Firming weather dependent renewable generation yields single digit system level energy returns

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine riesige, geschäftige Stadt mit Strom zu versorgen. Sie verfügen über eine Flotte von Solarmodulen und Windkraftanlagen, die fantastisch darin sind, Elektrizität zu erzeugen, wenn die Sonne scheint und der Wind weht. Aber hier ist der Haken: Die Sonne scheint nachts nicht, und der Wind weht nicht immer, besonders während jener langen, dunklen Winterwochen. Um das Licht rund um die Uhr brennen zu lassen, benötigen Sie einen „Plan B“, der einspringen kann, wenn die Natur eine Pause macht. Dies ist die Welt des Energy Return on Investment (EROI). Betrachten Sie EROI als eine Art „Gewinnspanne“ für Energie. Wenn Sie 1 Einheit Energie aufwenden, um ein Kraftwerk zu bauen, und dieses Kraftwerk über seine Lebensdauer 10 Einheiten Energie zurückgibt, dann ist Ihr EROI 10. Das ist ein großartiges Geschäft! Aber wenn Sie 1 Einheit aufwenden, um nur 1,1 Einheiten zurückzubekommen, ist Ihr EROI 1,1 – das reicht gerade so aus, um das Licht an der Decke zu halten, aber nicht einmal, um Krankenhäuser, Schulen oder Raumraketen zu bauen. Die große Frage, die sich Wissenschaftler stellen, lautet: Wenn wir all das zusätzliche Zeug hinzufügen, das nötig ist, um Solar- und Windkraft zuverlässig zu machen (wie riesige Batterien oder Backup-Gaskraftwerke), verschwindet dann der „Gewinn“?

Dieses Papier, geschrieben von Hans Peter Beck, taucht tief in genau diese Frage ein. Es fungiert wie ein riesiges Buchhaltungssystem für ein zukünftiges Energiesystem. Anstatt nur ein einzelnes Solarmodul auf einem Dach zu betrachten, baut der Autor ein „Flottenmodell“ – ein massives, imaginäres Stromnetz für Mitteleuropa, das zu 80 % auf Wind und zu 20 % auf Sonne basiert. Die Studie stellt dann die Frage: „Was passiert mit unserem Energiegewinn, wenn wir das schwere Hebezeug hinzufügen, das nötig ist, um diese wetterabhängige Energie zuverlässig zu machen?“ Das Papier stellt fest, dass Solarmodule für sich genommen großartig aussehen, aber in dem Moment, in dem man die notwendigen „Firming“-Systeme (Backup) hinzufügt, um das Licht während der Winterstürme brennen zu lassen, der Energiegewinn drastisch sinkt. Tatsächlich schrumpfen die effizientesten Backup-Optionen, die getestet wurden (wie Wasserstoffspeicherung oder Gaskraftwerke), den Energieprofit auf einstellige Werte oder sogar nahe Null. Das Papier legt nahe, dass eine moderne, komplexe Gesellschaft ohne einen hohen Energieüberschuss Schwierigkeiten haben könnte, zu überleben, geschweige denn zu gedeihen.

Der einsame Traum des Solarmoduls

Beginnen wir mit dem Helden unserer Geschichte: dem Solarmodul. Für sich allein genommen ist ein Solarmodul ein wenig wie ein Rockstar. Wenn man nur die Installation betrachtet – das Panel, die Kabel und den Wechselrichter – hat es einen fantastischen Energieprofit. In den sonnigen Teilen Mitteleuropas liefert es für jede Einheit Energie, die in seinen Bau investiert wurde, über seine Lebenszeit vielleicht 15 bis 20 Einheiten zurück. Das ist so, als würde man ein Ticket für 1 $ kaufen und 20 $ gewinnen. Das klingt wie ein Gewinnlosspiel!

Aber hier kommt die Wendung der Handlung: Ein Solarmodul ist ein „Freund bei gutem Wetter“. Es funktioniert nur, wenn die Sonne scheint. Wenn man eine ganze Stadt betreiben will, kann man sich nicht nur auf Freunde bei gutem Wetter verlassen. Man braucht einen Plan B für die Regentage, die bewölkten Nächte und jene erschreckend langen Winterphasen, in denen die Sonne kaum hervorlugt und der Wind vollkommen stillsteht. Wissenschaftler nennen diesen Bedarf an einem Backup „Firming“. Es ist der Unterschied zwischen einer Picknickdecke (Solar) und einem kompletten Zelt mit Heizung (konstante Energie/Firm Power).

Die Kosten des Backup-Plans

Das Papier erstellt eine massive Simulation eines Stromnetzes, um zu sehen, was passiert, wenn wir versuchen, diesen „Freund bei gutem Wetter“ in einen „zuverlässigen Mitbewohner“ zu verwandeln. Der Autor entwirft ein Szenario, in dem 80 % des Stroms aus Wind und 20 % aus Sonne stammen. Diese Mischung ist gut, weil der Wind oft weht, wenn die Sonne nicht scheint, aber selbst diese Kombination hat eine Schwäche: Manchmal machen sowohl der Wind als auch die Sonne gleichzeitig ein Nickerchen. Dies werden „Dunkelflauten“ genannt (ein schicker deutscher Begriff für „dunkle Trägheit“).

Um diese Dunkelflauten zu überstehen, testet das Papier drei verschiedene Backup-Strategien, und die Ergebnisse sind ein wenig schockierend.

1. Die Batteriebank (Die kurzfristige Lösung)
Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, das Problem mit einer riesigen Batterie zu lösen. Batterien sind großartig, um Energie vom Nachmittag in den Abend zu verschieben, so wie man ein paar Äpfel aus einem vollen Korb in einen leeren Korb legt. Aber was ist, wenn der Korb eine ganze Woche lang leer ist?
Das Papier berechnet, dass der Energieprofit massiv einbricht, wenn man versucht, genug Energie in Batterien zu speichern, um 24 Stunden lang durchzuhalten. Anstatt 15 Einheiten zurückzubekommen, erhält man vielleicht nur 0,7 bis 2,3 Einheiten. Warum? Weil die Herstellung dieser massiven Batterien eine enorme Menge an Energie verbraucht. Es ist, als würde man versuchen, einen Rucksack voller Backsteine zu tragen, um zum Laden zu kommen; je schwerer der Rucksack ist, desto weniger Energie hat man übrig, um tatsächlich Lebensmittel zu kaufen. Selbst eine 4-Stunden-Batterie senkt den Profit auf einen Bereich von 3,4 bis 7,6. Das Papier legt nahe, dass Batterien zwar für kurze Nickerchen nützlich sind, aber zu schwer und zu teuer sind, um uns durch einen langen Winter zu tragen.

2. Der Wasserstoftank (Die langfristige Lösung)
Als Nächstes betrachtet das Papier Wasserstoff. Dies ist vergleichbar damit, Elektrizität in ein Gas zu verwandeln, es in einem riesigen unterirdischen Tank zu speichern und es bei Bedarf wieder in Elektrizität umzuwandeln. Es ist die ultimative Langzeitspeicherung, die in der Lage ist, Energie über Wochen oder Monate zu halten.
Der Prozess ist jedoch sehr ineffizient. Es ist, als würde man versuchen, einen Eimer mit einem undichten Schlauch zu füllen. Man muss viel Wasser (Elektrizität) hineinpumpen, um nur ein wenig davon im Eimer zu behalten. Aufgrund dieser Verluste muss man mehr Solarmodule und Windturbinen bauen, nur um den Tank zu füllen. Das Papier findet heraus, dass selbst mit dieser „Super-Speicherung“ der Energieprofit auf einen Bereich von 3,4 bis 7,7 sinkt. Es ist besser als die 24-Stunden-Batterie, aber es liegt immer noch in der „einstelligen Zone“, was ein gefährlicher Ort für eine moderne Gesellschaft ist.

3. Das Gas-Backup (Die Krücke aus fossilen Brennstoffen)
Schließlich betrachtet das Papier das Bereithalten von Gaskraftwerken. Diese Anlagen müssen keine Energie speichern; sie verbrennen einfach Gas, wenn Wind und Sonne ausfallen.
Das Ergebnis ist hier noch drastischer. Da man diese massiven Gaskraftwerke gebaut und bereit halten muss (selbst wenn sie die meiste Zeit ungenutzt bleiben), und da man den Brennstoff verbrennen muss, um sie zu betreiben, stürzt der Energieprofit auf 1,2 bis 2,6 für Erdgas ab, und sogar noch niedriger (1,0 bis 2,2) für Flüssigerdgas (LNG).
Das Papier erklärt, dass man bei einem EROI von 2 die Hälfte seiner gesamten Energieproduktion aufwendet, nur um die Kraftwerke am Laufen zu halten. Es ist wie ein Unternehmen, bei dem die Hälfte des Umsatzes direkt für die Miete draufgeht, sodass kaum etwas anderes übrig bleibt. Bei einem EROI von 1 ist man gerade so bei Null; man geht weder Gewinn noch Verlust. Bei einem EROI unter 1 macht man Verlust. Das Papier deutet an, dass die Abhängigkeit von Gas-Backups zwar das Licht anlassen mag, aber kaum „Überschussenergie“ hinterlässt, um Schulen zu bauen, Krankheiten zu heilen oder das Weltall zu erforschen.

Die „Alpine“ Illusion

Sie denken vielleicht: „Was, wenn wir Solarmodule in den verschneiten Bergen platzieren? Der Schnee reflektiert das Licht, also sollten sie dort besser funktionieren!“ Das Papier prüft dies ebenfalls. Es stellt sich heraus, dass Berg-Solarmodule zwar etwas mehr Sonne bekommen, aber die Kosten für den Bau von Straßen, schweren Halterungen und Stromleitungen in den Bergen den gesamten zusätzlichen Gewinn wieder auffressen. Der Energieprofit für die Bergsonne ist bei Hinzurechnung der Backup-Anforderungen genauso niedrig wie der für normale Solaranlagen. Das Papier legt nahe, dass die Platzierung von Modulen in schwierigem Gelände das grundlegende Problem der Notwendigkeit eines massiven Backup-Systems nicht löst.

Das große Ganze: Warum das wichtig ist

Was ist also die Lehre aus diesem riesigen Energie-Kontobuch? Das Papier legt nahe, dass wir Solar und Wind bisher isoliert betrachtet haben, so als würde man ein Auto nach seinem Motor beurteilen, ohne den Treibstoff, die Reifen und den Fahrer zu berücksichtigen. Wenn man das gesamte System betrachtet, das nötig ist, um eine Stadt zuverlässig am Laufen zu halten, schrumpft der „Gewinn“ der erneuerbaren Energien erheblich.

Der Autor argumentiert, dass eine moderne, industrielle Gesellschaft einen hohen Energieprofit benötigt (einen EROI von mindestens 7 bis 10), um Dinge wie Gesundheitswesen, Bildung und wissenschaftliche Forschung zu unterstützen. Wenn das Energiesystem so ineffizient ist, dass es den Großteil seiner eigenen Energie aufwenden muss, um sich selbst zu bauen und zu erhalten, bleibt für den Rest der Gesellschaft kaum etwas übrig. Das Papier deutet an, dass Solar und Wind zwar wichtig sind, aber sie können nicht die einzige Lösung sein, wenn wir unsere komplexe Welt am Laufen halten wollen, ohne den Energieüberschuss zu verlieren. Es deutet darauf an, dass wir möglicherweise andere Arten von Energie benötigen, die „firm“ (immer verfügbar) sind und einen hohen Energieprofit haben, wie etwa Kernenergie oder Wasserkraft, um die Lücke zu schließen.

Kurz gesagt warnt das Papier uns davor, dass der Weg in eine grüne Zukunft nicht nur daraus besteht, mehr Panels auf Dächer zu klatschen. Es geht darum, die schweren Kosten der Zuverlässigkeit zu verstehen. Wenn wir die Kosten des Backups ignorieren, könnten wir feststellen, dass wir zwar viel grüne Energie haben, diese aber nicht ganz ausreicht, um die Welt, in der wir leben, anzutreiben.