Geht der Energiewende das Metall aus?

geschrieben von Admin | 24. April 2022

Kupfer, Nickel, Zinn, Lithium: Den begrenzenden Faktor der metallenen Rohstoffe scheint bei dem grünen Jahrhundertprojekt kaum ein Politiker auf dem Schirm zu haben.

Von Walter Naggl.

Der Versuch, CO2-Ziele weltweit allein auf der Basis von Windkraft und Sonne zu erreichen, muss scheitern, weil die dafür erforderlichen Metalle bei weitem nicht verfügbar sind. Bereits jetzt ist eine noch nie dagewesene Verknappung der „grünen“ Metalle erkennbar.

„Avanti Dilettanti!“ verspotteten die Grünen in den 1980er Jahren ihre Gegner in den etablierten Parteien. „Avanti, voran!“ gehört heute zum Grundwortschatz grüner Politiker. Deutschland geht mit XY voran, heißt es immer dann, wenn eine Erklärung für das Ausscheren aus dem ansonsten sakrosankten gemeinsamen EU-Weg gesucht wird. Vorangehen suggeriert Fortschritt, und wer wollte sich dem Fortschritt entgegenstellen?

Deutschland geht nun voran beim gleichzeitigen Ausstieg aus Atomenergie und fossilen Brennstoffen und macht Tempo beim Umbau zur Elektrifizierung der Energieversorgung auf der Basis von Wind und Sonne. Die Vereinbarungen des Pariser Klimaabkommens – weltweiter Abbau der CO2-Emissionen um 45 Prozent bis 2030 und Nullemissionen bis 2050 – wird man damit nicht erreichen, so oder so.

Im hypothetischen Fall, dass der Rest der Welt dem deutschen Beispiel folgt, wäre ein Scheitern wegen der Metallintensität dieses Ansatzes vorprogrammiert. Energiegewinnung durch Wind und Sonne erfordert im Vergleich zu Öl und Kohle einen sehr viel höheren Einsatz von Metallen. Diese stehen bei weitem nicht im ausreichenden Maß zur Verfügung.

Tatsächlich ist es aber so, dass vor allem Asien mit rund 50 Prozent Anteil an den weltweiten CO2-Emissionen dem deutschen Beispiel nicht folgen will. China und Indien bauen Wind- und Sonnenenergie aus, aber eben auch Kohlekraftwerke. Die Sicherheit der Energieversorgung hat in China Vorrang vor den Klimazielen.

Welches Metall braucht man wofür?

Windkraft und Solarenergie sowie die Elektrifizierung des Verkehrs- und Transportwesens erfordern im Vergleich zu einer fossilen Wirtschaft einen sehr viel höheren Einsatz von Kupfer, Aluminium, Zinn, Nickel, Lithium, Kobalt und Graphit sowie seltene Erden. Kupfer geht in den Motor und die Batterie von Elektroautos ein. E-Autos enthalten im Schnitt rund 85 Kilogramm Kupfer – oder drei- bis viermal so viel wie Verbrenner. Kupfer wird für die Ladevorrichtung von E-Autos gebraucht, für die Infrastruktur von Windanlagen und für Windkraftanlagen selber. Windturbinen auf hoher See enthalten rund 50 Tonnen Kupfer. Ferner braucht man Nickel, Lithium und das Halbmetall Graphit für Batterien und ggf. Kobalt, um diese leistungsfähiger zu machen. Aluminium braucht man für die Fassungen von Solarpaneelen, Zinn für die Verlötung.

Die Internationale Energieagentur IEA erwartet für den Fall, dass alle Länder ihre bisherigen Zusagen zur Reduzierung von CO2 einhalten (Basisszenario), bis 2050 einen Anstieg des weltweiten Kupferverbrauchs um 14 Millionen Tonnen oder 60 Prozent. Der Bedarf von Metallen, die für den Umbau in eine grüne Wirtschaft wesentlich sind, soll sich in diesem Szenario insgesamt verdreifachen. Im Nullemissions-Szenario soll er auf das Sechsfache steigen. Die IEA erwartet im Nullemissions-Szenario ferner einen gegenüber heute hundertfachen Bedarf an Lithium und eine massive Steigerung der Nachfrage nach Nickel und Kobalt. (Vgl. World Energy Outlook 2021, WEO, Seite 271f).

Im „World Energy Outlook“ (WEO), der weltweit so etwas wie die Bibel des Umbaus in eine grüne Welt darstellt, geht die IEA an dieser Stelle auch auf Probleme bei der Umsetzung ein, nämlich Erschöpfung der vorhandenen Lagerstätten, lange Vorlaufzeiten für neue Minen oder zunehmender Widerstand gegen den Abbau von Rohstoffen.

Wood Mackenzie, das weltweit führende Beratungsinstitut auf dem Rohstoffsektor, zieht eine drastische Schlussfolgerung: „Why base metals should be high on the agenda – The energy transition can’t happen without them, but meeting demand could be mission impossible.“ („Warum Basismetalle ganz oben auf der Agenda stehen sollten – Die Energiewende ist ohne sie nicht zu schaffen, aber die Deckung der Nachfrage könnte eine unmögliche Aufgabe sein.“). Die Investment-Bank Goldman Sachs kommt zur selben Einschätzung: „Goldman believes the copper market has just two years of primary production growth left.“ („Goldman geht davon aus, dass der Kupfermarkt nur noch zwei Jahre lang ein Wachstum der Primärproduktion verzeichnen kann.“)

Was sind die Hintergründe für die Bedenken der IEA und die negativen Schlussfolgerungen von Wood Mackenzie und Goldman Sachs? Im Mittel haben die großen Kupferminen der Welt ein stolzes Alter von knapp hundert Jahren erreicht. 1928 ist der Durchschnitt über alle Jahre der Entdeckung der 20 weltweit größten Kupferminen. Die größte amerikanische Kupfermine, Morenci, geht auf das Jahr 1870 zurück. Die mit einer Produktion von 1 Million Tonnen Kupfer pro Jahr größte Mine der Welt, La Escondida in Chile, wurde 1981 entdeckt und ist damit vergleichsweise jung. Da üblicherweise das Gestein mit dem höchsten Metallgehalt zuerst ausgebeutet wird, nimmt entsprechend dem Alter der Minen der Kupfergehalt des Gesteins immer weiter ab. Die US-Bank Goehring & Rozencwajg schätzt, dass derzeit im weltweiten Mittel Gestein bis zu einem Kupfergehalt von 0,25 Prozent abgebaut wird. Vor 15 Jahren war der sogenannte „cut-off grade“ noch bei 0,4 Prozent, während heute ein Gehalt von 0,4 Prozent als recht gut angesehen wird.

Bis zum „cut-off grade“ lohnt es sich, Kupfer abzubauen. Steigt der Kupferpreis, wie das aktuell der Fall ist, so lohnt es, Gestein mit einem noch niedrigeren Metallgehalt abzubauen, d.h. die Reserven der Minengesellschaften steigen automatisch auch an. Das klingt nach einem sich selbst regulierenden Prozess, hat aber einen Haken.

Die immense politische Bedeutung des Rohstoff-Abbaus für die Entwicklungsländer

Die nachlassende Ergiebigkeit im Kupferbergbau verstärkt den Widerstand gegen den Abbau. Ein Rückgang des „cut-off grade“ von 0,4 Prozent auf 0,25 Prozent scheint zunächst harmlos. Er bedeutet aber, dass für jede Tonne Kupfer nun 400 Tonnen Gestein abgebaut werden müssen, statt 250 Tonnen. Dabei kommen auch unerwünschte Giftstoffe wie Arsen oder Quecksilber ans Tageslicht und verunreinigen Gewässer und die Luft.

Der Widerstand gegen den Abbau metallischer Rohstoffe wächst weltweit und hat z.B. in Chile und Peru linksgerichtete Regierungen an die Macht gebracht, welche das bisherige liberale Wirtschaftsmodell infrage stellen. Investitionen in Minen erfordern jedoch Milliardenbeträge und Planungssicherheit über Jahrzehnte. Ist diese Sicherheit nicht gegeben, dann wird entsprechend weniger oder gar nicht investiert.

In Serbien haben Umweltverbände die Regierung gerade gezwungen die Konzession für den Abbau von Lithium in Jadar wieder zurückzunehmen. Die Umweltverbände streben nun ein Gesetz an, wonach der Lithiumabbau dort generell verboten werden soll. Jadar sollte einmal die größte Lithiummine Europas werden. Auch in den USA wollen die Behörden die Bevölkerung in den betroffenen Gebieten nicht gegen sich aufbringen. Anforderungen für den Abbau von Metallen werden verschärft, und Planungs- und Genehmigungsverfahren bleiben im Behördendschungel über Jahre hängen oder werden beerdigt.

Goldman Sachs gibt eine sehr genaue Prognose über das zu erwartende Angebot bei Kupfer ab. In diesem und im nächsten Jahr soll es noch steigen, und danach erwartet man keinen weiteren Anstieg mehr. Zufällig nehmen große Minen wie Quellaveco in Peru oder Kamoa-Kakula im Kongo nun Fahrt auf, danach ist nicht mehr viel zu erwarten. Das lässt sich deshalb relativ sicher sagen, weil große Minen eine lange Vorlaufzeit von der Entdeckung bis zur Evaluierung, Planung und Genehmigung bis zum ersten Spatenstich, Errichtung, Produktionsbeginn und schließlich voller Produktion haben. Kamoa-Kakula, z.B., wurde 2004 entdeckt und ging letztes Jahr mit 240.000 Tonnen in Produktion. Für dieses Jahr wird eine Verdopplung der Produktion erwartet und für 2028 die maximale Produktion von 800.000 Tonnen jährlich.

Nur erwähnt sei an dieser Stelle noch, dass die Weiterverarbeitung der metallischen Rohstoffe zum fertigen Industrieprodukt im Wesentlichen in China erfolgt, nämlich zu 35 Prozent bei Nickel, 40 Prozent bei Kupfer, 58 Prozent bei Lithium, 65 Prozent bei Kobalt und 87 Prozent bei seltenen Erden, welche für die Magnetisierung der Windturbinen benötigt werden. Die Welt ist bei der Elektrifizierung also abhängig von China.

Aluminium erfordert zu viel Strom

Als Fazit lässt sich feststellen, dass der versuchte Umbau in eine grüne Wirtschaft zu einem hohen Defizit beim Angebot von Kupfer gegenüber der zu erwartenden Nachfrage führen wird. Dies gilt mit gewissen Nuancen auch für die übrigen grünen Metalle. (Kupfer wurde hier exemplarisch behandelt, da es wegen seiner hohen Leitfähigkeit für elektrischen Strom im Mittelpunkt der Elektrifizierung steht.) Das britische Bergbauunternehmen Rio Tinto, z.B., schätzt, dass die Elektromobilität 60 Minen in der Größe von Jadar erfordert. Auch der Ersatz von Kupfer durch das weniger leitfähige Aluminium bietet im Übrigen keinen Ausweg, da Aluminium einen hohen Einsatz von elektrischem Strom bei seiner Herstellung erfordert, und der ist inzwischen sehr teuer. Aluminium, das auch als Elektrizität in fester Form bezeichnet wird, hat darüber hinaus eine kontraproduktive CO2-Bilanz.

Die Defizite bei den grünen Metallen lassen sich bereits jetzt beobachten. Die Preise für Kupfer, Aluminium, Lithium, Kobalt oder Nickel sind seit Ende 2021 an oder nahe ihren historischen Höchstständen. Der Preis für batteriefähiges Lithium-Karbonat hat sich allein seit Juli letzten Jahres verfünffacht. Die Kupfervorräte an den Metallbörsen der Welt sind so niedrig wie nie.

Der Preisanstieg bei den grünen Metallen wirkt sich nun auch bei den Endprodukten der Elektrifizierung aus. Batterien, die infolge des technischen Fortschritts und der Massenproduktion Jahr für Jahr billiger und damit konkurrenzfähiger wurden, werden wieder teurer. In China stehen infolgedessen zweistellige Preissteigerungen für E-Autos bevor. Würde nun die ganze Welt versuchen die Ziele der CO2-Reduzierung um 45 Prozent bis 2030 und 100 Prozent bis 2050 zu erreichen, so käme es nicht nur zu exorbitanten Preissteigerungen und Rationierung bei den grünen Metallen, sondern eben auch bei Photovoltaik, Windturbinen und E-Autos. Die Welt kann und wird diesen Weg nicht gehen. Das wird sofort klar, wenn man die Ausgangslage berücksichtigt:

Großzügig gerechnet, machten im Jahr 2020 die Windkraft drei Prozent und Photovoltaik ein Prozent an der weltweiten Primärenergieerzeugung aus. Die deutsche Politik kann es noch länger versuchen, auf Wind und Sonne zu setzen – zu einem hohen Preis, nämlich der Verarmung breiter Schichten. Da der Beitrag Deutschlands zur weltweiten CO2-Emission weniger als 2 Prozent ist, spielt es für den weltweiten Pfad der Emissionen nur eine minimale Rolle, was hier passiert. Auf Asien mit seinem Beitrag von rund 50 Prozent kommt es an. Dort wird man weder eine exorbitante Verteuerung der Energie in Kauf nehmen noch eine Beeinträchtigung der Versorgungssicherheit, so sie überhaupt schon erreicht ist. Stromausfall will man dort nicht, das hat man schon gehabt. Präsident Xi hat erst jüngst noch einmal klargestellt, dass sichere Energieversorgung Vorrang vor dem Ziel der Verringerung des CO2-Ausstoßes hat.

China fördert 40-mal so viel Kohle wie Deutschland

Als sich im Herbst letzten Jahres die weltweite Energieverknappung abzeichnete, gab Xi Anweisung, die Kohleproduktion im Land auf das maximal Mögliche zu steigern und weltweit zu jedem Preis Kohle, Erdgas und Öl zu kaufen. Die chinesische Kohleproduktion stieg demzufolge in den ersten beiden Monaten dieses Jahres um 10 Prozent und wird damit mehr als 4 Milliarden Tonnen jährlich erreichen.

Deutschland zum Vergleich: 100 Millionen Tonnen. Allein der Produktionszuwachs in China in diesem Jahr ist also das Vierfache der gesamten deutschen Kohleerzeugung!

Indien ist wie China ganz wesentlich auf Kohle als Energieträger angewiesen. Kohle macht 70 Prozent der Stromproduktion aus. Als die Kohlevorräte der großen Stromerzeuger im September letzten Jahres auf den Bedarf weniger Tage schrumpften, war somit die Versorgungssicherheit des Landes aufs Höchste gefährdet. Das hat zu einem drastischen Schritt geführt: Indien plant die Kohleproduktion von 690 Millionen Tonnen, die im Fiskaljahr 2020/21 erreicht wurden, bis zum Fiskaljahr 2023/24 auf 1,2 Mrd. Tonnen bzw. um 75 Prozent zu steigern. Damit will man Importe in Höhe von 200 Millionen Tonnen ersetzen sowie die Sicherheit der Energieversorgung gewährleisten.

Asien ist also nicht bereit, seine Versorgungssicherheit zugunsten von CO2-Zielen zu gefährden. Den überstürzten Ausstieg aus der Kernenergie in Deutschland sieht man als mitverantwortlich für die weltweite Energieverknappung Ende letzten Jahres. Was leuchtendes Vorbild sein sollte, wurde zum abschreckenden Beispiel.

(Diese Ausführungen sind keine Kaufempfehlung für die angesprochenen Metalle. Preise können wegen Konjunktureinbrüchen, Platzen der Immobilienblase in China oder aus anderen unvorhersehbaren Gründen fallen.)

Dr. Walter Naggl hat an der Universität München zum Thema ifo-Umfragen promoviert und auf dem Gebiet der Wechselkurse habilitiert. Nach zehnjähriger Tätigkeit bei einer Bank war er 20 Jahre selbstständig auf dem Gebiet der Vermögensanlage für Versicherungen tätig.

Der Beitrag erschien zuerst bei ACHGUT hier

Sagte Greta gerade, es gäbe keine Klimakrise? MSNBC-Video….

geschrieben von AR Göhring | 24. April 2022

Kurze Zwischenmeldung zum Schmunzeln: Watts up with that WUWT zeigt einen Videoausschnitt von MSNBC, in dem Greta Thunberg offenbar sagt, es gäbe keine Klimakrise („Since the climate crisis doesn’t exist, …“). Versprecher? Falscher Zungenschlag? Freudsche Fehlleistung? Urteilen Sie selbst:

Ein Versprecher der Puppe. Hat sie das wirklich gerade gesagt? Hump Day Heiterkeit

Wieviel kostet die CO2-Neutralität? – Energiejournal 5

geschrieben von AR Göhring | 24. April 2022

Das Energiejournal informiert über Neuigkeiten aus den Bereichen Energie und Rohstoffe.

Themen der 5. Ausgabe: 0:00 Begrüßung 0:24 Kleine Photovoltaik-Anlagen gefährden die Netzstabilität 1:47 Wieviel kostet eine CO2-neutrale Schweiz? 9:23 Gefährliche Abhängigkeit von Graphit-Lieferungen aus China

Windenergie-Ausbau : Ein grünes „Osterpaket“ )*

geschrieben von Klaus-eckart Puls | 24. April 2022

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DAGMAR JESTRZEMSKI (Red. PAZ)*

Wie Minister Robert Habeck den Naturschutz aufweicht –

Umweltschützer schlagen Alarm

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Am 4. April stellten Wirt-schaftsminister Robert Habeck und Umweltministerin Steffi Lemke ihr „Eckpunkte-Papier zur Beschleunigung des naturver-träglichen Windenergieausbaus an Land“ vor. Es umfasst Maßnahmen der als „Osterpaket“ bezeichneten energiepolitischen Gesetzesnovelle mit 56 Einzelgesetzen. Umweltschützer hatten erwartet, dass die Regierung die gegenwärtige Energiekrise nutzen würde, um mit ihren Plänen für einen beschleunigten Ausbau der sogenannten Erneuerbaren Energien an die Öffentlichkeit zu treten. Mithilfe des „Osterpakets“ will die Regierung ihre vorgezogenen Ausbauziele der Wind- und Solarenergie vorantreiben, damit Deutschland unabhängiger von russischen Energieimporten werde, wie es heißt. Allerdings ist Deutschland bei der Energiewende und insbesondere beim Bau von Windkraftanlagen auf große Mengen an weltweit stark nachgefragten Metallen angewiesen, darunter Palladium, Nickel und Chrom, die zu einem größeren Teil aus Russland importiert werden und sich bereits erheblich verteuert haben. Inhaltlich zielt das Eckpunktepapier darauf ab, die „Artenschutz-fachliche Prüfung für Windenergie-Anlagen an Land zu vereinfachen und effizienter zu gestalten“. Der veränderte, rein technokratische Umgang mit dem Tötungsverbot der Vogelschutzrichtlinie und des Bundesnaturschutzgesetzes basiert auf bundesweit einheitlichen Standards zur Genehmigung von Windrädern nur mit Blick auf die Gefährdung von bestimmten Brutvogelarten, für die Windräder eine Kollisionsgefahr darstellen.

Rohstoffimport aus Russland

Rastende und durchziehende Vögel sind nicht berücksichtigt, ebenso wie die über-wiegend stark gefährdeten Fledermäuse. Zudem sollen Windparks künftig auch in Landschaftsschutzgebieten erlaubt sein. Damit ist das Tötungsverbot de facto ab-geschafft, während Windpark-Projek-tierer in Rechtsverfahren gegenüber klagenden Naturschutzverbänden ungemein begünstigt werden. Naturschutzverbände reagierten ent-setzt. Die Naturschutzinitiative (NI) kritisiert das Eckpunktepapier scharf als eine „Schwächung des Naturschutzes von historischer Tragweite“. Es missachte das „Helgoländer Papier“ der Arbeitsgemeinschaft aller staatlichen Vogelschutzwarten sowie die Erkenntnisse der aktuellen faunistischen Feldforschung, betonte der Biologe Wolfgang Epple, wissenschaftlicher Beirat der NI. Der Schutz der Arten vor dem Eindringen der Windkraft in ihre Habitate sei damit abgeschafft. 500 Meter Abstand zu einem Seeadlerhorst seien ein Skandal, ebenso wie das Ignorieren von Arten, die zu Allerweltsarten erklärt wer-den. Windkraftsensible Arten wie Mäusebussard, Waldschnepfe oder Auerhuhn seien in der Liste mit Tabu- und Prüfbereichen für Brutplätze kollisionsgefährdeter Vogelarten gar nicht aufgeführt. Auch das Gesetz zur Änderung des Windenergie-auf-See-Gesetzes ist ein zentrales Teilstück des „Osterpakets“. Bereits jetzt sind in der Nord- und Ostsee große Bereiche mit Offshore-Installationen bebaut. Eine im Februar im Fachmedium „Frontiers in Marine Science“ veröffentlichte Studie des Helmholtz Instituts Hereon für Küstenforschung in Geesthacht über den Einfluss von Off-shore-Windparks auf die Ozeandynamik beschreibt schwerwiegende Auswirkungen auf die marine Umwelt.

Windkraft verändert Atmosphäre

Der Vorstoß der Regierung zielt dessen ungeachtet auf einen beschleunigten Ausbau der Offshore-Windenergie ab. Die Helmholtz-Studie fand heraus, dass die turbulenten Wirbelschleppen der Wind-räder den strömungsgetriebenen Aus-tausch zwischen Atmosphäre und Wasser verändern. Die Schichtung des Wassers wird stabiler und es verschieben sich Temperatur und Salzgehalt. Folglich ist die Planktonproduktion reduziert, was die gesamte marine Nahrungskette betrifft. Davon können auch Schutzgebiete beeinflusst werden. Aufgrund der jetzt bekannten, weitreichenden strukturellen Veränderungen im System durch Offshore-Windparks wäre es Aufgabe der Wissenschaftler, von der Politik ein Windkraft-Moratorium einzufor-dern. Doch das geschieht nicht, da die Verknüpfung von Politik, Wissenschaft und Wirtschaft hinsichtlich des Ausbaus der Erneuerbaren Energien unauflöslich vollzogen zu sein scheint.

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)* Anmerkung der EIKE-Redaktion :

Dieser Aufsatz ist zuerst erschienen in der Preußischen Allgemeinen Zeitung; 14. April 2022, S.4 ; EIKE dankt der PAZ-Redaktion sowie der Autorin Dagmar Jestrzemski für die Gestattung der ungekürzten Übernahme, wie schon bei früheren Artikeln : https://www.preussische-allgemeine.de/ ; Hervorhebungen im Text: EIKE-Redaktion.

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Energie aus Wind und Sonne und der zweite H.s. der Thermodynamik

geschrieben von Andreas Demmig | 24. April 2022

Kevin Kilty

In den letzten Tagen habe ich einiges an Lektüre in der wissenschaftlichen Literatur nachgeholt, die routinemäßig in meinem Postfach oder Posteingang auftaucht. Überraschend viel dreht sich in letzter Zeit um Energiespeicherung. Es scheint, dass das Speicherproblem fast überall erkannt, aber wie üblich nicht allgemein verstanden wird. Wenn ich einen Artikel voller Enthusiasmus über einen neuen Durchbruch lese, beschränkt sich die Beschreibung meist nur darauf, was für ein Durchbruch diese spezielle Idee sei. Auf Details, wie eine solche Anwendung sich in ein funktionierendes System einfügt, wird nicht eingegangen. Es nützt wenig, wenn eine neue Technologie neue Belastungen für das System mit sich bringt, in dem sie funktionieren muss – das ist ein Manko der sogenannten Erneuerbaren im Netz. Sie können einem Liefernetzwerk Energie hinzufügen, aber sie können nicht willkürlich angefordert werden und tragen nichts zur Spannungs-/Frequenzunterstützung bei. Die Last der Systemstabilität wird auf andere Teile des Systems abgelagert.

Zwei Achillesfersen

Immer wenn ich über ein neues oder verbessertes Schema zur Energiespeicherung lese, denke ich über zwei Dinge nach. Dies sind zwei allgegenwärtige Achillesfersen:

Welche Einschränkungen bringt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik mit sich und
welche anderen Einschränkungen würde seine Nützlichkeit im Stromnetz mindern?

Ich konzentriere mich auf den zweiten Hauptsatz. Der erste Hauptsatz bezieht sich nur auf die Energieeinsparung selbst, und aus dieser [Absicht] heraus, kommen kaum Beschränkungen des Energieverbrauchs oder tatsächliche Beschränkungen menschlicher Aktivitäten.[1]

Einige Definitionen

Verluste bei der Umwandlung von Energie in Arbeit, die durch den zweiten Hauptsatz auferlegt werden, werden als Irreversibilitäten bezeichnet, oder ein noch ausgefallenerer Begriff ist „Zerstörung von Exergie“. Das bedeutet, dass ein Teil der Energie, die in einem System umgewandelt wird, nicht zu nützlicher Arbeit beiträgt. Sinnvolle Arbeit ist immer und überall das Ziel. Dinge, die zu diesem Problem beitragen, sind also:

dass Wärme nicht zu 100 % in Arbeit umgewandelt werden kann;
chemische Reaktionen können nicht vollständig ablaufen und führen zu einer gewissen Menge ungeordneter Materialien;
dass hohe Temperaturen zum Wärmefluss in den toten Zustand[2] oder, wie Willis Eschenbach es nennt, zu parasitären Verlusten beitragen;
hohe Drücke tragen zu einem Verlust der mechanischen Energie bei, die verwendet wurde, um überhaupt einen hohen Druck zu erzeugen. Diese Arbeit geht auch in den toten Zustand;
lange Umwandlungsketten mit Verlusten bei jedem Schritt;
schnelle Umwandlungsraten.

Zu den Systemproblemen gehören:

unzureichende Mengen kritischer Materialien;
unzureichendes verfügbares Gelände;
Ressourcen an den falschen Orten, erfordern einen Ferntransport;
Forderungen nach unmöglichen Anstiegsgeschwindigkeiten (Probleme mit Zeitkonstanten);
Gewichts- und Volumenbeschränkungen;
unmögliche Anforderungen an die Zeitspanne und enorme Anforderungen an die Masse pro gespeicherter Energieeinheit; und
Komplexität.[3] u.s. Tabelle zeigt allgemeine Beispiele.

Allgemeine physikalische Kategorie von Energiespeichern	Beispiele	Systeme oder Beschränkungen des zweiten Gesetzes.
Kinetische Energie (KE)	Rotierende KE der Turbomaschine in einem Wärmekraftwerk	Als mechanische Energie steht sie zu 100 % zur Verfügung, unterliegt aber unterschiedlich starker Reibung. Schwere Systembeschränkungen, insbesondere Dauer.
Mechanische potenzielle Energie (PE)	Hochgepumptes Wasser Angehobene massive Blöcke.	Als mechanische Energie steht sie zu 100 % zur Verfügung, hat aber Reibungsverluste. Viele Systembeschränkungen, hauptsächlich in Bezug auf Masse/Gelände.
Wärmeenergie	Geschmolzene Salzreservoirs, heiße Steine, glühend heiße Metalle usw.	Verfügbarkeitsbeschränkungen folgen direkt aus dem zweiten Hauptsatz. Überhöhte Materialanforderungen. Parasitäre Verluste.
Chemische Energie[4]	Batterien, Wasserstoff oder Wasserstoffträger wie Ammoniak.	Viele Einschränkungen des zweiten Hauptsatzes aus dem chemischen Gleichgewicht und der Produktion ungeordneter Produkte. Viele Systembeschränkungen, wie exotisches Material.

Aktuelle Beispiele

Lassen Sie uns ein paar Beispiele aus meinen letzten Vorlesungen näher besprechen. Wie man Flugzeuge antreibt, ist ein echtes Problem, das es für Befürworter erneuerbarer Energien zu lösen gilt, vor allem, weil sie gerne zu entfernten Orten mit Gleichgesinnten fliegen, ohne an schlechtes Gewissen [Heuchelei] überhaupt zu denken.

Die Dezemberausgabe 2020 von Physics Today enthielt einen Artikel über die Verwendung von Wasserstoff zum Antrieb von Flugzeugen.[4] Die Systemprobleme mit Wasserstoff als Brennstoff beginnen damit, den Wasserstoff überhaupt herzustellen, zu speichern, zu transportieren und so weiter. Aber auch unter der Annahme einer verfügbaren Wasserstoffversorgung, sind Flugzeuge damit auch gewichts- und volumenbeschränkt. Ein Leser dieses Physics Today-Artikels[5] schrieb, dass Flugzeuge, die Wasserstoff [-Tanks unter hohem Druck] verwenden, durch die Einschränkung der verfügbaren Energiemenge, auf Kurzstrecken reduziert werden. So kurz, dass wir zum Stand des Lufttransports der 1930er Jahre zurückkehren würden.

Die Ausgabe von Physics Today vom September 2021 enthielt einen Artikel, der folgendermaßen begann:

„Experten sagen, dass Lithium-Ionen-Batterien für Energiespeicheranwendungen im Netzmaßstab von anderen Batterietechnologien und nichtchemischen Speichern überholt werden.“

Andere „Experten“ sagen etwas anderes. Eine seltsame Behauptung in diesem Artikel ist, dass Wasserstoff eine nicht-chemische Form der Speicherung ist. Da es keine Quellen für Wasserstoff gibt, ist die Chemie für seine Herstellung und Verwendung von zentraler Bedeutung.[6]

Noch aufschlussreicher ist die Darstellung des Künstlers eines Solarparks, der mit einem Schwerkraftspeicher gekoppelt ist [hochgezogene Gewichte], wie es von Energy Vault(™) vorgeschlagen wird. Der Speicher ist ein winziges Gebäude mit vier Stockwerken, das eher für Verwaltungsbüros geeignet ist. Es würde nur wenige Augenblicke [kinetischer] Energie speichern. Für die Probleme der Materialien [und Infrastruktur] bei der Handhabung von großen Gewichten scheint es nur wenig Aufmerksamkeit zu geben. Die Probleme bei der Durchführung von Gewichts-Massenspeicher habe ich hier vor einiger Zeit skizziert. Es gibt Einschränkungen bei der Anstiegsgeschwindigkeit um massive Blöcke zu einem Haufen gespeicherter Energie anheben oder Eisenbahnwaggons bergauf ziehen. Pumpwasserkraft ist eine bessere Methode zur Speicherung potenzieller Energie, aber in diesem Fall ist die Einschränkung des Systems der Mangel an verfügbarem Gelände und Probleme bei der Wassernutzung.[7]

Kürzlich kam das Inhaltsverzeichnis des Wissenschaftsmagazins in mein E-Mail-Postfach, das mir Zugang zu einer kurzen Zusammenfassung über thermische Energiespeicherung ermöglichte.[8] Thermische Energiespeichersysteme leiden allgegenwärtig unter den Beschränkungen des zweiten Hauptsatzes bei der Umwandlung von Wärme in Arbeit. Sie alle beinhalten, wertvolle Arbeit in Wärme umzuwandeln, die dann mit dem typischen Wirkungsgrad von 35-40 % eines konventionellen Wärmekraftwerks wieder in nützliche Arbeit umgewandelt wird. Es sind lange Konvertierungsketten beteiligt.

Dieser Artikel berichtete über eine Verbesserung von thermo-photovoltaischen (TPV) Geräten, die das breite Wärmespektrum der Strahlung einer heißen Materialmasse bei fast 2.700 K absorbieren, die durch erneuerbare Energie erhitzt wird und diese wieder in elektrische Energie umwandeln. Der hier angegebene, erreichbare Wirkungsgrad beträgt jedoch nur etwa 40 %, was dem gleichen Wirkungsgrad eines herkömmlichen Wärmekraftwerks entspricht, das jedoch bei weit niedrigeren Temperaturen betrieben wird. Hohe Temperaturen führen zu immer größeren parasitären Verlusten, daher hat die Speicherung von Energie als Hochtemperatur- Wärme nicht nur ein Problem mit dem zweiten Hauptsatz, sondern auch mit jedem System, das eine Langzeitspeicherung erfordert. Unvermeidbare parasitäre Verluste summieren sich zu einem enormen Gesamtenergieverlust, der durch Erzeugungsanlagen ausgeglichen werden muss. Sekundärspeicherbatterien haben dasselbe Problem.

Eines der schwerwiegendsten Systemprobleme, das es für erneuerbare Energien [aufgrund ihrer Flatterhaftigkeit] zu lösen gilt, sind die verschiedenen Reaktionszeiten, die erforderlich sind, um ein zuverlässiges Netz in Betrieb zu halten. Da ist zunächst die sehr kurze Zeitskala von Bruchteilen einer Sekunde, die automatische Steuersysteme benötigen, um Frequenz und Spannung innerhalb vorgeschriebener Grenzen zu halten. Als nächstes gibt es eine tägliche Reaktionszeitskala, die benötigt wird, um die täglichen Lastschwankungen zu bewältigen. Darauf folgt eine unbekannte Menge an Speicher, um wetterbedingte Ausfälle zu bewältigen, die 10 Tage oder länger andauern können. Schließlich gibt es noch das Problem der saisonalen Einflüsse [Sommer – Winter], sowohl beim Bedarf als auch bei der Erzeugung, was sowohl eine große Überkapazität der Erzeugungsanlagen, als auch eine massive Langzeitspeicherung, oder etwas dazwischen erfordert.

Das gegenwärtige Stromnetz handhabt das Problem der sehr kurzen Reaktion [auf Frequenzeinbrüche bzw. Überschwingungen], indem es sich auf die Rotations-KE seiner Turbomaschinerie verlässt, die den Bedarf von mehreren Sekunden in sich drehender Masse speichert.[9] Alle anderen Zeitskalen werden durch die Nutzung gespeicherter fossiler Brennstoffe vor Ort bis zu einem Kapazitätsfaktor von 95 % der Anlage abgedeckt. Es ist nicht übermäßig komplex und wir haben fast ein Jahrhundert Erfahrung in der Systemtechnik, wodurch dieses System zu 99,9 % oder mehr zuverlässig ist.

Windräder haben nur sehr wenig Rotationsenergie und können das o.g. Stabilitätsproblem nur sehr kurze Zeit unterstützen, bei Solar geht das gar nicht. Eine Abhilfe besteht darin, „synchrone Kondensatoren“ in ein Netz für erneuerbare Energien einzufügen, um als Analogon zu den rotierenden Turbomaschinen thermischer Kraftwerke zu fungieren. Diese Lösungen sind parasitär und verbrauchen nur Energie im Austausch für kurzfristige Stabilität. Lösungen für längerfristige Systemprobleme beruhen auf kaskadierenden Elementen verschiedener Energiespeicher- und -umwandlungsschemata, die viel Masse, viel Bodenfläche, exotische Materialien, Übertragungseinrichtungen, graue Energie, überschüssige Erzeugungskapazität und so weiter erfordern. Solche Elemente sind nicht nur selbst unerprobt, wir haben auch keinerlei systemtechnische Erfahrung mit ihnen. Könnte man sie zum Laufen bringen? Wer weiß? Schauen Sie die Verweise unten an.

Verweise:

Ich unterrichte seit zwanzig Jahren technische Thermodynamik. Ich finde, dass der erste Hauptsatz der Thermodynamik relativ einfach zu verstehen ist, auch wenn die Leute einige Schwierigkeiten haben, ihn anzuwenden. Der zweite Hauptsatz ist jedoch für Menschen, sogar für Chemiker, Physiker und Ingenieure, weitaus schwieriger zu verstehen. Ich lerne immer noch, Teile davon nach fünf Jahrzehnten Gebrauch anzuwenden. Es hat die vollständige Kontrolle über alle Prozesse der Energienutzung. Es steuert das Universum. Da die Umwandlung und Bereitstellung von Energie Geld kostet, kontrolliert der zweite Hauptsatz sogar die Ausgaben für Aktivitäten, die Menschen nicht als mit Thermodynamik in Verbindung stehend betrachten würden. Ich denke, es deckt sogar den nullten und dritten Hauptsatz der Thermodynamik ab. Während also das beste Lehrbuch der Thermodynamik, Zemanskys Heat and Thermodynamics, Reibung als Problem des dritten Hauptsatzes bezeichnet, denke ich, dass es richtiger zum zweiten Hauptsatz gehört.
Der tote Zustand [des Universums] ist ein technisches Konzept. Es ist ein physischer Zustand, in dem, obwohl er voller scheinbarer Energie ist, keine vorhanden ist, die zum Arbeiten verwendet werden kann. Wir betrachten den toten Zustand normalerweise als eine Temperatur von 288 K, einen Druck von einer Atmosphäre, ein elektrisches Potential des Erdbodens, chemische Spezies im Gleichgewicht bei minimaler freier Gibbs-Energie und eine relative Feuchtigkeit von 100 % Sättigung.
Als Besitzer zweier VW-Käfer kenne ich die Eigenschaften deutscher Ingenieure, komplizierte Konstruktionen zum Laufen zu bringen. Der Rest von uns strebt nach Einfachheit.
David Kramer, Hydrogen-powered aircraft may be getting a lift, Physics Today, 73, 12, 27 (2020); doi: 10.1063/PT.3.4632
Peter Rez, Wasserstoff als Flugkraftstoff, Physics Today, Readers Forum, September 2021, p. 11. Während Herr Rez über Wasserstoff nachdenkt, der in Brennstoffzellen verwendet wird, um ein Turbofan- oder Turboprop-Flugzeug zu betreiben, könnte Wasserstoff als Verbrennungskraftstoff verwendet werden. Dies würde jedoch die Beschränkungen des zweiten Hauptsatzes der Umwandlung von Wärme in Arbeit beinhalten, zusammen mit all den anderen Massen-, Volumen- und Komplexitätsbeschränkungen von Wasserstoff. Insbesondere Wasserstoff besitzt viel Energie pro Masseneinheit, aber eine Masseneinheit nimmt viel Volumen ein. Es macht wenig Sinn, diesen Weg zu gehen.
David Kramer, bessere Möglichkeiten zur Energiespeicherung sind erforderlich, um Bidens kohlenstofffreies Netz zu erreichen, Physics Today, September 2021, S. 20. Bidens?
Die besten Orte für Pumpspeicherkraftwerke werden nicht nur bereits genutzt, sondern rechtliche Auseinandersetzungen um Wasserbesitz und -nutzung schränken sie noch mehr ein.
Robert F. Service, Thermische Batterien könnten Wind- und Sonnenenergie in einem erneuerbaren Netz effizient speichern, Science, Band 376, Ausgabe 6590, Online-Version 13. April 2022. doi: 10.1126/science.abq5215

https://wattsupwiththat.com/2022/04/18/systems-and-the-second-law/

Übersetzt durch Andreas Demmig