Erntefaktoren der Nord- und Ostsee Offshoreparks – Teil 1

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Offshore-Windkraft gilt als die Hauptsäule der „Energiewende“. Kolossal anmutende Offshore-Windparks wie etwa „Amrumbank West“ oder „Alpha Ventus“ sind dann auch begehrte Motive bei der Selbstdarstellung der Polit- und Wirtschaftsprominenz 😛 und ein Dauerschleife-Gegenstand einer euphorischen Berichterstattung in den (öko-lastigen ) Medien. Doch leisten diese „Wunder der Technik“ wirklich jenen Beitrag zur energetischen Versorgung einer Volkswirtschaft, den deren schiere Monumentalität vielleicht vermuten lässt? Ein eine erste grobe Abschätzung der Erntefaktoren in der vorliegenden AG lässt eher die Vermutung aufkommen, dass der (gepufferte) EROI sogar unter 4 liegen könnte; Fortsetzung siehe Teil 2.	^T_E ^L_E ^G_R ^A_M

Der Erntefaktor (engl. „EROEI“ bzw. „EROI“ = Energy Returned On Energy Invested) ist eine der wichtigsten Kennziffern zur Beschreibung von Effizienz einer energetischen Anlage. Der EROI ist schlicht das Verhältnis der „geernteten“ (Nutz-) Energie zu der in die Anlage selbst investierten (Gestehungs-) Energie:

$\eta_\mathrm{e}=\frac{E_\mathrm{R}}{E_\mathrm{I}}$

wobei jeweils der gesamte Lebenszyklus einer gegebenen energetischen Anlage zu betrachten ist, von deren Bereitstellung, inkl. Rohstoffbeschaffung über den Betrieb bis hin zur Stilllegung und ggf. Entsorgung der Anlage. Mit anderen Worten, der Erntefaktor ist eine Art „energetische Rendite“ 💡 – besagt er doch nichts anderes, als „wie viele Male“ man diejenige Energie aus einer Anlage herausbekommt (also „erntet“), die man in sie hineinstecken muss und das, wie gesagt, über deren gesamten Lebenszyklus hinweg.

Es ist offensichtlich, dass die Ermittlung von Erntefaktoren im konkreten Fall eine äußerst diffizile Sache werden könnte. Die tatsächlich geerntete Energie zu ermitteln ist trivial, aber wie ist es z.B. mit dem energetischen Aufwand bei der Förderung von Kohle, die man ja für die Stahlproduktion am Hochofen braucht? Und wieviel Energie müssen wir in diesem Hochofen „verbraten“? Wieviel „fressen“ dann die Anlagen, die z.B. die Rotorblätter einer Windkraftanlage stanzen? Wieviel brauchen die Spezialschiffe, die die so vorgefertigten Windkraftanlagen an deren Bestimmungsorte bringen und sie dort installieren? Und wieviel Energie braucht der tonnenschwere Hammer, der die Fundamente mehrere Meter tief in den Meeresboden rammt?

WKAStahl — Abb.2 Quelle © World Steel Association

Solche Messungen, Abschätzungen, Hochrechnungen etc. dürften sehr komplex sein, insofern haben wir uns etwas vorgenommen mit unserer Rechenaufgabe der vorliegenden „AG Energetik“, die gem. Überschrift darin besteht, den EROI von Offshoreparks zu ermitteln. Hier kann man sich allerdings schon die Frage stellen, ob wir uns diese Akribie wirklich antun sollten, wo doch die EROI’s von allen möglichen Energiequellen als gut erforscht und demzufolge recht belastbar gelten?

Um diese Frage zu beantworten blicken wir kurz auf die „Impact-Studie“ zurück. Denn dort haben sich scheinbar belastbare Zahlen bei näherem Hinsehen als völlig unzutreffend herausgestellt. Mehr noch! Wir haben einen bis dato sträflich vernachlässigten Zusammenhang aufgedeckt und zwar den mit dem jeweiligen Energiemix. So gesehen, wer weiß schon, ob wir bei dieser Studie nicht ähnliche Entdeckungen machen werden…

Indes gäbe es da noch eine andere Beobachtung, die uns die vorliegende „AG Energetik“ – Rechenaufgabe nahelegen oder uns zumindest stutzig machen sollte. Schauen wir auf das EROI-Diagramm des IFK (Abb.1), so finden wir für die Windkraft beispielsweise den Erntefaktor 3.9 und zwar für On- und Offshore Windkraft gleichermaßen.

Nun erscheint uns diese Zahl zunächst einmal absolut belastbar, jedenfalls nach „unten“. Denn der IFK als Urheber des Dual-Fluid-Reaktors steht wohl kaum im Verdacht, die Zahlen ausgerechnet zugunsten der Windkraft zu frisieren; ferner scheint die Methodik bei der Ermittlung der EROI’s absolut nachvollziehbar, so dass wir die Zahlen zunächst mal so hernehmen können.

Aber nun zu der eigentlichen Überlegung: Wenn der EROI für Windkraft gleich 4 ist, so müsste sich eine auf 20 Jahre ausgelegte Anlage definitorisch nach etwa 5 Jahren energetisch vollständig amortisiert haben. Mit anderen Worten, nach einem 5-jährigen Normalbetrieb müsste ein Windpark genug Energie abgeliefert haben, um einen vergleichbaren Windpark hieraus errichten zu können – und zwar von der Beschaffung der Rohstoffe, über die Herstellung der Anlagen, bis hin zur Lieferung, Inbetriebnahme, Maintenance (während dieser 5 Jahre) und einem 1/4-Anteil an der anschließenden Stilllegung und Entsorgung.

Wind_Lift_I — Abb. 4 Errichterschiff. Quelle © Wiki-Commons

Und hier stellt sich eben die Frage, ob das hinkommen kann – zunächst rein aus dem Bauch heraus, denn konkret rechnen tun wir wie gesagt später. Nun, hier kommen uns langsam Zweifel. Denn nehmen wir z.B. die „Amrumbank West“ und machen folgendes Gedankenexperiment: ca. 50 der 80 WKA’s sind direkt angeschlossen an eine Windrad-Fabrik, die restlichen an eine Power2Gas-Anlage zwecks Versorgung der Errichterschiffe, Hubschrauber etc. mit Treibstoff. Nun ist die Frage die, ob die 50 Windräder wirklich soviel Energie an die Windradfabrik liefern können, dass diese in 5 Jahren weitere 80 Windräder herstellen kann? Ich persönlich muss einräumen, dass mir die Phantasie dazu vollständig fehlt… aber genau das müsste erst einmal hinkommen, wenn wir den EROI=4 überhaupt retten wollen! Also stimmt selbst der noch so konservativer EROI dann doch nicht?

Wir wollen es genauer wissen und deshalb stürzen wir uns in die akribische Arbeit, die im Wesentlichen darin bestehen wird, Zahlen zusammen zu tragen und aufzuaddieren, die u.U. gar nicht bekannt sind bzw. solche, die man uns womöglich gar vorenthalten möchte 😳. Von daher brauchen wir genauere Informationen z.B. über den Materialaufwand eines Windparks, den energetischen Aufwand bei der Herstellung jeweiliger Stoffe und Bauteile, Aufwendungen für Installation ➡ und Inbetriebnahme, Betrieb inkl. Wartung, dann Stilllegung, Entsorgung bzw. Recycling der gegenständigen Windparks – und vieles mehr.

➡ Als ziemlich unbekannt gelten beispielsweise die Aufwendungen im Zusammenhang mit dem Hineinrammen der Fundamente in den Meeresgrund. Hier benötigen wir genauere Informationen: Masse der Ramme, Hub, Frequenz etc.
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¶ Aufgabe: „Man berechne den Erntefaktor $\eta_\mathrm{e}=\frac{E_\mathrm{R}}{E_\mathrm{I}}$ der Nord- und Ostsee Offshoreparks“

WikiEROI — Abb. 5 Quelle: Wikipedia, Stand Ende 2015

Ein Blick auf die Tabelle der Erntefaktoren im gleichnamigen Wiki-Artikel lässt nur leise erahnen, welche „Mächte“ und mit welcher Akribie hier am Werke gewesen sein müssen. Demnach hätten die modernsten Windturbinen einen EROI, der fast doppelt so hoch ist wie bei Kohle und gar die Hälfte des Spitzenreiters Kernkraft beträgt 😮 !

Mit welchen Tricks hier gearbeitet worden sein muss, werden wir im Laufe unserer AG-Energetik-Stunde noch oft genug sehen. Jedenfalls besteht einer dieser Tricks darin, Windenergie schlicht und ergreifend höher zu gewichten als andere Energieformen, insbesondere die Wärme. Dabei ist die Argumentation beispielsweise die folgende:

„Unsere Windkraft liefert eine hochwertige Energie, nämlich den elektrischen Strom, während der Aufwand, z.B. am Hochofen bei der Stahlproduktion, größtenteils durch die niederwertige Wärme aufgebracht werden kann. Von dieser Wärme können aber die konventionellen Kraftwerke nur ein Drittel in elektrischen Strom umwandeln (wg. Carnot-Effekt). Demzufolge muss der energetische Ertrag (Windstrom) gegenüber dem Aufwand (größtenteils Wärme) um einen Faktor 3 höher bewertet werden, was den Erntefaktor ebenfalls verdreifacht.“ 😳

Doch diese Überlegung ist bereits unter physikalischen Gesichtspunkten vollkommen unzulässig. Denn im Umkehrschluss würde es ja heißen, dass dann aus dem Windstrom ebenso das Dreifache an Wärme zu gewinnen sein müsste! Nun wissen wir aber aus der AG-Energetik-Stunde „Carnot vs. Joule-Thomson“ , dass ein solcher Effekt nur bei einem sehr niedrigen Temperaturunterschied auftritt, von dem jedoch Hochofen beispielsweise nicht die Rede sein kann:

$\underset{\leftarrow}{\eta}=\underset{\rightarrow}{\eta}^{-1}=\frac{T_1}{T_1-T_0}$

Außerdem weiß jeder Stromhändler, dass die kleinsten Schwankungen der Strom-Parameter dessen Qualität nachhaltig tangieren. Ein „Zappelstrom“, wie ihn die Windkraft liefert, als „hochwertige Energie“ anzusehen, ist einfach abenteuerlich. Nein, im Laufe der vorliegenden AG-Energetik-Stunde behandeln wir alle Energien gleichwertig – d.h. Kilowattstunde ist Kilowattstunde – und mit dieser Gleichsetzung ist die Windkraft noch verdammt gut bedient!

EROIbuff — Abb. 6 EROI buffered/unbuffered

Ein weiterer, weitaus mehr verbreitete Trick von bestimmten Interessensverbänden 😉, besteht wiederum darin, all die Aufwendungen für die Speicherung des naturgemäß volatilen Windstroms bzw. EE-Stroms im Allgemeinen schlichtweg zu unterschlagen. Auch dieser Ansatz ist unter gar keinen Umständen zulässig, da die Stromspeicher im Falle der Windkraft praktisch durch nichts wegzurationalisieren sind – sieht man von einer intermittierenden Einspeisung aus anderen, gut regelbaren Energiequellen einmal ab ➡. So werden Stromspeicher auch in Zukunft benötigt und zwar umso mehr, je weiter wir den Ausbau der EE’s vorantreiben werden: Ein Wasserkraftwerk mit Staudamm beispielsweise kann eine gewisse Glättung des EE-Stroms schultern, indem es bei Flaute die Schleusen öffnet und bei Wind wieder schließt und sein Wasserspeicher auffüllt. Aber bei weiterem Ausbau der EE’s wird dieser Mechanismus zwangsläufig versagen, da ja bei Flaute das gestaute Wasser nicht für sehr lange reichen und bei kräftigem Wind wiederum der Staudamm im Nu volllaufen wird. Resultat: immer mehr Stromspeicher müssen her.

Welche Konsequenzen hat es nun für unseren EE-EROI? Nun, wenn immer mehr Stromspeicher benötigt werden, wird sich die Schere zwischen dem gepufferten und dem ungepufferten EROI immer weiter öffnen! Oder genauer, der praktisch entscheidende gepufferte EROI wird weiter absacken! So gesehen können wir zufrieden sein, da wir bei der Gelegenheit so quasi als „Beifang“ ein stark kolportiertes Märchen widerlegt haben, wonach sich der miserable EROI der EE’s quasi automatisch bessern wird, wenn wir noch konsequenter die EE’s ausbauen werden. Nun haben wir eher einen Grund anzunehmen, dass genau das Gegenteil der Fall sein dürfte.

➡ Zu den weit verbreiteten Irrtümern in der energetischen Physik zählt die angeblich schlechte Regelbarkeit der Kernkraftwerke gegenüber z.B. Gaskraftwerken. In Wahrheit weisen aber insbesondere die künftigen Gen.4-Anlagen eine exzellente Regelbarkeit auf und zwar aufgrund des extrem negativen Temperaturkoeffizienten. So könnte sich beispielsweise ein vorgeschalteter DFR (Dual Fluid Reaktor) dem schwankenden Strombedarf in Sekundenschnelle und automatisch (!) anpassen und zwar aufgrund der sich mit verändernden Bleireflexion gepaart noch mit dem thermonuklearen Doppler-Effekt.
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Wir nehmen dennoch das Verhältnis ungepuffert/gepuffert beim EROI der Windkraft als statisch ➡ an und nennen es fortan „Pufferungsfaktor“ (sofern diese Größe bereits anderweitig definiert worden sein sollte, wird um einen entsprechenden Hinweis gebeten):

$\kappa=\frac{\eta_u}{\eta_e}=4$ , wobei eben das $\eta_\mathrm{e}=\frac{E_\mathrm{R}}{E_\mathrm{I}}$ definitorisch von Bedeutung ist.

➡ Es ist offensichtlich, dass der Pufferungsfaktor stark von dem Energiemix abhängt. Denn würden wir die Pufferung so bestreiten wie im vorangegangenen Einschub suggeriert, würde der DFR mit seinem sagenhaften EROI von 2000 den Pufferungsfaktor der Windkraft in die Nähe von 1 rücken, wodurch der EROI in der Tat zweistellig werden könnte.
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Für unsere Aufgabe, nämlich den EROI für Windkraftparks à la „alpha ventus“ oder „Amrumbank West“ exakt zu berechnen, ist dieser Faktor durchaus von Bedeutung, da wir doch die überaus diffizile Berechnung bzgl. der Stromspeicher umgehen können, indem wir ungepuffert rechnen und dann nur noch den Faktor κ „nachspielen“ müssen.

Zunächst machen wir eine rudimentäre Berechnung des EROI bei dem Offshore-Park „Amrumbank West“. Dort haben wir 288 MW installierte Leistung, was ca. 1000 GWh pro Jahr erwarten lässt. Dem gegenüber stehen folgende Aufwendungen im Zusammenhang mit den verbauten Stoffen:

Stahl. 100’000 Tonnen Stahl (lt. E-ON) à 5600 kWh/t nur am Hochofen, ergibt 2240 GWh gepuffert. Die Recycling-Quote beträgt zwar knapp 1/3, aber die Aufwendungen außerhalb des Hochofens sind gar nicht erst berücksichtigt. Wir setzen 2000 GWh an;
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Aluminium, Kupfer, seltene Erden, Refraktärmetalle (!), sonstige Stoffe. 20’000 Tonnen à 15000 kWh/t ergibt 1200 GWh gepuffert. Wir setzen 1500 GWh an, da die Recycling-Quoten besonders gering und die Aufwendungen bei der Verarbeitung – etwa der Refraktärmetalle – besonders hoch sind.

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MaterialReqs — Abb. 7 Materialaufwand nach Energiequelle

Somit scheint sich unser Eingangs geäußerter Verdacht tatsächlich zu bestätigen. Denn selbst bei einem Offshore-Vorzeigeprojekt vom Kaliber „Amrumbank West“ – mit modernster Technik, 3.5 MW-Anlagen etc. – ist der ohnehin bescheidene EROI von 4 (bzw. 3.9 lt. unabhängiger Studien!) kaum zu halten. Bereits direkte Materialgestehungs-Aufwendungen verschlingen knappes 1/5 des 20-jährigen Ertrages und andere Aufwendungen – etwa bei der Endproduktion, Verbringung auf hohe See, Installation, Inbetriebnahme, Wartung (über 20 Jahre hinweg!) und zu guter Letzt Stilllegung, Entsorgung – sind immer noch nicht berücksichtigt!

Unser Zwischenresultat (die genauere Berechnung des EROI steht immer noch aus – bleibt dem Teil 2 der Studie vorbehalten) kann daher nur lauten:

$\eta_\mathrm{e}<4$ , wohl bemerkt, für „Amrumbank West“ u.ä. 😳

Demnach ist der als eine Art Durchschnittswert für Windkraft vermutete EROI von 4 eher als die Obergrenze anzusehen. Es gibt vielmehr starke Anzeichen dafür, dass er tatsächlich weit darunter liegen dürfte, womöglich sogar unter 3 😳 ! Jedenfalls ist ein EROI von 7, wie er in verschiedenen Studien als Mindest-EROI für Deutschland und vergleichbare Industrienationen gefordert wird, selbst durch die modernsten Offshore-Parks eindeutig nicht erreichbar. Demzufolge macht die Windkraft in Deutschland weder ökonomisch noch ökologisch einen Sinn und sollte lieber heute als morgen einem – wie es so schön heißt – geordneten Auslaufbetrieb zugeführt werden – Stichwort Restlaufzeiten.