verzichtet werden kann. Es gibt einen enormen Nachholbedarf in punkto Wohlstand. Um es plakativ auszudrücken: der Inder, der Chinese, der Indonesier, der Brasilianer – sie alle streben nach einer Verbesserung ihrer Lebensverhältnisse. Wer dort Verzicht predigt, wird entweder ausgelacht oder aus dem Land gejagt – und das zu Recht.
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