Sonnenenergie und Wirtschaftlichkeit
Wir wissen es alle: Die Sonne liefert uns mehr Energie als wir jemals brauchen werden. Der Weltenergieverbrauch betrug 2007 insgesamt 432 Exajoule, das sind 13.9 Terrawatt Dauerleistung. In der Sahara beträgt die Sonneneinstrahlung pro Jahr etwa 1800-2000 kWh pro m². 68000 km², ein Bruchteil der Fläche Deutschlands würde ausreichen wenn man die gesamte Energie nutzen könnte.
Doch das können wir nicht und bislang haben wir zwei große Alternativen:
- Wir nutzen die Sonnenenergie über Photovoltaik. Das klappt mit 20 % Wirkungsgrad ganz gut. Nur kostet bei uns eine Anlage etwa 4000 Euro pro kW Leistung. In der Sahara sinkt das wahrscheinlich auf die Hälfte, aber so bleibt das ganze eine teure Sache. Dafür liefert uns die Solaranlage direkt Strom – denn man sonst mit großem Aufwand erzeugen muss. Er kann heute über Gleichspannungsleitungen ohne größere Verluste transportiert werden und er kann recht einfach die anderen benötigten Energien herstellen: Wasserstoff durch Elektrolyse, Wärme durch Widerstandsheizung.
- Viel billiger pro Fläche ist Biomasse. Ganz gleich ob man Chinaschilf kultiviert, Mais, Pappeln oder andere schnellwachsende Hölzer: Pro Hektar sind die Investitionssummen viel geringer. im Prinzip betreibt man konventionelle Landwirtschaft. Allerdings ist der Ertrag gering. Chinaschilf liefert als eine der effektivsten Pflanzen etwa 10-15 t Trockensubstanz pro Hektar, Das sind bei 13.6 MJ/kg etwa 5.7 kWh pro m², also nur ein 130 stel der Sonnenenergie auf dieser Fläche in der BRD. In der Sahara wäre der Ertrag höher, aber dort kann man nicht bewässern.
De Fakto haben wir heute also nur die Auswahl zwischen teuren Anlagen und inneffektiver Ausnutzung der Energie (sorry Natur, aber das musste mal über Photosystem I+II gesagt werden).
Doch es gibt vielleicht eine Alternative: Algen wachsen viel schneller als höhere Pflanzen. Einige Arten bilden sogar Öl, das man mit wenig Aufwand direkt einsetzen könnte. Vor allem aber brauchen sie kein Süßwasser. Ich bin da durch einen Artikel von Stern gekommen. Er ist fokussiert auf den Biodieseleinsatz, immerhin macht Öl etwa 50 % der Trockenmasse aus. Schon unter diesem Aspekt beträgt der Ertrag 56000 l/ha. Das sind etwa 50 KWh/ha also immerhin das 10 fache des Chinaschilfs. Eine Nutzung in der Sahara bei mehr Sonne und die Nutzung der restlichen Trockensubstanz würde die Bilanz noch weiter vergrößern.
Der Hauptvorteil aber: In einem geschlossenen System: Glasröhren könnten die Algen umgepumpt werden, wachsen, gedeihen und nach einer strecke geerntet werden. Dort kann man zentral die Algen ernten und aufbereiten. Was ist denkbar? Zum einen natürlich die Abtrennung des Öls. Den Rest der Biomasse würde man vergären zu Methanol und die mineralischen Teile mit einem Teil der nicht geernteten Algen erneut in den Kreislauf zurückführen (der Dünger für das Wachstum). Dabei gewinnt man Methan. Methan wiederum kann man in einem Turmkraftwerk mit Kohlendioxid zu Methanol und Kohlenmonoxid umsetzen. Das Methanol wird man vor Ort nutzen um Biodiesel aus den Pflanzenölen zu bilden (ebenfalls in einem Turmkraftwerk). Das restliche Methan und das Kohlenmonoxid kann man nutzen um als Generatorgas zum Heizen eingesetzt werden, oder man kann aus Methan auch Wasserstoff bilden. Wegen der Problematik des Wasserstofftransportes über längere Distanzen (Wasserstoff kann wegen seiner kleinen Molekülgröße in geringem Maße durch Metall diffundieren). würde ich davon abraten.
Nimmt man einen Gesamtertrag von 100 kWh/Jahr und Quadratmeter an, so bräuchte man für den Weltenergiebedarf zwar deutlich mehr als mit Solarzellen (5 anstatt 20 % durchschnittlich ausgenutzte Energie), aber die fläche wäre angesichts der vielen Wüsten- und Trockengebiete noch zu verschmerzen – und es wäre eine finanzierbare Lösung. Es ist vor allem sinnvoller als Flächen die man für den Anbau von Nutzpflanzen für die Ernährung braucht zu nutzen um Treibstoffe herzustellen, die doch nicht ausreichen die enormen Mengen die Autos verbrauchen zu decken. Ein jeder Autofahrer möge bitte nur mal in Gedanken überschlagen wie viele Liter er pro Jahr tankt und wie viele Liter Salatöl er pro Jahr kauft. Da sollte dann der Groschen fallen.
Was gibt es noch? Ich habe mal über Matthias Frage wegen des LM-Buches nachgedacht. Das ganze ist ja was anderes wie bei den Raumfahrtbüchern. Da ist man es ja gewohnt für gute Bücher etwas tiefer ins Portemonnaie greifen zu müssen (und ich bilde mir ein, meine gehören dazu) und die billigeren enthalten eben nicht viele Infos und sind mehr an das breite Publikum gerichtet. Bei Büchern über Ernährung ist das was anderes. Da gibt es schon unzählige. Sicher nicht welche mit der Zielsetzung wie meines, aber doch viele und die Konkurrenz ist groß.
Ich habe ja schon von Gemini zum ATV das Buchformat gewechselt (von 15.5 auf 17 cm Breite) um mehr Text unterzubringen. Nun habe ich noch die Schriftgröße von 11 auf 10 Punkt im Text geändert. Das brachte eine Verkürzung um 13 Seiten oder 10 %. Wenn ich nun die Abbildungen weitgehend weglasse und etwas raffe müsste ich mit um die 210-220 Seiten hinkommen, was einen preis unter 20 Euro erlaubt.
Der Vorschlag über schnellwachsende Algen die Sonnenenergie zu nutzen ist interessant, er könnte auch durch die Verwendung als Viehfutter den unsinnigen Import von Futtermitteln aus der 3. Welt reduzieren, hat aber bezüglich der Energiegewinnung einen großen Nachteil. Wir sprechen hier von grossen technischen Anlagen, mit entsprechendem Platzverbrauch und langen Transportwegen. Der Vorteil bei der Photovoltaik liegt daran, dass die Solarzellen als dünne Platten einfach zur Dachbedeckung von vorhandenen Gebäuden dienen können, und so kein zusätzlicher Platzbedarf entsteht. Die Energie wird da erzeugt wo sie benötigt wird. Ca. 4% der Fläche der früheren Bundesrepublik (sorry keine Zahlen für Deutschland) sind bebaut, so dass es sicherlich genug Dachfläche für die Installation von Solarzellen gibt. Natürlich muss über Mengenproduktion und Weiterentwicklung der Preis noch gesenkt werden, dieser Vorgang ist aber schon im Gange.
Bei der Verwendung zur Herstellung von Futtermitteln könnten auf gentechnisch veränderte Pflanzen verzichtet werden, und trotzdem könnte Deutschland Selbstversorger werden. ES würden dann auch die unnötigen Transporte (Futtermittel aus 3. Welt nach Deutschland, subventioniertes Fleisch aus Deutschland in 3. Welt) entfallen.
Vor etwa 2 Jahren beschäftigte ich mich mal ein bisschen mit dem Thema der Algen. Da gab es auf dem Dach einer Universität in den USA eine Pilotanlage, durch die Abgase (höherer CO2-Gehalt) geleitet wurden um so den Wirkungsgrad zu erhöhen.
@der K: Das ist soweit ich weiß auch ein Teil des Planes. Man hat z.B. ein Kohlekraftwerk, das CO2 produziert; in den Abgasfluß gibt man die Algen rein, die verbrauchen das CO2, welches dann z.B. im LKW, wo der Biosprit der Algen wieder verbrannt wird, freigesetzt wird.
Das heißt mit dem CO2-Ausstoß des Kraftwerkes hat man (a) Strom produziert und (b) fahren auch noch ein Haufen Leute damit rum.
Von der Idee her ja nicht schlecht.
Zumindest interessanter als ein reines Kohlekraftwerk. Kohle hat ja den Vorteil, dass sie in noch weitaus größerem Maße verfügbar ist als Erdöl und Erdgas. Zumindest für eine Übergangszeit wäre Kohle als Eergänzung denkbar – wenn nur Kohle nicht so viel Kohlendioxid prroduzieren würde.
Die Algen kommen aber auch ganu gut mit dem athmosphärischen Kohlendioxid aus. Immerhin das hat die Natur uns vorraus : Es gibt keinen technischen Prozess der das Kohlendioxid ohne Anreichung und Sauerstoffabtrennung einsetzen könnte.
Man muß nicht unbedingt über den großen Teich schauen um interessantes zum Thema Algen und Energie zu finden. Hier vielleicht noch zwei interessante links:
http://www.yigg.de/forschung/plankton-als-klimaretter
http://www.plankton-manifest.de/
Eine interessante Überlegung bei ständig fallenden PV-Preisen wäre folgende. Wie billig müssen PV-Anlagen werden, damit man für die Anschaffung nur die Kosten aufbringen muß wie bei der normalen Stromrechnung, so daß sich die Anlage nach einer vertretbaren Zeit amortisiert? Dann müßten viele Leute eigentlich zuschlagen… also ein Durchschnittshaushalt verbraucht ca. 3500kWh im Jahr, eine kWh kostet heute ca. 25ct. Pro Monat also ca. 73 EUR. Wenn man nun eine Anlage auf Kredit kauft, wie teuer darf sie dann werden, damit man mit 73 EUR Kreditrate in vielleicht 10-15 Jahren den Kredit abbezahlt hat? Wenn der Punkt erreicht ist, hat man 10-15 Jahre das Kreditrisiko, spart danach aber. Dieser Punkt könnte zu einer massenhaften Installation von Anlagen führen… Bei (zugegeben recht günstigen) 3% Zinsen und der Rate kann man in 15 Jahren 10000 EUR finanzieren, und 8000 EUR nach 10 Jahren. Die Anlage darf also 8000-10000 EUR kosten. Pro kW peak erhält man ca. 1000 kWh im Jahr in Deutschland, man braucht also 3,5kW peak für 8000-10000 EUR, also 2285-2857 EUR per kW peak müßte der Preis sein. Im Internet finden man für 2012 als Kosten 1969 EUR pro kW peak ohne Ust (Mwst?!) also 2343 EUR per kW peak aktuell. Das heißt wir sind kurz davor…
Du vergisst, dass von dem Strompreis nur ein drittel beim Versorger landen. Ein Drittel geht für Steuern drauf (Ökosteuer, MWSt, Solarabgabe) und ein Drittel für die Netze. Wenn dem so wäre wie Du schreibst müsste nicht jeder von uns 3,5 ct für die wenigen Prozent Solarstrom extra zahlen.
Die Überlegung war eigentlich, wenn jeder seinen Strom selbst herstellen könnte. Daher habe ich mal implizit angenommen, daß für erzeugten Strom derselbe Preis bezahlt wird, wie ihn der Kunde aufbringen muß. Das kann in der Praxis nicht funktionieren, wie Du ja auch schreibst, weil Steuer und Netzkosten nicht einberechnet werden. Alternativ müßte man die Kosten für einen Speicher/Akku dazurechnen, wenn man seinen Strom wirklich komplett alleine erzeugen wollte.
Fragt sich nur, wie groß ein solcher Akku sein müßte. Bei 3500 kWh pro Jahr sind das 9,59 kWh pro Tag. Die notwendige Größe eines Speichers ist hochspekulativ, sicher müßte der eine Woche speichern können. Also ca. 70 kWh. Das ist wohl so teuer, daß sich erst PV-Anlagen und Akkus noch stark weiter verbilligen müßten, bevor es sich rechnet.
Die Netzkosten hat man anderfalls sowieso. Und auf Steuern will der Staat ja auch nicht verzichten 😉 erhält man also nur 1/3 von dem für eine selbstproduzierte kWh, was man vom Netz bezieht, wäre die Rechnung ganz anders, ob die PV-Anlagen mal so günstig werden, daß sich das lohnt?
Der Speicher müsste relativ groß sein, weil man im Winter nur ein Drittel der Strommenge wie im Sommer erzeugt, also entweder dreimal überdimensionieren und nur einen kleinen Speicher oder eben ins Netz einspeisen. Zu letzterem gab es mal die Idee, dass Wenn es mal viele Elektrowagen gibt deren Akku als Puffer fürs Netz dienen könnte. Jeder hat eine Batterie mit mindestens 100 kg Gewicht, das heißt man könnte bei 1 Million Elektrowagen und 50% Batterieladung rund 10 Millionen kw abpuffern. Das wäre dann vielleicht wenn man autark sein will der persönliche Speicher der nicht viel Extra kostet.
Es ist unbestritten, das Photovoltaik die teuerste Art ist Strom zu produzieren, daher subventionieren wir sie ja jetzt schon mit dem Strompreis. Was sie so verführisch macht, ist das es die einzige Möglichkeit ist die Privatpersonen haben. Aber für die klimaziuele wären wohl mehr Solarkollektoren besser, die sind effizienter und Preiswerter, produzieren aber eben nur warmes Wasser und werden nicht so subventioniert.
Das mit dem Energiespeichern in Elektroautos geht aber von der Voraussetzung aus, daß diese Autos nicht fahren. Klar gibt es genug Angeberkarren, die nur dastehen damit sie von den Nachbarn gesehen werden. Aber wer sein Auto zum Fahren braucht, wird es kaum als Energiespeicher verwenden können.
Selbst bei jemanden der täglich 2 Stunden fährt wird das Ding 22 Stunden an der Leitung hängen und für Berufsfahrer scheiden die Elektroautos schon wegen der Reichweite aus.
Die Rechnung ginge nur dann für jemanden auf, wenn er für eingespeisten Strom die 25ct erhält, die er auch für entnommenen zahlt. Für ihn rechnet sich das, für alle anderen steigt die EEG Umlage dann weiter…
Es ist sogar noch mehr: Derzeit für eine Freiflächenanlage
21,11 ct/kwh, bei einer Dachanlage 28.74 ct/kwh
Die Kosten der Photovoltaik mal andersherum gerechnet: was kostet eigentlich die „Erzeugung“ von Strom via PV? Pro kW peak erhält man ca. 1000 kWh im Jahr in Deutschland, pro kW peak zahlt man bei der Installation einer Anlange 2343 EUR (Stand 2012 ca.). Das wären umgerechnet also 2,343 EUR pro kWh, wenn die Anlage ein Jahr hält. Die Laufzeit der Anlagen ist aber mindestens 20 Jahre, man erhält also 20000 kWh für den Preis, also 11,7 ct pro kWh. Bei den Kosten kommt dann noch eine Versicherung für die Anlage hinzu. Wir wären also bei Entstehungskosten von 11,7 ct/kWh. Andere Kraftwerksformen sind günstiger, aber man hat mal einen Vergleich. Das gilt aber nur, wenn erst bezahlt (Anlage kauft) und das später reinholt – unrealistisch. Muß man für die Anlage investieren (Kreditfinanziert) ist der kWh-Preis höher. Man müßte die Kreditrate so wählen, daß sie von der Bezahlung der produzierten kWh gedeckt wird, oder konservativ gerechnet 20 Jahre Laufzeit. Bei 4% Zinsen und 20 Jahren Laufzeit für 2343 EUR bezahlt man 174 EUR/Jahr und es sind insgesamt 1089 EUR für Zinsen, man zahlt also insgesamt 2343 1089=3432 EUR. Macht pro kWh dann 17,16 ct. Die Entstehungskosten für PV-Strom bewegen sich also in dieser Größenordnung von 11,7-17,2 ct pro kWh.
Kleiner Nachtrag: wenn man 174 EUR pro Jahr zahlen muß und ca. 1000 kWh in dieser Zeit erzeugt werden, muß man deshalb wohl schon 17,4ct/kWh verlangen. Paßt überraschend genau zu den anders berechneten Kosten… 😉
Noch ein paar interessante Zahlen. Laut Strombedarf und Erzeugung bei offiziellen Daten (entnommen von Agora Energiewende-Seite) mit Werten der letzten fünf Tage wurde von der Energiemenge an Solarstrom 11,35% des Bedarfs erzeugt (also über ganze Zeit inkl. Nacht). Zu Spitzenzeiten Mittags 12-13 Uhr liefert der Solarstrom bis zu 33% des Bedarfs (ca. 23GW / 70GW). Berechnet man die Fläche unter der Kurve des Solarstroms bzw. Bedarfs und berechnet so die benötigte / von Solar erzeugte Energiemenge erhält man den Anteil von 11,35%.
(Das heißt auch, daß der Solarstrom von der Energiemenge ca. 1/3 so viel liefert wie seine Spitzenwerte.)
Würde man alles solar versorgen wollen (Extremfall, hat ja keiner vor, gibt ja auch noch Wind, Wasser, Biomasse), bräuchte man demnach ca. 200 GWp installierte Zellen (da der Verbrauch auch nicht immer maximal ist, ggf. weniger). Das wären bei aktuellen Preisen Kosten von ca. 300 Mrd€ (1500€/kWp Endkundenpreis) – noch ohne Speicher.
Das mit dem Algengenerator wäre auch eine feine Sache für eine autarke Raumstation.
CO2 Exkremente rein, Sauerstoff Nahrung raus.
Ich Würde aber die Algen nicht direkt Essen wollen.
Mein Vorschlag den Algengenerator einfach dopplet so groß auslegen und ein trächtiges Schwein mit dem ATV raufschicken. Die Ferkel können dann mit den Algen gefüttert werden, die Sau kann wieder befruchtet werden und für die nächste Generation von Frischnahrung sorgen. Dem Projet würde ich „Schweine im Weltall“ nennen