Stand der derzeitigen Energiegewinnung durch nachwachsende Rohstoffe und neue Möglichkeiten für die Zukunft
Deutschland möchte klimaneutral werden.
Dafür gibt es unter anderem das
Klimaschutzgesetz (KSG).
Das Klimaschutzgesetz (KSG) von 2019 bildet die Grundlage für die Klimapolitik in Deutschland. Es legt verbindliche Klimaziele fest, einschließlich eines schrittweisen Ausstiegs aus fossilen Energien:
Deutschland soll bis 2045 klimaneutral werden, was bedeutet, dass Treibhausgasemissionen nur noch durch CO₂-Senken wie Wälder oder durch Emissionsminderungen in anderen Bereichen ausgeglichen werden dürfen.
Der Gesetzesentwurf fordert, die Emissionen von Treibhausgasen bis 2030 um 65 % im Vergleich zu 1990 zu senken, mit einem vollständigen Ausstieg aus Kohle bis spätestens 2038.
Zusätzlich gibt es das:
Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) von 2000 ist eines der zentralen Instrumente, um den Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland zu fördern. Es garantiert eine feste Einspeisevergütung für Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Solar oder Biomasse und soll den Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien beschleunigen.
Probleme derzeit
Das Problem mit dem Klimaschutzgesetz und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz ist die nicht bedarfsgerechte Erzeugung der erneuerbaren-Energien.
So ist es offensichtlich, dass die Erzeugung von Strom durch Photovoltaik in den Wintermonaten nahezu gegen null geht, während in den Sommermonaten zu viel produziert wird.
Eine effektive Speichermöglichkeit dieser Energie für die Wintermonate gibt es nicht.
Die Stromerzeugung durch Biomasse verteilt sich gleichmäßig über das Jahr hinweg. Allerdings wird die bei der Stromgewinnung zwangsläufige anfallende Abwärme nur in den seltensten Fällen zur Beheizung von Gebäuden genützt.
Bevor ich eine Lösungsmöglichkeit vorstelle, möchte ich einen Überblick über die derzeitige Nutzung der Bioenergie in Deutschland geben:
In Deutschland gibt es, Stand 2023, 9.876 Biogasanlagen zur Stromerzeugung, für deren Betrieb zusätzlich zur Rindergülle, noch auf etwa 1.000.000 ha Mais angebaut wird.
Biogasanlagen erzeugen das ganze Jahr hindurch kontinuierlich Strom. Mit der anfallenden Abwärme könnten zumindest in den Wintermonaten Wohnungen und Häuser beheizt werden, was jedoch kaum geschieht, da Biogasanlagen wegen der Geruchsbelästigung, von Ausnahmen abgesehen, nicht in der Nähe von Wohngebieten stehen können. In der Regel wird die Abwärme für die Trocknung von Holz verwendet.
Neben diesen Biogas-Anlagen gibt es etwa 150 Holzvergasungsanlagen, die Schad- oder Holzabfall vergasen und, wie bei Biogasanlagen mit einem Ottomotor Strom erzeugen. Die Abwärme kann ebenso zum Beheizen der Gebäude genutzt werden. Da auch Holzvergasungsanlagen kontinuierlich das ganze Jahr über in Betrieb sind, wird die Abwärme ebenso zum Holztrocknen verwendet. Holz jedoch wird, wegen der langen Wachstumsdauer nicht speziell für Vergasungsanlagen angebaut, und das vorhandene Abfall– und Schadholz findet auch in herkömmlichen Pelletheizungen und Kaminöfen Verwendung: deshalb halte ich den Betrieb von Holzvergasungsanlagen für riskant, da der Nachschub an Holz nicht garantiert werden kann.
Für das Heizen und die Stromerzeugung mittels Photovoltaik unterscheiden wir in unseren Breitengraden drei Jahreszeiten:
- Die dunkle, kalte Jahreszeit
Sie beginnt im November und dauert bis Mitte März. In der dunklen, kalten, Jahreszeit wird die meiste Heizenergie benötigt. Gleichzeitig wird die geringste Menge an Strom aus Photovoltaik erzeugt. Die Beheizung der Gebäude mittels Wärmepumpen, CO₂-neutral durch erneuerbare Energien ist wegen der geringen Photovoltaik-Stromproduktion unmöglich.
- Die Übergangszeit
Von Mitte März bis April, sowie im Oktober. In der Übergangszeit wird weniger Heizenergie benötigt, bei gleichzeitig gesteigerter Stromproduktion mittels Photovoltaik. Ein Betrieb von Wärmepumpen durch Strom aus PV-Anlagen ist möglich.
- Die helle, warme Jahreszeit
Sie beginnt im Mai und dauert bis September. In dieser Zeit wird nur sehr wenig Heizenergie benötigt, sodass eine Erzeugung durch Wärmepumpen leicht möglich ist. Gleichzeitig ist ein Überangebot von Strom durch erneuerbare Energien vorhanden, weshalb der produzierte Strom teilweise nicht abgenommen werden kann und der Strompreis ins Negative fällt.
In dieser Zeit des Überangebots von Strom aus erneuerbaren Energien könnte die Trocknung von Holz stattfinden.
Was wäre also notwendig, um möglichst viele Gebäude aller Art CO₂-neutral durch erneuerbare Energien zu beheizen und dabei noch Strom für die Dunkelflaute zu erzeugen?
Es muss eine Technik sein, welche sehr effizient und dezentral im Rahmen der Kraftwärmekopplung erneuerbare Energien in Strom umwandelt und die dabei anfallende Abwärme zum Beheizen der Gebäude nutzt. Für die Übergangszeit und die helle, warme Jahreszeit werden für die Wärmeerzeugung Wärmepumpen verwendet, welche idealerweise aus dem erzeugten Strom von – auf Dachflächen montierten – PV-Anlagen gespeist werden. Diese Wärmepumpen werden auch in der dunklen, kalten Jahreszeit betrieben, um noch die Restwärme von ca. 70 C° nach der Wassererwärmung aus den Abgasen und der Abluft, nach Beendigung des Zyklus der Wärmekraftkopplung, herauszuholen. Die Wärmepumpen sind somit das ganze Jahr über in Betrieb, können jedoch in ihrer Leistung viel geringer ausgelegt werden, da der jahreszeitlich höchste Wärmebedarf aus der Wärmekraftkopplung gedeckt wird.
Wir waren auf der Suche nach einem Motor, welcher durch direkte Verbrennung von nachwachsenden Rohstoffen Strom und Wärme produziert, und fanden ein neuartiges Motorkonzept. Zwar wurden für diese Zwecke auch immer wieder Stirlingmotoren eingesetzt: In der Praxis erwiesen sie sich als wenig brauchbar, da sie aufgrund der hohen Temperaturen (bis 1.200C° an der Brennkammer) sehr störungsanfällig waren, zudem war der elektrische Wirkungsgrad mit maximal 20 % sehr gering.
Mit dem von uns gefundenen Motorenkonzept wäre der Wirkungsgrad sehr viel höher, bei gleichzeitig niedrigerer Maximaltemperatur. Wie sich herausstellte, gibt es den Motor schon lange: Er wurde 1872 von George Brayton erfunden, war ein Vorläufer des später erfundenen Ottomotors und erzeugte die Wärm wie dieser im Zylinder. Bei dem von uns entwickelten Motor findet die Wärmeerzeugung außerhalb des Zylinders statt und wird über die Wärmekammer in den Prozess gebracht. Ich nenne ihn deshalb „NR-Motor“, was der ursprüngliche Projektname ist.
Mit dem NR-Motor wäre eine solche Energieversorgung, wie oben beschrieben, möglich.
Es handelt sich um einen Motor mit einem ganz anderen Prinzip als die herkömmlichen Otto- oder Dieselmotoren. Er lebt nicht von einer hohen Verdichtung: Ganz im Gegenteil hat er eine vergleichsweise geringe Leistungsdichte und ist daher auch nicht für Fahrzeuge geeignet. Im offenen Prozess bei 5 C° Außentemperatur und 800 C° Höchsttemperatur erreicht er einen maximalen Druck von 3,86 bar (1073 K / 278 K). Die Temperaturdifferenz von 136 C° nach isentroper Kompression und 446 C° nach isentroper Expansion von 310 C° lässt sich größtenteils in den nachfolgenden Prozess mittels Wärmetauscher übertragen.
Dies ist mit keinem anderen Motor möglich!
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nachwachsende Rohstoffe nicht erst aufwendig vergast werden müssen. Da im NR-Motor die Wärme von außen in den Prozess gelangt, ist eine Verbrennung von Pellets möglich. Die nachwachsenden Rohstoffe könnten in den Sommermonaten durch das Überangebot an Energie pelletiert und getrocknet werden. Sie ständen dann für die Wärmekraftkopplung durch den NR-Motor speziell in den Wintermonaten zur Verfügung.
In der Gesamtbetrachtung der Energieerzeugung hätte der NR-Motor viele Vorteile:
- Der NR-Motor wandelt sehr effektiv nachwachsende Rohstoffe in Strom und Wärme um. Dabei hat er einen sehr hohen thermischen Wirkungsgrad, was für eine hohe Stromerzeugung wichtig ist.
- Auch könnte der NR-Motor nachwachsende Rohstoffe vorzugsweise in Form von Pellets zu gleichen Teilen in Strom und Wärme umwandeln. Für Pellets spricht die ausgezeichnete Lagermöglichkeit. Sie wären dementsprechend ein idealer Energiespeicher für die Wintermonate.
- Indem der NR-Motor nur im Winter, der kalten, dunklen Jahreszeit eingesetzt wird, kann er eine sehr hohe Anzahl an Haushalte mit Wärme und Strom versorgen.
- Da die Verbrennung im NR-Motor außerhalb der Zylinder stattfindet, und eine Vergasung nicht notwendig ist, können andere Energiepflanzen als die derzeitig vorhandenen mit einem viel höheren Hektarertrag angebaut werden.
Hier ein Vergleich der derzeitigen Energieerzeugung mit nachwachsenden Rohstoffen.
Biogasanlagen erzeugen mit Rindergülle und der Silage von 1 Mio. Hektar Mais pro Jahr Strom für 12,5 Mio. Personen. Die Wärme, die Biogasanlagen zum Beheizen von Gebäuden beitragen, fällt aufgrund ihrer Randlage kaum ins Gewicht, zudem produzieren sie auch im Sommer Wärme, wo sie nicht gebraucht wird. Bei Holzvergaseranlagen ist es ähnlich. Da es davon derzeit jedoch nur sehr wenige gibt (etwa150), dürfte deren Strom schätzungsweise nur für 0,15 Mio. Personen reichen. Das Rapsöl, das in Deutschland von ebenfalls etwa 1 Mio. Hektar Anbaufläche gewonnen wird, mischt man üblicherweise dem Kraftstoff bei; es fällt für die Stromproduktion aus.
Bei einer Umstellung von der ganzjährigen Nutzung nachwachsender Rohstoffe, auf einer bedarfsorientierte Nutzung, bei gleichzeitiger Umstellung des Feldanbaues auf höchsten Energieertrag sähe die Rechnung folgendermaßen aus:
In Deutschland fallen Jährlich etwa 10 Mio. Tonnen Schad- oder Holzabfall an die Thermisch verwertet werden können thermisch verwertet werden können: Dessen Energiegehalt beträgt
45 Mio. / MWh.
Wenn man auf der Fläche wo derzeit Mais für Biogasanlagen angebaut wird, Miscanthus anbaut, wären weitere
80 Mio. / MWh zu erzielen.
Ebenso auf der derzeitigen Rapsfläche, ergäben noch einmal
80 Mio. / MWh.
Somit insgesamt 205 Mio. / MWh
Da es mit dem NR-Motor möglich ist, diese Primärenergie zu gleichen Teilen mittels Kraftwärmekopplung in Strom und Heizenergie umzuwandeln würden jeweils 102,5 Mio. Megawatt zur Verfügung stehen.
Der Wärmeverbrauch liegt in Deutschland bei etwa 4 MWh pro Person / Jahr.
Davon fallen 60 % in die starke Heizperiode. dies sind 2,4 MWh
Somit würden die nachwachsenden Rohstoffe bei einer Umstellung auf eine bedarfsgerechte Nutzung für etwa 42 Mio. Personen reichen.
Der Stromverbrauch liegt in Deutschland bei etwa 1,2 MWh pro Person / Jahr.
Während der starken Heizperiode sind dies 0,45 MWh
Dadurch würden während der starken Heizperiode mittels Kraftwärmekopplung Strom für etwa 227 Mio. Personen produziert.
Je nach Betrachtungsweise, welche Energieform als Vergleich genommen wird, (Kohle, Erdgas, Flüssiggas oder Heizöl) lassen sich durch die bedarfsorientierte Anwendung dieser Technik über 100 Mio. Tonnen CO₂ sparen. Das Heizen könnte komplett CO₂-neutral stattfinden.