Powered by

Wie die Energiewende funktionieren kann

2015 stammte fast ein Drittel unseres Stroms aus Wind, Sonne und Biomasse. Um Stromerzeugung aber noch klimaverträglicher zu machen, müssen wir den CO2-Ausstoß weiter verringern und uns noch unabhängiger machen von fossilen Energieträgern wie Kohle und Erdöl. Baden-Württemberg hat sich dabei ein ehrgeiziges Ziel gesetzt: Bis 2050 sollen 50 % des heutigen Energieverbrauchs eingespart werden und 80 % der dann benötigten Energie regenerativ mit 90 % weniger Treibhausgas erzeugt werden.

Dr. Müller-Sämann vor einem Miscanthus-Feld © privat

Über die Umsetzung dieser Ziele sprach BIOPRO mit Dr. Karl Müller-Sämann von der Agentur für Nachhaltige Nutzung von Agrarlandschaften (ANNA-Consult) in Freiburg. Gemeinsam mit Kollegen hat der Agraringenieur in einer fachübergreifenden Arbeitsgruppe ein neuartiges Energiekonzept entwickelt: Statt Mais und Raps soll zukünftig das hocheffiziente Gras Miscanthus auf deutschen Äckern wachsen und die Schwankungen aus Sonnen- und Windenergie ausgleichen.

Warum baut man die Windkraft und Photovoltaik – die bereits fest etabliert sind – nicht einfach weiter aus?

2015 hat die Windkraft gut 12 % und die Photovoltaik 6 % zur Stromerzeugung in Deutschland beigetragen. Eine Steigerung auf 70 % ist möglich, denn Energie aus Wind und Sonne steht in fast unbegrenzter Menge zur Verfügung. Die produzierte Energie hat allerdings einen entscheidenden Nachteil: Sie ist nicht steuerbar. Das heißt, Angebot und Nachfrage klaffen oft auseinander. An nebligen, windstillen Tagen erzeugen Windräder und Solarzellen keine Energie. An anderen Tagen hingegen erzeugen sie so viel Strom, dass ein Überschuss entsteht, der dann zu Negativpreisen führt: Der Stromanbieter muss dafür bezahlen, dass ihm der Strom abgenommen wird, was natürlich unwirtschaftlich ist.

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Der Genotyp (Erbbild) repräsentiert die genetische Ausstattung eines Organismus.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Bei der Rasterelektronenmikroskopie wird die Wechselwirkung von Elektronen mit einer Probe zur Erzeugung eines Bildes mit hoher Schärfentiefe genutzt.

Wie lässt sich dieser Nachteil ausgleichen?

Idealerweise müsste man den überschüssig produzierten Strom speichern. Doch kostengünstige Batterien stehen für solche Energiemengen auf absehbare Zeit nicht zur Verfügung. Wir brauchen also einen anderen Puffer, eine sogenannte Regelenergie: Eine Energiequelle, die die Schwankungen aus Wind- und Sonnenenergie ausgleichen kann. Sie muss steuerbar sein und Angebot und Nachfrage in Sekunden deckungsgleich kriegen. Momentan nutzt man fossile Energie als Regelenergie, was klimabelastend ist. Nehmen wir den Klimaschutz ernst, brauchen wir aber auch eine erneuerbare Regelenergie. Die Lösung wäre die Nutzung einheimischer Biomasse: Sie ist speicherbar und kann mit der entsprechenden Technologie ebenfalls bedarfsgerechten Strom liefern.

Biomasse wird heute doch schon genutzt – etwa acht Prozent der Primärenergie stammten 2015 aus Biomasse. Warum taugen Mais und Raps denn nicht als Pufferenergiepflanzen?

Man darf nicht vergessen: Energie ist an der Strombörse ein Billigprodukt. Strom, der aus Kohle- und Atomkraftwerken stammt, kostet etwa 3-6 Cent pro Kilowattstunde (KWh). Strom aus Biomethan ist als Regelenergie mit 25 Cent pro KWh aber zu teuer und außerdem nur in Mischung mit fossilem Erdgas verfügbar. Mit der richtigen Pflanze und einem auf diese Pflanze abgestimmten Verfahren lässt sich aber auch aus Biomasse kostengünstiger Regelstrom produzieren.

Welche Pflanze haben Sie da im Sinn?

Das Gras Miscanthus (Miscanthus x giganteus). Es stammt aus Ostasien, wird bis zu vier Meter hoch und ist die effizienteste Energiepflanze, die wir kennen. Es gedeiht überall, wo auch Mais wächst, wobei in Europa aktuell nur eine Sorte angebaut wird. Das Projekt OPTIMISC der Universität Hohenheim forscht aber an neuen Genotypen, um die guten Eigenschaften der Energiepflanze langfristig zu sichern.

Was sind denn die Vorteile dieser Pflanze?

Die Liste ihrer Vorzüge ist lang: Sie ist genügsam, braucht kaum Dünger, bringt hohe Erträge und wächst auch auf weniger fruchtbaren Böden. Es sind keine Schädlinge bekannt, weswegen aufwendige Pflanzenschutzmaßnahmen entfallen. Und es handelt sich um eine Dauerkultur, die, einmal gepflanzt, mindestens 20 Jahre lang bewirtschaftet werden kann. Ihre Energieeffizienz – also die Energie, die man erhält, wenn man die Energie abzieht, die man für pflügen, düngen, pflegen und ernten abzieht, ist um ein Vielfaches besser als bei Raps und Mais. Das Gras ist in allen genannten Punkten überlegen.

Und wie nutzt man das Gras zur Energieerzeugung?

Miscanthus-Gras wird im Frühjahr trocken geerntet. © Agentur ANNA, Müller-Sämann

Miscanthus erntet man trocken, nachdem man es über den Winter stehen gelassen hat. Mit einem Maishäcksler wird es im Frühjahr direkt lagerfähig geerntet. So entfallen aufwendige Trocknungsprozesse. Das Verfahren zur Energieerzeugung haben wir TREMIS (Top REnewables from MIScanthus) getauft. Es beruht auf thermischer Vergasung, das heißt, das gehäckselte Gras wird bei einer Temperatur von 750 Grad Celsius unter Zufuhr von Sauerstoff und Wasserdampf schlagartig vergast. Es entsteht eine Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Mischung, die einen Gasmotor betreibt, der Strom erzeugt. Die Anlage ist dabei flexibel hinsichtlich der Nutzung der Motorabwärme: Sie kann im Winter zu Heizzwecken genutzt werden, im Sommer dient sie der Erzeugung von Strom über eine nachgeschaltete Dampfturbine. Aus den Abfallstoffen der Vergasung gewinnen wir Flüssigdünger – die Temperatur ist so gewählt, dass außer Stickstoff alle Nährstoffe wie z. B. Phosphat, Kalium und Magnesium als Dünger nutzbar bleiben.

Wie viel Strom lässt sich mit einer solchen Anlage produzieren?

Im Konzert mit Wind- und Sonnenenergie erzeugt eine 5 MW- Einzelanlage bei angenommenen 4.000 Betriebsstunden pro Jahr 20.000 MWh Strom für eine stabile Versorgung von ca. 10.000 Haushalten. Um optimal als Regelenergie eingesetzt werden zu können, sollten 100 solcher Anlagen als virtuelles Kraftwerk von 500 MW zusammengefasst werden. Strombereitstellung und Wertschöpfung erfolgen dabei dezentral: Dort, wo Landwirte das Gras anbauen und Bürger Anlagen betreiben, dort profitieren sie auch davon. Die Idee dahinter: Biomasse hat nicht die Energiedichte von Kohle. Das heißt, lange Transportwege rechnen sich nicht.

Wie viel Hektar braucht man, um eine 5 MW Einzelanlage zu unterhalten?

Etwa 500 ha Ackerland pro Anlage. Um so viel Strom mit Mais zu produzieren, bräuchten wir mehr als die doppelte Fläche.

Und wie lassen sich die Anlagen als Pufferenergie einsetzen?

Jede einzelne Anlage läuft grundsätzlich auf Volllast, das ist am wirtschaftlichsten. Der Bedarf an Strom wird über die Anzahl der im Betrieb befindlichen Anlagen geregelt, die sich bedarfsgerecht an- und ausstellen lassen. Braucht man viel Strom, laufen alle Anlagen – braucht man wenig Strom, laufen entsprechend weniger.

Könnte man mit Ihrem Konzept den gesamten Bedarf an Regelenergie stemmen?

Nein, das ist unrealistisch. Biomasse ist ja nicht in beliebiger Menge verfügbar. Unsere Ackerflächen sind mit ca. 12 Millionen ha begrenzt. Momentan wachsen auf etwa 2,5 Millionen ha Energiepflanzen wie Raps und Mais und konkurrieren mit Nahrungs- und Futtermitteln. Man sollte also grundsätzlich keinen Normalstrom mit Bioenergie erzeugen, den man auch mit Wind und Sonne erzeugen kann. Um die Regellast vollständig aufzufangen, bräuchten wir allerdings etwa 3 Millionen ha, die mit Miscanthus bepflanzt sind. Realistisch ist der Anbau auf einer Million ha. Das könnte immerhin etwa 30 Prozent der benötigten Regelenergie decken.

Und die restlichen 60 Prozent?

Ein großer Teil kann über die in Baden-Württemberg angestrebte Effizienzsteigerung erbracht werden, etwa durch die Optimierung von industriellen Prozessen, aber auch durch den Austausch von Haushaltsgeräten im privaten Sektor. Der Rest muss über sonstige Energieträger, wie etwa Wasserkraft, abgedeckt werden.

Das klingt nach einem wohldurchdachten Konzept – wie weit sind Sie denn in der Umsetzung?

Wir suchen momentan nach Investoren, um nach einem Stufenplan unsere erste Demonstrationsanlage zu bauen. Wenn wir es schaffen, unseren Zeitplan einzuhalten, könnten wir 2025 mit der Serienproduktion der Anlagen starten.

Mit welchen Kosten rechnen Sie für die Pilotanlage?

Etwa acht Millionen Euro für die erste Anlage, später bei Großserienfertigung etwa 5 Millionen pro Anlage.

Und zu welchem Preis werden Sie eine KWh aus Miscanthus-Gras schätzungsweise produzieren können?

Nach aktuellen Berechnungen gehen wir von 10 Cent pro kWh Bereitstellungskosten aus.

Schematischer Aufbau einer Kraftwerkseinheit des TREMIS Regelkraftwerks. © TREMIS Arbeitsgruppe, Müller-Sämann
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/wie-die-energiewende-funktionieren-kann/