Photovoltaik statt Biomasse

Mit Biomasse kann man zwar Strom immer dann erzeugen wenn er gebraucht wird, von diesem Vorzug wird allerdings derzeit kein Gebrauch gemacht. Biomasseanlagen speisen wie Photovoltaik- und Windenergieanlagen einfach ins Netz ein. Dafür sind die Flächennutzungsgrade der Biomasse aber eigentlich zu schlecht.

Beispiel: In diesem Artikel im Tagesspiegel wird berichtet, dass in Deutschland inzwischen von 12 Mio Hektar (1 Hektar = 10.000 m²) 2,3 Mio Hektar für Energiepflanzen genutzt werden.
Um die Größenordnung besser einschätzen zu können, habe ich mir mal die Mühe gemacht auszurechnen wie viel Strom man auf der gleichen Fläche mit Photovoltaikanlagen erzeugen könnte. Hier die Rechnung:
Für Biomasse genutzte Fläche: 2.300.000 * 10.000 m² = 2,3E^10m²
Wenn man eine Freiflächen Photovoltaikanlage im 15° Winkel nach Süden ausrichtet, kann man etwa die Hälfte der Fläche mit Modulen belegen.
Nutzbare Modulfläche: ca. 1,15E^10m².
Belegt man diese Fläche mit Solarmodulen mittlerer Leistung, kommt man auf einen Flächenbedarf von ca. 8m²/kWp.
Daraus ergibt sich eine Photovoltaikleistung von: 1,15E10m²/8 = 1.437.500.000 kWp. (1,437 TWp)
Geht man von einem mittleren Ertrag von 900kWh/kWp aus (das ist für Deutschland sicherlich ein realistischer Wert), kommt man auf eine jährliche Energiemenge von:
1.437.500.000 kWp * 900kWh/kWp = 1.293.750.000.000 kWh
Um die Zahl etwas griffiger zu machen hier noch ein paar Umrechnungen:
1.293.750.000.000 kWh
1.293.750.000 MWh
1.293.750 GWh
1.293,75 TWh

Die auf die Fläche bezogene Energieausbeute bei Solarstromnutzung beträgt: 1.293.750.000.000 kWh/2,3E^10m² = 56,25kWh(Strom)/m²

Zum Vergleich, der Strombedarf in Deutschland:

Teilt man 604/1.293,75 = 0,4668.

Das bedeutet: Auf 46,68% der im Moment für Energiepflanzen genutzten deutschen Anbaufläche könnte man die gleiche Menge Strom erzeugen, wie die, die derzeit (Stand 2010) in Deutschland verbraucht wird.

Nun ist Solarstrom ja nicht immer verfügbar. Um Solarstrom zu speichern, könnte man z.B. mit dem Power to Gas Prozess synthetisches Methan erzeugen. Das Methan könnte man speichern und dann wieder zu Strom machen wenn er benötigt wird. Die Umwandlung von Strom in Methan erfolgt derzeit mit einem Wirkungsgrad von ca. 60%. Die Rückverwandlung von Methangas in Gaskraftwerken erfolgt mit einem Wirkungsgrad von ca. 50%. Moderne Brennstoffzellen schaffen sogar 60%. Setzt man voraus, dass die gesamte Energiemenge über den Speicher gegangen ist (worts case) (was nicht zutrifft, da ein Teil des erzeugten Solarstromes direkt verbraucht werden könnte) erhält man die notwendige Strommenge:

604TWh/(0,6*0,5) = 2013,33TWh.

Das bedeutet: Nutzt man den Power to Gas Prozess zur Energiespeicherung und die im Moment (2011) bereits für Energiepflanzen genutzte Fläche und erntet dort Solarstrom, so kann man mit diesem bereits 1.293,75/2013,33 = 0,6425 also 64 % des deutschen Strombedarfs decken.

Erfolgt die Rückverwandlung des synthetischen Methans in Strom in Kraft Wärmekopplung, können sogar noch erhebliche Teile der oben eingerechneten 50% Verluste in Form von Wärme genutzt werden.

Nutzt man statt dem Power To Gas Prozess den Lageenergiespeicher von Eduard Heindl, so erreicht man sogar Speicherwirkungsgrade von etwa 80%. Bei gleichen Voraussetzungen wie oben (die gesamte Energie geht über den Speicher) bräuchte man dann eine Strommenge von 604TWh/0,8 = 755 TWh.

Das bedeutet: Mit Lageenergiespeichern würden bereits 755/1293,75 = 0,5836 also 58% der im Moment bereits für Energiepflanzen genutzten landwirtschaftlichen Fläche ausreichen um Deutschland vollständig mit Solarstrom zu versorgen.

Um einschätzen zu können wie effektiv die energetisch genutzten landwirtschaftlichen Flächen derzeit genutzt werden, habe ich mal ausgerechnet, wie viele kWh Strom man erzeugen könnte, wenn man Raps anbaut und das Rapsöl anschließend verstromt:

Die Ausbeute liegt laut dieser Quelle bei etwa 3 Mio Tonnen Rapsöl auf 2,4 Mio Hektar.
Rechnet man um sind dies 3.000.000.000kg auf 2.400.000*10.000m² = 2,4E^10m² >> 0,125kg/m²
Die auf die Fläche bezogene Energieausbeute bei Rapsöl beträgt: 0,125kg/m²*10kWh/m² = 1,25kWh(Öl)/m²
Würde man mit diesem Rapsöl nun Strom erzeugen (um mit der Photovoltaiknutzung vergleichen zu können) könnte man dies in einem Verbrennungsmotor mit einem Wirkungsgrad von ca. 25-30% tun. (Bei Kraft Wärmekopplung könnte natürlich auch hier die Brennstoffausnutzung noch verbessert werden.)
Dadurch verringert sich die Energieausbeute bei Rapsölnutzung auf: 1,25*0,3=0,375kWh/m² (gegenüber 56,25kWh/m² bei der Photovoltaik)

Ich möchte am Ende der Überlegungen noch darauf hinweisen, dass es sich natürlich nur um Modellrechnungen handelt, um ein Gefühl für die Größenordnungen zu erhalten. Es gibt neben der Photovoltaik schließlich auch noch die Windenergie, die Wasserkraft und die Geothermie um regenerativ Strom zu erzeugen.

Man kann jedoch sicherlich die Aussage treffen, dass eine photovoltaische Nutzung von Flächen, für die Energieerzeugung wesentlich effizienter ist, als der Anbau von Energiepflanzen.

geposted von Matthis Diehl

In Google Plus hat sich eine interessante Diskussion zu dem Thema dieses Blogbeitrages entwickelt.

13 Gedanken zu “Photovoltaik statt Biomasse

  1. Biodiesel war vonvorneherein unsinnig, weil Fotovoltaik-Freiflächenanlagen auf den Biodiesel produzierenden Feldern die 50fäche Effizienz hätten.
    http://energiewende-ruesselsheim.de/photovoltaik-statt-biomasse/
    Das müßte nicht heißen, auf allen jetzt der Produktion von Energiepflanzen dienenden Flächen mit Fotovoltaikanlagen zu bedecken. Nein, 2% der Flächen würden ausreichen, um mit Fotovoltaik die gleiche Strommenge zu erzeugen wie jetzt mit 100 % der Fläche. Auf 98 % dieser Ackerflächen könnten also wieder Lebensmittel produziert werden.

  2. Pingback: Biogas vs. Photovoltaik – Kosten und Flächen | Energiewende Rüsselsheim

  3. Selbstverständlich ist es richtig daß viele wege nach Rom führen und die sogenannte „Energiewende“ eigentlich zur Voraussetzung hat daß unterscheidliche Wege parallel beschritten werden. Auch ist klar daß Bioenergie leicht zu speichern ist und mit den herkömmlichen fahrzeugen gut harmoniert. Und Fahrzeuge mit Verbrenugsmotoren werden auch in 30 jahren noch überdie straßen rolen, Wie hoch der prozentsatz sein mag drüber kan man diskutieren.
    Wenn „unsere Truppen“ verschidenen wege gehen wolen und sollen dannmuß an dennoch fragen ob es nicht vielicht eine gute idee ist sich auf kosteneffiziente Wege zu konzentrieren, sollten wir nicht vileicht die fage stellen wie viel Quadratmeter sagen wir dachfläche oder Acker braucht eine PV anlage um gengend Strom zu liefern um ein Elektrofahrzeug ein jahr lang 14.000 km zu bewegen und wie viel Ackerfläche braucht man um das selbe über den anderen Weg über Bioenergie und konventionelle Fahrzeuge zu erreichen. Man sollte es einfach ausrechnen solte zur kenntnis nehmen daß die bioenergie die trund 100 fache Fläche gegenüber der PV benötigt und letztlich auch zur kenntns nehmen daß PV keine ernsthafte flächenknkurrenz zur Landwirtschaftlichen Nutzung darstellen kann. Zum einen sind schräg gestellte Dachflächen interessanter zum anderen sind Flachdächer Hallendächer u.s.w. interessanter, weil sei vor Vandalismus und Diebstahl etwas Schutz bieten…..
    Die energiewende wird enfache und wenigergegner auf sich ziehen wen nde kosten überschaubar bleiben. Kosten und preise im energiemarkt sind politische Preise, dennoch it es eine gute idee wiertschaftliche und technische effizienz voranzu treiben, und da ist die frage nach der Flächeneffizienz durchaus interesant.

  4. Die angestellten Berechnungen sind nicht ausreichen, um die verschiedenen Technologien zu vergleichen. Dazu müsste man eine Öko-Bilanz aufstellen um zu erkennen, was effektiver ist. Desweiteren gibt es schon Überlegungen, die Technologien zu verknüpfen und mobile PV-Anlagen auf Biomasse Felder zu montieren. Außerdem bringt die Biomasse noch Vorteile wie z.B. Verwertung von Methan (Ungenutzte Treibhausgase), Produktion von Substrat (Besseres Dünger als Gülle) und Verwertung von Bioabfällen, welche sowieso entstehen. Von daher ist ein direkter Vergleich kritischer zu sehen und mit so einfachen Rechnungen ohne weiteren Nebenbedingungen nicht zu lösen!

  5. Maßnahmen zur Steiergung der Energie-Effizienz oder salopp gesagt die Produktion von „Negawatt“ sollte zukünftig eine viel größere Bedeutung in der politischen Debatte einnehmen. Hier stimme ich Ihnen absolut zu.
    Wir sollte dabei aber möglichst vermeiden, dass wir als Konsequenz auf die Effizienzbewertung im Hop-oder-Top-Verfahren zwischen ganzen erneuerbaren Energiebranchen entscheiden. Jeder erneuerbarer Energieträger wird seine Effizienz bei der Produktion und dem Verbrauch in den kommenden Jahren stark verbessern, das gilt für die Photovoltaik genauso wie für die Bioenergie. Bei der Bioenergie sind vor allem im Bereich des Energiepflanzenanbaus und etwas weniger beim Einsatz organischer Abfälle deutliche Steigerung zu erwarten. Allein durch die Entwicklungen im Bereich der Algenkultivierung geht man von einer Erhöhung der Flächeneffizienz (Anbau in Photobioreaktoren) um den Faktor 100 aus.

    Ich hoffe, dass die beiden erneuerbaren Energiebranchen die am stärksten von der Energie der Sonne abhängig sind (Solarenergie, Bioenergie) werden in Zukunft noch viel besser Zusammenarbeiten und sich in erster Linie als Innovationspartner und erst danach auch als wirtschaftliche Konkurrenten sehen.

  6. Sehr geehrter Herr Kirchner,
    vielen Dank für die Versachlichung der Diskussion.
    Zu Ihrer Frage: Ist eine Debatte über die Flächeneffizienz notwendig?.
    Ich habe mal ausgerechnet, dass der Photovoltaikzubau von 7,5GWp des letzten Jahres (2011) gerade mal soviel Strom erzeugt, dass es 0,5% des Energieinhaltes entspricht, der in Deutschland jährlich an Benzin verbraucht wird. Wir bräuchten also das 200fache um eine Vollversorgung zu erreichen. (Umwandlungsverluste noch nicht eingerechnet.)
    Betrachtet man nicht nur isoliert den Strombereich oder den Verkehrsbereich, sondern den gesamten Energiebedarf in Deutschland, werden wir bei einer Vollversorgung mit Erneuerbaren Energien meiner Einschätzung nach um Energieimporte nicht herumkommen.
    Je geringer diese Importe sind, desto unabhängiger werden wir von den „Lieferländern“. Das scheint mir angesichts der derzeitigen Situation bei Erdöl und Erdgas eine verlockende Perspektive.
    Ein möglichst großer regionaler Deckungsgrad mit Erneuerbaren Energien, wird aber nur möglich sein, wenn wir 1. die Energieeffizienz deutlich erhöhen und 2. die Flächeneffizienz nicht aus den Augen verlieren. Deutschland ist eines der dicht besiedeltsten Länder und ich befürchte, wir können uns keine zu großzügige Flächenverwendung erlauben…

  7. Vielen Dank Herr Diehl und vielen Dank an den AlgaeObeserver für die konstruktive Diskussion! Es freut mich zu hören, dass wir alle auf „einer Welle schwimmen“in Bezug auf die gemeinsame Unterstützung unserer Energiewende.
    Leider ist das in der öffentlichen Debatten nicht selbstverständlich und häufig verlieren sich die EE-Akteure schnell in Grabenkämpfen zwischen den verschiedenen erneuerbaren Energieträgern. Häufig aus der Angst heraus, dass nicht genug Platz für alle vorhanden ist. Das hilft letztlich keinem und führt nur zu einem faden Beigeschmack und der Verlangsamung der Energiewende. Davon profitieren vor allem die etablierten Energieversorger.

    Ich finde es sehr erfreulich, dass Sie (Herr Diehl) mit ihrer Spezialisierung auf die Photovoltaik so transparent umgehen. Ich bin Bioenergie-Enthusiast und bin dementsprechend auch nicht neutral bei der praktischen Energiewende. Diese unterschiedliche Leidenschaft und berufliche Spezialisierung zu leben, ist spannend und nützlich, wenn wir dabei nicht das gemeinsamen Ziel der Energiewende aus den Augen verlieren.

    Ich bin nicht sicher, ob uns das Thema der Flächeneffizienz als aktuell aufkommender Kritikpunkt wirklich voranbringt, aber wenn die öffentliche Debatte diesen Punkt für besonders relevant hält, dann muss sich natürlich auch die Bioenergie mit diesen Zahlen auseinandersetzen!

    Vielleicht gibt es aber auch Probleme (Netzausbau, Speichertechnologien) mit denen wir uns auseinandersetzen können, die sowohl der Entwicklung der Photovoltaik, als auch der Bioenergie direkt nutzen.

    Mit erneuerbaren Grüßen,
    Ron Kirchner

  8. Hallo Manfred,
    8m² Solarmodulfläche ist nicht gleichbedeutend mit 8m² Landschaftsverbrauch. Wenn man mit 15° aufständert und entsprechende Abstände zwischen den Reihen einhält um Verschattung zu vermeiden, kommt man genau auf 16m²/kWp.
    Gruß Matthias

  9. Flächenbedarf von ca. 8m²/kWp.
    mittleren Ertrag von 900kWh/kWp
    für 900kWh benötige ich 8 m²
    Einfacher Dreisatz mit den Zahlen von Matthias:
    auf 8 m² kann ich 900 kWh erzeugen.
    auf 10 000 m² (= 1ha) wieviel?

    1 125 000 kWh
    1 125 MWh
    1,125 GWh

    Das ist ca. das doppelte der Angabe von HP PV 562 MWh (Strom)

  10. Vielen Dank für die ausführliche und interessante Rechnung! Allerdings möchte ich zu bedenken geben, dass das Beispiel nur greift, wenn man sich auf Elektrizität bezieht. Nutzenergie kann verschiedene Formen haben. Biomasse bindet Energie in Form chemischer Verbindungen und einige Märkte erfordern genau das (z.B. Passagierflugzeuge werden Sie nicht so bald mit Strom fliegen können, sondern nur mit energiedichten Flüssigkeiten). Zudem wird die Rechnung wahrscheinlich weniger positiv sein, wenn man versucht aus der photovoltaisch gewonnenen Energie wieder chemische Verbindung zu synthetisieren, die man als Polymer verarbeiten kann (Plastik). Ich denke es macht keinen Sinn die Effizienz der Photosynthese (ca. 5%) mit modernen PV Anlagen zu vergleichen – aber im Bereich der Endprodukte und der angestrebten Märkte werden alle Technologien ihr Stück vom Kuchen abbekommen 🙂
    Viele Grüße, T. Enderle

  11. Sehr geehrter Herr Kirchner,
    vielen Dank für Ihren Kommentar.
    Finanziert wurde der Artikel nicht, ich betreibe allerdings ein Ingenieurbüro für Photovoltaik. Falls das schon als Befangenheit gilt, sei es hiermit, der Transparenz willen, erwähnt.

    Ich bin, wie Sie der Meinung, dass die Energiewende nur funktionieren kann, wenn möglichst viele Akteure davon profitieren. Die Landwirte sollen aus meiner Sicht dabei eine Schlüsselrolle spielen. Wir müssen aber unbedingt die Fakten im Auge behalten. Es geht mir hierbei auch nicht um ökonomische Zahlenspielereien. Es geht um physikalische Zusammenhänge (oder biologische, wenn Sie wollen…) Ich habe die Rechnung ja nicht veröffentlicht, um jemanden zu ärgern. Ein Landwirt kann auch Solarstrom erzeugen mit dem dann Elektrofahrzeuge angetrieben werden oder mit dem synthetisches Methangas erzeugt wird, welches ebenfalls wieder in einem Erdgasfahrzeug für Mobilitätszwecke eingesetzt werden kann. Der einzige Unterschied ist der, dass der Landwirt pro eingesetztem Hektar Land wesentlich mehr Nutzenergie bereitstellen kann. Es nutzt der Energiewende wenig, wenn wir uns in Konzepte verrennen, die den Verfechtern der konventionellen Energien langfristig in die Arme spielen.

    Mit freundlichem Gruß
    Matthias Diehl

  12. Interessanter Artikel zu den erneuerbaren Energien, auf den ich als Bioenergie-Blogger bestimmt mit einem Artikel antworten werde.
    Sehr detaillierte Berechnung, dafür Kompliment! Meine Kritik ist, dass diese Art von Argumentationen nicht der Energiewende helfen. Ich möchte hier keine abstrusen Verschwörungstheorien anstimmen, aber ich kann mir schon vorstellen, aus welcher Richtung dieser Artikel zur Flächenkonkurrenz finanziert wurde 😉

    Die Energiewende muss bunt sein und es nützt leider wenig, wenn man die Erneuerbaren gegeneinander aufbringt und die Branche der Erneuerbaren daraufhin viel Zeit und Energie dafür vergeuden muss, sich gegeneinander zu verteidigen. Das ist Unsinn und diese Kraft kann konstruktiver genutzt werden! Wir brauchen alle erneuerbaren Energien und jede Variante hat ihre Vorteile. Eine eindimensionale Bewertung bezüglich einem Parameter sollten wir möglichst vermeiden.

    Und erzähl dieses Argument mal einem Landwirt, dessen Familie seit Jahrzehnten Landwirtschaft betreibt und dessen Familie davon lebt. Dass PV eine etwas besser Flächeneffizienz (für Strom, aber was ist z.B. mit Kraftstoff) hat, als der Anbau von Energiepflanzen nützt ihm bei seiner Expertise nur wenig.

    Bitte, bitte mehr Zusammenarbeit unter den Erneuerbaren, es ist genug für alle da! Ansonsten unterstützen wir nur die etablierten Energieversorger, aber nicht die Energiewende.

  13. Der Artikel bekommt von mir „+++“.
    Die Berechnungen bestätigen überzeugend, die Aussagen die Tomi Engel von der DGS auf unserer Veranstaltung 2009 (http://energiewende-ruesselsheim.de/elektroautos-top-oder-flop) gemacht hat. Sie passen auch von der Größe her sehr gut zu den Berechnungen auf die an anderer Stelle bereits hingewiesen wurde (http://energiewende-ruesselsheim.de/sprit-vom-acker-welche-fahrzeugreichweite
    Für die Flächendiskussion finde ich persönlich die Zahlen pro ha greifbarer:

    Hier die Zahlen pro ha:
    PV 562 MWh (Strom)
    Biomethan 31 MWh (Gas)
    Rapsöl 13 MWh (Öl)

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