Start | Kontakt | Impressum | Datenschutz
 
 
 

Die Energiefrage

 
 
     
 

Dr. BjÖrn Peters

Die Energiefrage - #46
Windenergie im Atlantik – ein Szenario für Deutschlands Energieversorgung?

Zwei Physiker hatten vor ein paar Jahren die Idee, Windenergie auf dem Atlantik zu erzeugen und mit einer neuen technologischen Idee zwischenzuspeichern:  Betonhohlkugeln auf dem Meeresboden.  Wir erläutern das Konzept und untersuchen es auf Realisierbarkeit.

Um eine Volkswirtschaft wie die deutsche mit elektrischer Energie zu versorgen, sind Kraftwerke von ungefähr 100 Gigawatt notwendig.  Damit können übers Jahr leicht die ca. 600 Terawattstunden erzeugt werden, die wir pro Jahr benötigen.  Der Gesamtenergieverbrauch Deutschlands liegt dagegen bei fast 3.600 Terawattstunden (1) , also ungefähr dem Sechsfachen.  Würde man sämtlichen Energieverbrauch gerade für Mobilität und Wärme "elektrifizieren", benötigte man Kraftwerke in der Größenordnung von 500 Gigawatt. – Weniger als das Sechsfache, weil sie gleichmäßiger ausgelastet würden.  Diese Kraftwerke kosten in etwa zwei Euro je Watt, bei 500 Gigawatt sind also Investitionen im Umfang von etwa einer Billion Euro notwendig, die für eine Volkswirtschaft wie der unseren durchaus über längere Zeiträume zu stemmen sind.  Wir interessieren uns hier in "Die Energiefrage" ja grundsätzlich für alternative Szenarien der Energieerzeugung, sofern sie das Potential haben, die Nutzung chemischer Energieträger tatsächlich zu überwinden.

Ein mittlerweile emeritierter Physikprofessor aus Frankfurt, Horst Schmidt-Böcking, hat gemeinsam mit Dr. Gerhard Luther von der Universität Saarbrücken ein Konzept entworfen, das auf Windenergie und speziellen Speichern besteht und die gesamte deutsche Volkswirtschaft mit Energie versorgen soll.  Die Windenergie soll nicht an Land, sondern im Nordatlantik erzeugt werden, wo ihren Angaben nach über 5.000 Volllaststunden geerntet werden können (2) .  Da das Jahr 8.760 Stunden hat, sind das also über die Hälfte des Jahres.  Im Gegensatz dazu erzeugen Windkraftanlagen an Land in Deutschland nur um die 1.500 Volllaststunden jährlich und in Nord- und Ostsee etwa das Doppelte.  Viele Windenergieanlagen würden zusammen auf riesigen Flößen verankert werden, die knapp unterhalb der Meeresoberfläche schwimmen und den Wellen weniger Widerstand entgegenbringen als Schiffe.  Die Flöße würden mit verstellbaren Kielen und Segeln ausgestattet, so dass sie GPS-überwacht ihre Position mittels Seitswärtsbewegungen ("Segeln gegen den Wind") ungefähr halten könnten.  Die Stöße durch Windböen und Wellen auf die Rotationsachse der Windturbinen müssten dynamisch ausgeglichen werden, was physikalisch durchaus möglich ist. 

Erste Prototypen hierfür haben bereits ihre Arbeit aufgenommen, beispielsweise der Hywind-Windpark vor der Küste Schottlands (3) .  Die einzelnen Windkraftanlagen von Hywind müssen am Meeresboden vertäut werden und die dort verwendete Technik eignet sich daher nur für eine Meerestiefe von bis zu 800 Metern.  Auf den Ozeanen ist eine Vertäuung am Boden wegen der großen Kräfte technologisch derzeit nicht möglich, aber eine dynamische Fixierung in einem kleineren Radius mit Hilfe von Segeln durchaus denkbar.

Dieser Teil von Schmidt-Böckings und Luthers Idee, der Windkraftnutzung inmitten des Atlantiks, ist also in Teilen bereits in Entwicklung, erfordert allerdings noch einige Jahrzehnte der Grundlagenforschung an den wesentlichen Komponenten.  Die Anbindung der Ozean-Windparks an die Netze an Land müsste mit extrem leistungsfähigen Seekabeln erfolgen.  Auch eine solche Technologie gibt es heute bereits und sie müsste nur weiterentwickelt werden.

Da es auch im Nordatlantik Flauten geben kann, ist es notwendig, die Windparks in den Weiten des Ozeans zu verteilen, und einen Teil der erzeugten Energie zwischenzuspeichern, damit sie in den Flautenzeiten abgerufen werden kann.  Für die Speicherung der Energie schlagen Schmidt-Böcking und Luther vor, Betonhohlkugeln am Meeresboden zu versenken.  In Zeiten von Energieüberschüssen würden Pumpen am Meeresboden das Wasser aus den Hohlkugeln herauspumpen.  Wird Energie benötigt, wird Meerwasser über eine Turbine geleitet und in die Hohlkugel eingelassen.  Im Prinzip handelt es sich hier also um ein Pumpspeicherkraftwerk (4) .  Der Prototyp eines solchen Kugelspeichers wurde im Bodensee bereits erfolgreich getestet, nachdem Schmidt-Böckings und Luthers Idee von einer Baufirma und dem Kasseler Fraunhofer-Institut IWES aufgegriffen wurde.  Das Projekt unter dem Namen "Stensea" ("Stored Energy in the Sea") wurde jüngst auch mit dem German Renewables Award 2017 ausgezeichnet.

Abgesehen von den extrem hohen Drücken von rund 400 bar am Ozeanboden, der im Mittel ca. 4.000 Meter tief ist, wo wohl nur Robotertauchschiffe zum Einsatz kommen werden, eignet sich der Ozeanboden gut für Pumpspeicher.  In solch großer Wassertiefe gibt es so gut wie keinen Sauerstoff im Wasser und damit kaum Organismen, die dort überleben können.  Das Meerwasser ist auch nicht so korrosiv wie an der Oberfläche, was die Lebensdauer der verwendeten Materialien (Beton, Rohre, Pumpen, Turbinen, Elektrik etc.) erhöht.

Spitzen wir also den Bleistift und rechnen ein solch großes Projekt einmal durch.

  • Wie viele Windkraftanlagen benötigt man für die Erzeugung von ca. 3.000 Terawattstunden, die nach vollständiger Elektrifizierung aller Sektoren in Deutschland mindestens benötigt werden?  Auf hoher See werden durch technische Ausfälle nicht die vollen 5.000 Volllaststunden produziert werden können.  Andererseits würden mehrere große Windparks über den Ozean verteilt werden, um durch räumlichen Ausgleich die Volllaststunden wieder nach oben zu treiben, daher sollten 5.000 Stunden jährlich im Mittel erreichbar sein.  Um 3.000 Terawattstunden jährlich ernten zu können, benötigte es also Windkraftanlagen im Umfang von 600 Gigawatt.  In fernerer Zukunft dürften Anlagen mit ca. 10 Megawatt gebaut werden können, wir sprechen also von ca. 60.000 Windkraftanlagen dieser Größe.  Da es derzeit alleine in Deutschland ca. 30.000 Windkraftanlagen, ist das eine erreichbare Größenordnung.
  • Für die Speicherdimensionierung müssen wir ein paar Annahmen treffen, die allerdings noch zu überprüfen wären.  Wenn die längste Flaute nur vier Tage lang wäre (an Land gibt es immer wieder Flauten von zwei Wochen Dauer), müsste Strom also über ca. 100 Stunden gespeichert werden.  Bei 600 Gigawatt entspricht dies einem Speicher von 60 Terawattstunden.  Nehmen wir zusätzlich an, dass die Betonhohlkugeln in 4.000 Metern Meerestiefe versenkt würden, dann hat ein Kubikmeter Hohlraum eine Speicherenergie von ca. 10 Kilowattstunden (5) .  Insgesamt werden für 60 Terawattstunden Speicherkapazität also etwa 6 Milliarden Kubikmeter an Hohlraum benötigt.
  • Da die Betonhohlkugeln nicht aufschwimmen sollen, wenn sie leergepumpt sind, müssen sie mindestens so schwer sein wie das verdrängte Wasser.  Es müssen also ca. 1,5 Tonnen Beton je Kubikmeter Hohlraum zum Einsatz kommen.  Dies entspricht insgesamt einer Betonmenge von 9 Milliarden Tonnen oder ca. 4 Milliarden Kubikmeter.
  • Der Flächenverbrauch im Ozean dürfte bei höchstens 50.000 Quadratkilometer liegen.  Dies ist viel, aber wenig im Verhältnis zur Gesamtfläche der Ozeane, die sich in Millionen Quadratkilometer misst.  Schiffe fahren nur selten durch den Nordatlantik und würden durch die Windparks nicht behindert, Vögel würden ebenfalls nicht gestört.
  • Die Kosten der Gesamtanlage lassen sich lassen sich anhand bekannter Erfahrungswerte auf 2.500 bis 3.000 Milliarden Euro oder 2,5 – 3,0 Billionen Euro abschätzen.
    • Die Windkraftanlagen werden auf See in der Größenordnung perspektivisch zwei Euro je Watt kosten.  Noch sind die Kosten höher, aber Forschung und Skaleneffekte werden für reduzierte Preise sorgen.  Für eine Anlage mit 10 Megawatt sind dies also 20 Millionen Euro und für alle 60.000 Anlagen 1.200 Milliarden Euro.
    • Die Speicher benötigen eine Leistung von ca. 600 Gigawatt.  Für Turbinen und anderes elektromechanisches Equipment inklusive Kapselung gegen den hohen Meeresdruck sollten nach Erfahrungen aus dem Wasserkraftanlagenbau etwa ein Euro pro Watt Leistung gerechnet werden, hinzu kommen also hierfür mindestens 600 Milliarden Euro.
    • Die Betonkugeln müssen an Land hergestellt werden.  Beton alleine kostet ab Werk etwa 60 Euro je Kubikmeter, mit dessen Verarbeitung also mindestens 75 Euro je Kubikmeter.  Hinzu kommen also nochmals über 300 Milliarden Euro.
    • Für die elektrische Anbindung der Anlagen ans Land, Verankerung am Ozeanboden, Planung und Entwicklung usw. sind die Kosten nur schwer abzuschätzen.  Erfahrungswerte liegen aus anderen Großprojekten vor.  So liegen Planungskosten in der Regel bei etwa einem Zehntel der Bausumme von bislang hochgerechnet 2.400 Milliarden Euro.  Viel Geld wird in die Entwicklung der Komponenten, der Robotertauchschiffe, der Produktions- und Transportkapazitäten, der Leitungsanbindung usw. fließen.  Ein Schätzwert von 400 Milliarden Euro erscheint nicht zu hoch gegriffen.

Es ist klar, dass ein solches Projekt nur über viele Jahrzehnte zu realisieren ist.  Ist es aber denkbar?

Die Kosten von bis zu 3 Billionen Euro liegen bei einem jährlichen Bruttosozialprodukt Deutschlands.  Oder etwa dem Dreifachen der Kosten einer Energieversorgung mit heutigen Technologien auf Basis der chemischen Energieträger Kohle, Öl und Gas.  Das ist aber noch im Bereich des Machbaren, wenn die Ausgaben über beispielsweise 50 Jahre gestreckt werden.  Das Apollo-Programm der USA verschlang über ein Jahrzehnt ein knappes Prozent des damaligen Bruttosozialprodukts und hatte durchaus stimulierende Wirkung auf die US-amerikanische Volkswirtschaft.

Ein größeres Problem ergibt sich aus der benötigten Menge an Beton.  Die ca. 9 Milliarden Tonnen entsprechen der 15-fachen Jahresproduktion von ganz Europa (ca. 600 Milliarden Tonnen Beton, aus ca. 250 Millionen Tonnen an Zement (6) ).  Die europäischen Produktionskapazitäten für Beton müssten also deutlich erhöht werden, wenn über 50 Jahre 180 Millionen Tonnen an Beton zusätzlich erzeugt werden sollten – für die Energieversorgung eines einzelnen Landes der EU, wohlgemerkt.  Wenn die anderen EU-Länder mitzögen, wäre eine Vervielfachung der Betonproduktion umzusetzen.  Ob das überhaupt realistisch ist und die benötigten Ausgangsmaterialien wie Sand/Kies und Zement in der notwendigen Menge herbeigeschafft werden können, konnten wir bislang nicht überprüfen.  Der zusätzliche Energieverbrauch für Deutschland betrüge in etwa 23 Terawattstunden jährlich und die zusätzliche CO2-Belastung 18 Millionen Tonnen jährlich über fünfzig Jahre.

Der Bedarf an Beton hängt im Wesentlichen von der Größe der Speicher ab.  Umfangreiche und detaillierte Studien gerade über die Wetterbedingungen im Nordatlantik wären also enorm wichtig, um beim Speicherbedarf am Ende nicht um ein Vielfaches danebenzuliegen (7) .  Entlastend könnte wirken, dass nur ein Teil des Betons für die Statik benötigt wird, ein anderer Teil als Ballastmasse.  Letzteren Teil könnte man durch Schottersteine ersetzen, was aber noch von Bauingenieuren im Detail durchgerechnet und auf Dauerhaftigkeit beurteilt werden muss.

Das Gesamtprojekt erscheint aus heutiger Sicht kaum realisierbar.  Da wir aber derzeit nur wenige Ideen haben, wie die künftige Energieversorgung so gebaut werden könnte, dass sie die chemischen Energieträger ersetzen kann, ist es einen Versuch wert, die Idee durchzukalkulieren.  So viel lässt sich bereits heute sagen:  Die Entwicklung der notwendigen Technologien und der Aufbau der Infrastruktur, um überhaupt mit der Realisierung beginnen zu können, werden mehrere Jahrzehnte in Anspruch nehmen.  Wenn die Bauzeit danach aus Kapazitätsgründen auf fünfzig Jahre gestreckt wird, ist mit einer Fertigstellung bis zum Ende des Jahrhunderts zu rechnen.  Eine wesentliche Entlastung in den klimapolitischen Diskussionen wird die Idee also nicht ermöglichen.  Bis dahin wird aber auch die Kernfusion marktreif und voraussichtlich ein preisgünstiger Wettbewerber sein.  So bestechend die Idee einer Energieversorgung aus dem Nordatlantik auf den ersten Blick erscheint, so unwahrscheinlich ist es, dass künftige Generationen sie ernsthaft verfolgen werden.

(1) Eine Terawattstunde sind eine Milliarde Kilowattstunden.  Der Verbrauch eines Haushalts liegt bei ca. 3.000 Kilowattstunden jährlich (ohne Heizbedarf; Quelle: BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft, 2016).

(2)Wir haben diese Angabe nicht überprüft, könnten damit aber beispielsweise das energiewirtschaftliche Forschungs- und Beratungsinstitut Peters Coll. beauftragen, welches einen Wetterdatensatz aufgebaut hat, der 18 Kalenderjahre umspannt und das fragliche Seegebiet zum Teil einschließt.

(3)Bei Hywind handelt es sich um konventionelle Windkraftanlagen, die fest mit einer schwimmenden Struktur verbunden sind.  Das ist problematisch, weil Winddruck die Rotationsachse des Windrotors zum Kippen zu bringen versucht, was deren Lager auf lange Sicht nicht verzeihen werden.  Schmidt-Böcking und Luther denken eher an dynamische Stabilisierung, also eine Mechanik, die die Richtung der Rotationsachse unbeeinflusst lässt.

(4) Pumpspeicherkraftwerke pumpen mit "überschüssigem" Strom Wasser von einem Talsee hoch zu einem Bergsee. Wenn Strom benötigt wird, wird Wasser über Turbinen wieder heruntergelassen. Die Seen werden in der Regel künstlich angelegt.

(5) Ca. 39 Megajoule bzw. 10,9 kWh.  Die Formel ist Masse (1000 kg) x Tiefe (4.000 Meter) x Erdbeschleunigung (knapp 10 Meter pro Sekunde zum Quadrat).  Verluste müssen abgezogen werden, daher rechnen wir mit runden 10 kWh.

(6)Vgl. vdz – Verein Deutscher Zementwerke, 2017

(7)Vgl. hierzu auch Kolumne Nr. 18 in "Die Energiefrage" über Speicherdimensionierung für ein Szenario der Vollversorgung aus Sonne und Wind an Land.

 

11. Dezember 2017

Dr. Björn Peters

Peters beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dem Energiesektor in Zeiten der Energiewende unter wissenschaftlichen, volks- und betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten. Er ist Inhaber der Unternehmens- und Politikberatung Peters Coll.