Bananen in Alaska und deutsche Physik auf Feuerland

Länder haben manchmal ausgefallene Formen, etwa die eines Stiefels, der auf einen dreieckigen Fußball tritt, oder eines Koteletts namens „Down Under“. Welches Land aber sieht aus wie ein ausgestreckter Bandwurm? Es ist Chile, der Landstreifen zwischen Anden und Pazifik. Die nördlichen 1.000 Kilometer sind Wüste und Kupferminen, dann kommen 1.500 Kilometer mit Hauptstadt, Landwirtschaft und Industrie, und dann kommt 2.000 Kilometer lang nur noch Landschaft – bis ans Ende der Welt, bis zum Kap Horn.

Wegen seiner stürmischen Winde ist das Kap Herausforderung und Albtraum aller Seefahrer. Aber des einen Eule ist des anderen Nachtigall. Wo viel Wind, da viel Windenergie. Dort unten nun, in Feuerland, das vom restlichen Chile auf dem Landweg nicht zu erreichen ist, soll eine Anlage entstehen, die aus Wind Treibstoff macht. Ich schlage vor, wir schauen uns das mal an.

Vom Wind zum vollen Tank

Wie also soll die Energie des flüchtigen Windes in Treibstoff verwandelt werden? Das Konzept heißt „Power to Liquid (PtL)“.

Der Weg vom Wind zum vollen Tank ist aber nicht ganz einfach, und die Tatsache, dass wir eine coole englische Bezeichnung haben, löst noch nicht alle Probleme. Aber vielleicht lohnt sich die Sache ja dennoch. Hier die einzelnen Schritte auf dem Weg zum vollen Tank.

Eine Windturbine liefert Elektrizität. Die wird für Elektrolyse, also die elektrische Zerlegung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff (H2) eingesetzt. Letzterer wird dann mit CO2 chemisch verbunden und wir bekommen Methanol, eine Flüssigkeit, die auch „Holzgeist“ genannt wird. Methanol ist, aus Sicht des Chemikers, ein Alkohol. Anders als sein großer Bruder aber, das Ethanol, sollten wir ihn nicht als Genussmittel verwenden. Man kann ihn aber chemisch behandeln und bekommt dann einen Treibstoff, genannt eFuel, der dem Diesel nicht unähnlich ist.

Besser flüssig als Gas

Warum verwendet man nicht gleich den total grünen Wasserstoff, um die Energie aus der Windkraft zu speichern und dann damit Fahrzeuge anzutreiben? Warum verwandelt man ihn weiter in Holzgeist und dann eFuel?

H2 ist schwierig zu speichern, sei es als Gas unter hohem Druck oder tiefgekühlt als Flüssigkeit. Es wird immer etwas davon entweichen. Das H2-Molekül ist furchtbar klein und zwängt sich durch die Wände jeglicher Behälter ins Freie. Und das ist nicht nur ein Verlust, es ist auch eine Gefahr, denn mit Luft gemischt, bildet sich hoch-explosives Knallgas. Stellen Sie sich eine Tiefgarage vor, in der hunderte von H2-getriebenen Autos seit Wochen parken. Würden Sie sich da eine Zigarette anzünden? Deswegen ist es mehr als fraglich, ob sich H2 jemals als Energieträger durchsetzen wird (siehe auch hier).

Das Zwischenprodukt Methanol ist aber schon bei normalen Temperaturen flüssig. Auch wenn man das Zeug nicht trinken kann, so eignet es sich also wesentlich besser zum Speichern von Energie als das Gas H2. Seine Herstellung ist noch dazu „exotherm“, also wenn sich H2 und CO2 zu CH3OH (das ist die Formel für Methanol) verbinden, dann brauchen wir keine Energie zuzuführen, nur mit Druck müssen wir etwas nachhelfen.

Sauberer geht’s nicht

Erstaunlicherweise ist die Beschaffung von CO2, das bei der Synthese von Methanol gebraucht wird, nicht trivial. Man könnte meinen, dass das böse Gas, von dem doch viel zu viel da ist, ganz einfach aus der Atmosphäre zu gewinnen sei, aber dem ist nicht so. Es stellt ja weniger als ein Tausendstel der Luft dar, und da ist einiges an Aufwand erforderlich, um es heraus zu filtern und zu konzentrieren. Und das kostet auf jeden Fall Energie.

Dennoch hat das ganze Vorhaben den Charakter eines Perpetuum mobile. Aus nichts als Wind, Wasser und Luft entsteht letztlich, wie von Geisterhand, echter flüssiger Treibstoff, den wir zum Betrieb unserer Fabrik benutzen oder an Autofahrer verkaufen können. Porsche hat sein Interesse schon angemeldet. Vielleicht wird der neue Cayenne mit der 453 PS, 4.0-Liter V8 Maschine damit auch eine Option für Greta & Co. Wenn die dann unterwegs sind, dann blasen sie zwar auch CO2 in die Gegend, aber das ist ja genau das CO2, das man vorher aus der Luft herausgefiltert hatte. Also ist das Ganze ein ökologisch total sauberes Geschäft.

Bei all der grünen Begeisterung sollte man aber das Rechnen nicht ganz vergessen. Da haben wir ja eine lange Kette von Schritten, und bei jedem kommt hinten weniger raus, als vorne hineingesteckt wurde. Und die Energie für den allgemeinen Betrieb unserer Zauberfabrik müssen wir auch in Rechnung stellen.

Man muss also fragen, was die Effizienz dieses Verfahrens ist. Wie viele Kilowattstunden Energie müssen vom Wind geliefert werden, damit wir schließlich eine Kilowattstunde im Tank unseres Autos zur Verfügung haben?

Lassen Sie uns eine wilde Abschätzung machen, einen „wild guess“. Nehmen wir eine kapitale Windturbine, die im stürmischen Feuerland durchschnittlich 1 Megawatt = 1.000 Kilowatt elektrische Leistung liefert. Das wären dann 24.000 kWh pro Tag.

Der Umwandlung von elektrischer in chemische Energie, die im eFuel gespeichert wird, geben wir eine Effizienz von 30 Prozent. Das eFuel wird im Motor verbrannt und erzeugt mechanische Energie. Das passiert erfahrungsgemäß mit einem Wirkungsgrad von circa 33 Prozent. Der Gesamtwirkungsgrad wäre dann 33 Prozent von 30 Prozent, das sind rund 10 Prozent. 10 Prozent der Energie aus der Windturbine landen also im Motor des Autos als mechanische Energie.

Pro Tag liefert uns die Anlage also eFuel für 2.400 kWh mechanischer Energie. Der übliche Treibstoff hat circa 2,4 kWh mechanische Energie pro Liter. Mit anderen Worten, wir können von unserer Anlage mit der gigantischen Windmühle pro Tag 1.000 Liter Treibstoff erwarten. Damit könnte man schon die Autofahrer eines Dorfes in Feuerland glücklich machen. Und um Deutschlands Autofahrer voll mit eFuel zu versorgen, da bräuchte man ein paar hunderttausend solcher Anlagen.

Unsere Rechnung mag dann zwar um den Faktor zwei daneben liegen, nicht aber um den Faktor zehn oder hundert.

Und noch etwas. „Erneuerbare Energie“ drückt ja klar aus, dass die Windgeneratoren erneuert werden müssen, im stürmischen Feuerland vielleicht alle fünf oder zehn Jahre.

Grüne Effizienz

Wollen wir hoffen, dass sowohl der Wirtschaftsminister, der 8 Millionen Euro Steuergelder für das Vorhaben am Ende der Welt spendiert hat, als auch die beteiligten Firmen Siemens und Porsche diese Überlegungen etwas genauer angestellt haben.

Hier ein Blick in die Präsentation des Projektes, welches ein Element von Deutschlands nationaler Wasserstoff-Strategie darstellt. Den Blick können Sie sich auch sparen, wenn Ihnen die üblichen Textbausteine mit den obligatorischen Vokabeln wie nachhaltig, highly innovative, klima-neutral, high-potential, etc. schon geläufig sind.

Immerhin wird uns aber doch eine Zahl verraten, nämlich dass die Anlage im Laufe des Jahres 2022 rund 130.000 Liter eFuel erzeugen wird (das wären übrigens rund 350 Liter pro Tag, falls die Anlage kontinuierlich liefe).

Ist das effizient? Ist das viel? Nun, falls Herr Altmaier zur Feier dieses Meilensteins die 14.000 Kilometer von Berlin nach Feuerland fliegt, dann verbraucht der Luftwaffen-Airbus A340 der Flugbereitschaft seinen vollen Tankinhalt von etwa 100 Tonnen = 125.000 Liter Kerosin. Das ist fast so viel wie die erwähnte Jahresproduktion an eFuel – nur für den Hinflug. 

Oder, anders ausgedrückt, der jährliche Beitrag zur CO2-Vermeidung durch das eFuel der Anlage würde durch besagten Besuch schon auf dem Hinflug zunichte gemacht.

Egal wie sinnvoll: Je mehr zu Beginn schon investiert wurde, desto mehr muss später draufgelegt werden. Auf die Millionen werden Milliarden folgen. Vielleicht ist das Ganze ja ein Perpetuum mobile anderer Art: Aus Wind mach Geld.

Dieser Artikel erschien zuerst auf Hans Hofmann-Reineckes Blog Think-Again. Sein Bestseller „Grün und Dumm“ ist bei Amazon erhältlich.

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Leserpost

netiquette:

Hans-Peter Dollhopf / 24.03.2021

Ich seh schwarz für die Windenergieversorgung zum ökologischen Sojaanbau auf unserer New Green ESA-Biomondbasis.

Wolfgang Richter-Kirsch / 24.03.2021

Auch wenn die Effektivität gering ist,  hat diese Technik ihren Reiz. Immerhin kommt ein speicherbarer Energieträger heraus und man kann die Windkraftanlagen in separaten Netzen nutzen ohne dass sie das normale Stromnetz chaotisieren. Die Basisversorgung kann durch moderne Kernkraftwerke erfolgen (z.B. dual-fluid.com). Das wird in anderen Ländern wohl auch geschehen, im zu erwartenden Ökofaschismus in Deutschland wird man sich aber wahrscheinlich mit Teelichtern zufrieden geben müssen (Teelichter = Feinstaub, geht also auch nicht - gute Nacht).

Petra Wilhelmi / 24.03.2021

Mal ne ganz dumme Frage gestellt. Wie kommt dann das Endprodukt nach Deutschland? Wie wird es dann in Deutschland gelagert? Ist das effizient oder wie man heute sagt: nachhaltig? Ich bin ein völliger Laie auf diesem Gebiet, aber das war die 1. Frage, die ich mir stellte.

Thomas Brox / 24.03.2021

Im hiesigen Forum wurde schon mehrmals ein alternativer Prozess zur Erzeugung von Treibstoff vorgeschlagen. Mit einem Kernkraftwerk erzeugt man Prozesswärme, z.B. mit einem Hochtemperaturreaktor (dessen Entwicklung in Deutschland eingestellt wurde). Mit der Prozesswärme plus organischem Material (Kohle oder Biomasse) wird flüssiger organischer Kraftstoff (Kerosin, Diesel, Benzin, ... ) synthetisiert. Eine schon lange bekanntes Verfahren ist die Fischer-Tropsch-Synthese. Falls man den Kernreaktor als Brutreaktor auslegen kann, dann reicht das Spaltmaterial viele hundert Jahre. Ein Entwicklungsziel für die Reaktoren der 4. Generation ist die Kohleverflüssigung oder die Verflüssigung von Biomasse, siehe [Wikipedia: Generation IV International Forum]. Ein Kernreaktor hat eine brachiale thermische Energie, da ist dann der Wirkungsgrad wirklich nicht mehr so wichtig. Der physikalische Vorteil ist, dass man keinen Strom braucht, sondern Prozesswärme, und dafür sind Kernreaktoren sehr gut geeignet. ++ Bei der Benutzung von Windrädern ist ein schwacher Wirkungsgrad der Treibstofferzeugung sehr wohl schmerzhaft. Der deutsche Strompreis ist bereits heute der höchste der Welt, und er steigt rapide weiter. Das ist hauptsächlich eine Folge der Windkraftanlagen (auch von Photovoltaik). Und an diesen teuren Strom will man dann eine Treibstofferzeugung mit einem miesen Wirkungsgrad hängen.

Peter Meyer / 24.03.2021

W. Kolbe: Nein, es soll lieber “eiserne Jungfrauen” regnen, denn sie wissen GENAU, was sie tun.

Dr. Michael Elicker / 24.03.2021

Da es guter Brauch ist, dass die Netz-Auftritte gegenseitig voneinander abschreiben, nehme ich mir die Freiheit, das Gleiche zu tun und kopiere meinen Kommentar auf den identischen Artikel bei EIKE vom 21.03. (oder eben Think-Again, je nachdem): “Ich weiß beim besten Willen nicht, warum der PtL-Ansatz immer wieder schlecht geredet wird. Man muss ihn doch nur konsequent zu Ende denken und das bedeutet, dass am Anfang der Energiekette eine Windmühle oder ein Solarthermie-Kraftwerk stehen kann, aber nicht muss. Die einzige Anforderung an den elektrischen Strom ist doch, dass er CO2-arm erzeugt sein muss; und das funktioniert beispielsweise mit innovativer Kerntechnik nicht nur nachhaltig, sondern auch grundlastfähig und damit unschlagbar kostengünstig. So günstig, dass die im Artikel abgeschätzte Effizienz der Energiewandlung und -speicherung vollkommen unerheblich ist. Wer aber zusätzlich auch noch Wind- und Solarkraftwerke einsetzen möchte, soll dies doch gerne tun.” Und damit ich hier doch noch etwas Neues anbringe: Obwohl, wie erläutert, der Wirkungsgrad der Energiewandlung und -speicherung am Ende ohne jede Bedeutung ist, Strom wird Teil der Grundgüterversorgung mit Kosten unter 1 EURO-Cent/kWh, liegt dieser PtL-Wirkungsgrad seriösen Prognosen zufolge in der Größenordnung von 50 Prozent. Wer also wirklich an eine andere Energieversorgung glaubt und sei es nur, weil Öl und Kohle viellecht doch irgendwann zur Neige gehen werden, kommt an PtL nicht vorbei. Die Idealisten werden den dazu notwendigen Strom über Wind und Sonne bereitstellen, der Rest wird Kerntechnik nutzen.

Dieter Weiß / 24.03.2021

In Bezug auf den Wasserstoff kann ich dem Autor nicht Recht geben. Die Wasserstofftechnologie ist die Technologie des 19. Jahrhunderts. Damals hieß es noch Stadtgas. Das war eine Mischung aus 50 % Wasserstoff, 25 % Methan und 25 % Kohlendioxid/Kohlenmonoxid. Das hat über 100 Jahre sehr gut funktioniert. In der DDR noch bis zur Wende. Jede Stadt mit halbwegs ein paar tausend Einwohnern hatte ein Gaswerk. Heute erinnern häufig nur noch die Straßennamen dran. Man könnte das durchaus wieder aufleben lassen und Wasserstoff in das Erdgasnetz einspeisen und natürlich auch verlustarm lagern. Die Technologie müsste man sich nur aus den alten Unterlagen heraussuchen. Feuerland ist natürlich genau so eine Idee wie seinerzeit das Wüstenprojekt Desertec. Das Grundproblem ist aber meiner Meinung nach, dass das Pferd von Hinten aufgezäumt wird. Es wird immer vom Auto her gedacht, dabei ist das Auto doch nicht der Hauptverbraucher an Energie und auch nicht die Hauptquelle an Kohlendioxid. Es ist, wie die Atomkraft, nur zum Hauptfeind und zum negativen Symbol für unsere Umweltaktivisten geworden. Gäbe es das Auto nicht, würden sie etwas anderes finden nur um etwas verbieten zu können.

Thomas Brox / 24.03.2021

“Der Umwandlung von elektrischer in chemische Energie, die im eFuel gespeichert wird, geben wir eine Effizienz von 30 Prozent.” Das ist m.E. zu optimistisch. Die Umwandlung ist ein langer und komplizierter Prozess. Der Wirkungsgrad dürfte ähnlich sein wie bei Wasserstoff (gerechnet von der Windenergie bis zum Tanken des Wasserstoff), also ungefähr 20% bis 25%, eher 20%. Ich vermute mal, dass sich in der Praxis (großtechnische Anlage und großflächige Verteilung) herausstellen wird, dass die Wirkungsgrade noch schlechter sind, wenn man alle Prozessschritte korrekt berücksichtigt. ++ Man sollte sich auch darüber im Klaren sein, dass die eingespeiste elektrische Energie nicht identisch mit der Nennleistung des Windrades ist, sondern im zeitlichen Mittel gleich ist Nutzungsgrad * Nennleistung. Der Nutzungsgrad liegt je nach Standort (Onshore, Offshore) ungefähr zwischen 10% und 35%, ein realistischer Mittelwert für ganz Deutschland dürfte vielleicht 25% sein. Und wie im Artikel schon angedeutet: Die Windkraftanlagen müssen gewartet und Instand gehalten werden. Die Energiedichte verglichen mit konventionellen Kraftwerken ist lächerlich gering, die Anlagen liegen weit verstreut. Was passiert, wenn in 160 m Höhe in der Gondel etwas kaputt geht, zum Beispiel in einem Offshore Windrad?

Hartwig Sendner / 24.03.2021

Also für mich zeigt dieser Weg endlich dass die Techniker anfangen zu denken. Das Hauptproblem bei Energie ist die Speicherung. Alle bisherigen Technologien (Kohle, Gas, Öl, Atom) haben diese Problem nicht. Weltweit hat man alle Logistiksysteme auf diese Stoffe eingestellt (Vom 400.000 Tonnen Öltanker bis zur Verteilung an der Tankstelle. Das ist alles bereits da und muss nicht neu erfunden werden wie z.B. bei E-Mobilität. Die Umwandlung von Co2 mit Wasserstoff ist ein alter Hut (Syn-Gas Reaktion). Methanol wird weltweit im Millionen-tonnen Bereich produziert. In den 1980 Jahren fuhren auch schon PKW’s mit diesem Treibstoff. CO2 kann man effektiv an den Abgassystemen von Kraftwerken abgreifen.  Insgesamt ein Schritt in die richtige Richtung. Warum hat es früher mit dem Durchbruch dieser Technologie nicht geklappt? Was würden sie tun, wenn jemand eine Alerternative zu ihrem Öl produzieren wollte? natürlich den Preis solange unten halten bis dem Konkurrenten finanziell die Luft ausgeht. Insgesamt ist dazu noch zu sagen, das die Diskussion um Wirkungsgrade relativ nutzlos ist. Dem Kunden an der Tankstelle interessiert nur wieviel 1 Liter des Stoffs kostet und wie weit er damit kommt. Ich habe mein ganzes berufliches Leben mit Chemie-Anlagen, deren Effizienz und Wirtschaftlichkeit verbracht. Bei rechnerischer Betrachtung kann man erkennen, das diese Art der Energiegewinnung anfängt wirtschaftlich zu werden, wenn der Rohölpreis sich bei ca 100 $/barrell befindet. Zur Wahrheit gehört auch dazu, dass man auch hier eine “Subvention” braucht. Aber in der Form, das man dafür einen kleineren Mineralöl-Steuersatz wählen sollte. Die Leute würden dann diesen Treibstoff genauso tanken wie heute Diesel oder Benzin. Es gibt aber noch andere Vorteile: Diesen Treibstoff kann man aus allen Energiearten, die es gibt erzeugen. Was man braucht ist elektrischer Strom und Wasser.  Weitere Erklärungen lässt dieses Leserbrieformat nicht zu; zu wenig Platz

Jan des Bisshop / 24.03.2021

Ich könnte mir auch einen anderen Weg vorstellen. Ist natürlich nur ein Gedankenexperiment Aus Methan wird grauer Wasserstoff erzeugt, der in einer Brennstoffzelle Strom erzeugt. Das Abfallprodukt CO2 wird gespeichert und als Input für die Methanerzeugung genommen. Ich bin kein Chemiker, deshalb würde ich mich gerne über ein Pro und Contra dieser Idee freuen.

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