AG Energiepolitik/Energiewirtschaft

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Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Auf dieser Seite sollen Fakten zum Thema Energiewirtschaft zusammen getragen werden, aber ohne eine politische Wertung. Diese wird an anderer Stelle erarbeitet.

Als Energiewirtschaft wird der Teil der Wirtschaft bezeichnet, der sich mit allen Handlungen von Institutionen, Betrieben und Menschen befasst, die im Bereich der Energieversorgung tätig sind. Dazu gehören die Erforschung und der Einsatz der Mittel, mit denen die nationale, aber auch die globale bedarfsgerechte Versorgung mit Energie dauerhaft gesichert werden kann. Im Einzelnen geht es um Energiegewinnung, Energiespeicherung, Energietransport und Energiehandel.

Siehe dazu auch:

Physik für Energiepolitiker

Kraft, Arbeit und Energie

Stell Dir vor, Du radelst gemütlich auf einem ebenen Weg dahin. Dann verrichtest Du im physikalischen Sinn eine Arbeit W. Diese ist umso größer, je weiter Du radelst. Um das Rad überhaupt in Bewegung zu setzen, musst Du eine Kraft F ausüben, also in die Pedale treten. Je schwerer Dein Rad ist, je rauer der Untergrund und je heftiger der Gegenwind, desto größer ist die erforderliche Kraft und auch die verrichtete Arbeit, wenn Du einen gewissen Weg zurückgelegt hast.

Offenbar gibt es verschiedene Arten von Arbeit. Wenn man einfach eine Wegstrecke s zurück legt, ist die Arbeit „Kraft mal Weg“, also

W=F·s

Wenn man beim Radeln einige Höhenmeter h gewinnt, kommt die Hubarbeit dazu, bei der man die Schwerkraft überwinden muss:

W=G·h = m·g·h

Dabei ist G die Gewichtskraft des gehobenen Körpers (Radl + Radler) mit der Masse m und g die Erdbeschleunigung, die angibt, wie stark die durch das Schwerefeld der Erde auf den Radler ausgeübte Anziehungskraft ist.

Dazu können noch weiter Kräfte kommen, so die Reibungskraft zwischen Reifen und Weg oder die durch den Gegenwind ausgeübte Kraft. Wenn Arbeit verrichtet wird, muss man also Kraft aufbringen. Der Kraft des Radlers wirken andere Kräfte entgegen, etwa die Schwerkraft (sie bewirkt hier einen Hangabtrieb) wenn es bergauf geht oder Reibung und Gegenwind; diese müssen durch größeren Krafteinsatz überwunden werden, wodurch auch die Arbeit ansteigt.

Die Energie E, um die es hier eigentlich geht, ist in der Physik sozusagen das andere Gesicht der Arbeit. Man könnte Energie als gespeicherte Arbeit oder vernichtete Arbeit bezeichnen. Wenn man als Radler glücklich die Höhe h erklommen hat, dann hat man durch die erhöhte Position so viel potentielle Energie erworben, wie man Arbeit aufgewendet hat, abzüglich der für Reibung und Gegenwind verbrauchten (oder vernichteten) Arbeit. Diese potentielle Energie kann bis zu einem gewissen Grad wieder in andere Energieformen umgesetzt werden. Wenn man beispielsweise den bergauf gefahrenen Weg mit dem Rad wieder hinunter saust ohne in die Pedale zu treten, wendet man keine Arbeit auf; dadurch wird die potentielle Lageenergie in Bewegungsenergie oder kinetische Energie umgewandelt. Fängt man oben mit der Geschwindigkeit 0 an und erreicht man am Ausgangspunkt die Geschwindigkeit v, dann ist die kinetische Energie

E=<math>\tfrac{1}{2}</math>·m·v2

Da man Massen in Kilogramm (kg) misst und da die Geschwindigkeit als der pro Zeiteinheit zurückgelegte Weg (gemessen in Metern pro Sekunde) definiert ist, liegt damit auch die Einheit für die Energie im Internationalen Einheitensystem (SI) fest, nämlich Kilogramm mal Meter2 pro Sekunde2 = m·kg2/s2. Diese Energieeinheit wird als ein Joule (J) bezeichnet (Aussprache: „Tschaul“, gelegentlich hört man auch "Tschuul"). Im Zusammenhang mit elektrischer Energie verwendet man meist die mit Joule identische, von der Leistungseinheit Watt (W) abgeleitete Energieeinheiten Wattsekund (Ws). Für die Stromabrechnung ist allgemein die Kilowattstunde (kWh) gebräuchlich, wobei die Umrechnung 1 kWh = 3.6 MJ gilt. In der Wärmelehre wurde früher die heute nicht mehr zulässige, aber in der Nahrungsmittelindustrie noch immer gebräuchliche Einheit Kalorie (cal) und Kilokalorie (kcal) verwendet. Die Umrechnung in Joule lautet: 1 cal = 0,239 J. Im Zusammenhang mit Elementarteilchen, etwa in der Kernphysik, ist ferner die Energieeinheit Elektronvolt (eV) oder Elektronenvolt gebräuchlich. Ein eV ist die kinetische Energie, die ein Elektron bei der Beschleunigung durch die elektrische Spannung von einem Volt erhält. Es gilt 1 eV = 1,602176487·10-19 J.

In einer wissenschaftlicheren Betrachtungsweise ist die Energie eine physikalische Größe, welche die zeitliche Entwicklung von Systemen bestimmt und durch die Wirkung von Kräften beeinflusst wird. Energie kommt in vielen Varianten vor, etwa als kinetische Energie, potentielle Energie, Wärmemenge, elektrische Energie, chemische Energie, Bindungsenergie in Atomkernen etc. Der einfachste Zugang erfolgt, wie weiter oben beschrieben, über die Mechanik, speziell über die kinetische und die potentielle Energie.

Oft sagt man auch, Energie ist die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. Während Energie als Zustandsgröße eines Systems aufgefasst werden kann, ist die Arbeit eine Prozessgröße, d.h. dass Transportvorgänge damit verbunden sind. Diese Sichtweise betont die Möglichkeit der Speicherung von Energie, die dann zur Verrichtung von Arbeit wieder abgerufen werden kann, beispielsweise um einen Herd zu wärmen, eine Glühlampe zu betreiben oder ein Auto zu bewegen. Tatsächlich erfolgt dabei lediglich eine Umwandlung von Energie in verschiedene Formen. Dementsprechend sind auch Arbeit, Wärmemenge, Lichtstärke etc. Größen, die alle in der Energieeinheit Joule gemessen werden können.

In der klassischen Mechanik ist die Energie nach allgemeinsten Prinzipien als diejenige Größe definiert, die bei einer Verschiebung der Zeit unverändert (invariant) bleibt (Nöthersches Theorem). Dies beinhaltet zugleich den weiter unten näher erläuterten Energieerhaltungssatz.

Die Quantenmechanik fügt hinzu, dass Energie nur in Quanten auftreten kann und gemäß der Unschärferelation nicht zugleich mit der Zeit beliebig genau messbar ist. Die Relativitätstheorie verallgemeinert den Energiebegriff noch weiter. Zunächst entspricht jeder Masse eine Ruheenergie der Größe E0 = m·c2. Diese Umwandlung von Masse in Energie spielt bei der Kernspaltung und Kernfusion eine wesentliche Rolle sowie bei der vollständigen Zerstrahlung, wenn Materie mit Antimaterie in Berührung kommt. Außerdem sind Energie und Impuls die Quellen für die relativistische Raumkrümmung.

Die Leistung

Jetzt kommt noch etwas dazu, nämlich die Leistung P. Diese ist einfach als die pro Zeiteinheit t verrichtete Arbeit W definiert:

P=W/t

Wenn man also mit dem Radl die Höhe h in einer halben Stunde überwindet, hat man dieselbe Arbeit verrichtet und auch dieselbe potentielle Energie gewonnen, wie wenn man sich dafür eine Stunde Zeit lässt. Aber die Leistung ist für die schnellere Tour doppelt so hoch wie für die langsame. Man merkt dies auch deutlich, weil man zwar schneller oben ist, dafür aber mehr ins Schwitzen kommt.

Leistungen werden in der Maßeinheit Watt (W) gemessen. Ein Watt ist dabei ein Joule pro Sekunde. Gebräuchlich sind auch Kilowatt (kW), entsprechend 1000 Watt und Megawatt (MW), entsprechend 1000 Kilowatt.

Üblicherweise gibt man die Leistung von Kraftwerken in Megawatt an, typisch sind 3 bis 1000 MW.

Die Stärke von Motoren misst man in kW, oft auch in der früheren Einheit PS, mit der Umrechnung 1 PS = 0,73549875 kW. Je höher die Leistung eines Automotors ist, umso schneller kann er in einer bestimmten Zeit eine bestimmte Arbeit verrichten. Ein Motor mit 100 kW könnte beispielsweise ein Auto in 12 Sekunden von 0 auf 100 km/h bringen und ein Motor mit 200 PS schafft dies vielleicht in nur 8 sec. Autos mit höherer Leistung müssen nicht notwendigerweise mehr Energie verbrauchen. In der Regel tun sie es aber doch, weil sie meist schwerer und größer sind, wodurch die Reibungsverluste, insbesondere durch den Luftwiderstand, ansteigen und weil man damit schneller fährt. Fatalerweise wächst der Luftwiderstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Wenn man also die Geschwindigkeit von 50 km/h auf 100 km/h verdoppelt, so vervierfacht sich der Luftwiderstand. Deswegen erreichen auch schwächer motorisierte Autos nicht so hohe Geschwindigkeiten wie ihre stärkeren Brüder.

Energiespeicherung, Energieumwandlung und Wirkungsgrad

Betrachten wir wieder den Radler, der eine Anhöhe hinaufgekeucht ist und nun ohne in die Pedale zu treten den Berg wieder herunter fahren möchte, wobei seine potentielle Energie wieder in kineteische Energie umgewandelt wird. Leider entstehen dabei jedoch Verluste, etwa durch Reibung und Gegenwind, so dass die gewonnene kinetische Energie nicht ganz so groß sein wird, wie die zuvor gespeicherte potentielle Energie. Die in diesen Verlusten steckende Energie führt letztlich zu einer Erwärmung der Umgebung, so dass sie nicht mehr für die Verrichtung von Arbeit zur Verfügung steht. Man muss sich nur mal schnell kräftig die Hände reiben, dann merkt man gleich, dass Reibung tatsächlich in Wärme transformiert wird. Das Verhältnis aus erfolgreich umgewandelter Energie zur gesamten dafür eingesetzten Energie bezeichnet man als Wirkungsgrad η (griechisch eta). Weil es (leider) kein Perpetuum Mobile gibt, ist der Wirkungsgrad immer kleiner als 1.

Ein weiteres schönes Beispiel für die Energiespeicherung und die Umwandlung in eine andere Energieform ist das Pumpspeicherwerk: Man wendet mechanische Arbeit auf, um Wasser in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen. Damit hat man dann potentielle mechanische Energie gespeichert, die man bei Bedarf zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt wieder zurück gewinnen kann. Dazu leitet man das Wasser in Rohren nach unten in eine Turbine, die einen Generator zur Gewinnung elektrischer Energie antreibt. Auch hier geht natürlich Energie verloren, so dass der Wirkungsgrad kleiner als 1 ist, nämlich ungefähr η=0,8 bzw. 80%.

Allgemein versteht man unter dem Wirkungsgrad η das Verhältnis aus der abgegebenen Leistung Pab, die nutzbringend verwendet werden kann, zu der insgesamt zugeführten Leistung Pzu

η=Pab/Pzu

Man kann also die im Wasserreservoir gespeicherte potentielle mechanische Energie in elektrische Energie umsetzen. Es gibt noch viele weitere Möglichkeiten der Energiespeicherung und Energieumwandlung. Beispielsweise lässt sich elektrische Energie in Batterien speichern; in Erdgas, Benzin oder Wasserstoff ist chemische Energie gespeichert und in Uran Kernenergie. Exotischere Energiespeicher sind Presslufttanks, Schwungräder und elektrische Kondensatoren. Wesentlich ist die beim Speichern erreichte Energiedichte, also die Menge an Energie, die pro Kilogramm Material oder auch pro Volumen gespeichert werden kann. Und natürlich wieder der Wirkungsgrad, der bei allen Speicherformen und Umwandlungsmöglichkeiten unvermeidlich zu Verlusten führt. Diese Energiedichte ist bei Uran am höchsten, bei Wasserstoff schon viel geringer, bei Benzin noch geringer und bei Batterien derzeit am geringsten. Die großen und schweren Batterien sind denn auch das Hauptproblem der Elektroautos. Aber andererseits haben Elektromotoren einen Wirkungsgrad von η≈0,85, während Verbrennungsmotoren nur ca. η≈0,35 erreichen.

Der Wirkungsgrad ist nicht nur bei Motoren von Bedeutung, sondern mehr noch bei Kraftwerken. Mit der direkten Gewinnung von Strom aus Sonnenlicht mit kommerziell verfügbaren Solarzellen (Photovoltaik) erreicht man im Labor bis zu 20% in langlebigen kommerziellen Solarzellen aber nur maximal 14 % (Stand 2010), Kohlekraftwerke erreichen bis zu 45% und Kernkraftwerke aufgrund niedrigere Drücke und Temperaturen ca. 35%. Bei der thermischen Energieumwandlung ist die erzielbare Temperaturdifferenz der einschränkende Faktor. Der bei der Energieerzeugung in Wärmekraftwerken wichtige Carnot'sche Wirkungsgrad ist einfach zu berechnen, er lautet:

η=(Twarm – Tkalt)/Twarm

Temperaturen werden dabei nicht in Grad Celsius gemessen, sondern in Kelvin, vom absoluten Nullpunkt ausgehend. Für diesen gilt 0 Kelvin = -273,15 ° Celsius. Je heißer der Wasserdampf (typisch 500 bis 800 Kelvin) zum Betrieb der Turbine und je effizienter die Kühlung am Turbinenauslass (ca. 300 Kelvin), umso höher der Wirkungsgrad. Aus Sicherheitsgründen fährt man Kernkraftwerke mit niedrigeren Betriebstemperaturen, daher der niedrigere Wirkungsgrad. Aus physikalisch unvermeidbaren Gründen werden also in Kraftwerken ca. zwei Drittel der investierten Energie als Abwärme an die Umwelt abgegeben. Diese Abwärme heizt dann über Kühltürme die Luft auf oder im Fall von Wasserkühlung Flüsse, Seen oder das Meer. Alternativ kann die Wärme auch als Nutzwärme in Fernwärmenetze eingespeist werden (Kraft-Wärme-Kopplung).

Energieerhaltung und Entropie

In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie des Systems immer konstant. Es gilt der fundamentale Energieerhaltungssatz (auch erster Hauptsatz der Wärmelehre): Energie kann danach weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern immer nur von einer Art in eine andere umgewandelt werden. Aus dem Energieerhaltungssatz folgt auch die Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobiles erster Art, also einer Maschine, die mehr Energie erzeugt, als sie verbraucht.

Bei den technisch möglichen Energieumwandlungen wird immer ein mehr oder weniger hoher Prozentsatz in (außer für Heizzwecke) kaum anderweitig nutzbare Wärme umgewandelt, also die ungeregelte Bewegung von Molekülen und Atomen. Diese Bewegung wird an benachbarte Teilchen weitergegeben, bis schließlich eine Gleichverteilung der thermischen Energie in der gesamten Umgebung stattgefunden hat. Diese Überlegungen führen zu einem neben dem Energieerhaltungssatz ebenso wichtigen grundlegenden Naturgesetz: dem Entropiesatz. Dieser besagt, dass die Entropie eines geschlossenen Systems niemals abnehmen kann. Unter der Entropie versteht man ein Maß für den Ordnungsgrad eines Systems: je höher die Ordnung, desto geringer die Entropie. Ein Ansteigen der Entropie bedeutet also eine Abnahme der Ordnung. Wirft man beispielsweise ein Stück Zucker in eine Tasse Kaffee, so besteht zunächst ein geordneter Zustand: Kaffee und Zucker sind voneinander separiert. Doch der Zucker löst sich auf und verteilt sich gleichmäßig im gesamten Kaffee, bis sich für das System Kaffee+Zucker die maximale Entropie, d.h. die komplette Vermischung beider Komponenten eingestellt hat. Ähnlich ergeht es einer Bratpfanne, die man in einem Punkt erwärmt: Die Wärme verteilt sich über die gesamte Pfanne. Umgekehrte Prozesse, dass sich also der Zucker von selbst in einer Ecke der Kaffetasse sammelt, oder dass die Bratpfanne von selbst einen begrenzten heißen Fleck entwickelt, sind dagegen äußerst unwahrscheinlich. Man erkennt also den Anstieg der Entropie auch an einer Vorzugsrichtung der Zeit: Lässt man einen Film rückwärts laufen, verraten sich mit einer merklichen Entropiezunahme verbundene Prozesse dadurch, dass sie gegen Zeitumkehr nicht invariant sind.

Ebenso wie der Energieerhaltungssatz gilt auch der Entropiesatz universell, also nicht nur für thermische Umwandlungsprozesse, sondern für ALLE physikalischen Prozesse. Daher ist auch ein Perpetuum Mobile zweiter Art unmöglich, das zwar den Energieerhaltungssatz erfüllt, aber den Entropiesatz verletzt. Beispielsweise ist es unmöglich, ein Schiff zu bauen, das seine Energie zur Fortbewegung durch Abkühlen des Ozeans gewinnt, der ja genau genommen ein gigantischer Wärmespeicher ist. Zur Energiegewinnung nutzbar wäre nur die Temperaturdifferenz aus Oberflächenwasser und Tiefenwasser. Diese Temperaturdifferenzen sind aber klein und folglich auch der Wirkungsgrad.

Bei energetischen Wärmeprozessen sind immer der Energieerhaltungssatz und die Entropie mit im Spiel. Es handelt sich um reversible und irreversible Kreisprozesse, bei denen Druck, Temperatur, Energie und Entropie in subtilen Zusammenhängen miteinander verknüpft sind. Es geht letztlich immer um die Temperaturdifferenz zwischen zwei Reservoirs, bei der Energieumwandlung (oder gebräuchlich, aber falsch: Energieerzeugung) in thermischen Kraftwerken, der Umsetzung gespeicherter, chemischer Energie in mechanische Arbeit (Verbrennungsmotoren) und auch bei der Kühlung in Klimaanlagen oder Gefrierschränken. Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich: sie entzieht der Umwelt - beispielsweise der Gartenerde oder dem Grundwasser - unter Einsatz elektrischer Energie bzw. mechanischer Arbeit Wärme, die dann auf ein höheres Temperaturniveau für Heizzwecke "hochgepumpt" werden kann.

Physikalische Einheiten und Umrechnungen

Die Dimensionen (Benennungen) ausnahmslos aller physikalischen Größen werden unabhängig vom verwendeten Maßsystem auf sieben Basisgrößen zurück geführt. Diese sind:
- Länge l
- Masse m
- Zeit t
- elektrische Stromstärke A
- Temperatur T
- Stoffmenge Mol
- Lichtstärke L

Das Messen physikalischer Größen kann im Prinzip durch willkürliche Einheiten geschehen. Als international anerkannter Standard gelten jedoch die in der folgenden Tabelle definierten und durch das Internationale Einheitensystem (SI) festgelegte Basiseinheiten.

BasisgrößeXXBasiseinheitX Zeichen
Länge Meter m
Masse Kilogramm kg
Zeit Sekunde s
Stromstärke Ampere A
Temperatur Kelvin K
Stoffmenge Mol mol
Lichtstärke Candela cd

Die Einheiten aller anderen physikalischen Größen sind von diesen Basiseinheiten abgeleitet. Die hier verwendeten lauten:

GrößeEinheitXXZeichenXXFormel
KraftNewtonNkg·m/s2
DruckPascalPa N/m2 = kg/m/s2
ArbeitJouleJ kg·m2/s2
EnergieJouleJ kg·m2/s2
WärmemengeJouleJkg·m2/s2
LeistungWattWJ/s = kg·m2/s3
elektrische LadungCoulombCA·s
elektrische SpannungVoltV kg·m2/s3/A
elektrischer WiderstandXOhmΩ V/A = kg·m2/s3/A2

Zur Bezeichnung sehr großer und sehr kleiner Größenangaben benutzt man die folgenden Vorsilben:

VorsilbeXZeichenXGrößeX |X VorsilbeXZeichenXGröße
Dekada101 | Dezid10-1
Hektoh102 | Zentic10-2
Kilok103 | Millim10-3
MegaM106 | Mikroµ10-6
GigaG109 | Nanon10-9
TeraT1012 | Pikop10-12
PetaP1015 | Femtof10-15


--Hartmut 00:04, 18. Dez. 2009 (CET)

Fossile Brennstoffe

Überblick

Bei der Energiegewinnung aus der Verbrennung fossiler Brennstoffen werden Abbauprodukte von toten Pflanzen und Tieren verwendet, also organische Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die sich in geologischer Vorzeit abgelagert haben. Diese sind Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Erdgas. Vor Jahrmillionen wurde in diesen Stoffen im Kohlenstoffkreislauf lebender Organismen letztlich Sonnenernergie in Form energiereicher Kohlenstoffverbindungen gespeichert (Karbonisierung). Durch Verbrennung, d.h. Oxidation von Kohlenstoff C und Sauertoff O2 zu Kohlendioxid CO2, kann diese Energie in Form von Wärme wieder frei gesetzt und genutzt werden. Vorrangig geschieht dies zur Elektrizitätserzeugung in Kraftwerken, zu Heizzwecken und zum Betrieb von Fahrzeugen. Im Jahr 2009 wurden ca. 85 % des Weltenergieverbrauchs aus fossilen Brennstoffen gewonnen.

Braunkohle

Braunkohle entstand in einem jüngeren Erdzeitalter als die hochwertigere Steinkohle. Sie ist daher weniger fest und hat mit 60% bis 75% einen geringeren Kohlenstoffanteil als Steinkohle, aber einen höheren Anteil an Fremdstoffen. Braunkohle wird meist im Tagebau gewonnen und in Deutschland überwiegend zur Stromerzeugung verwendet. Problematisch ist die Tagebaubedingte Umsiedlung. Der Brennwert von Braunkohle ist mit ca. 10 MJ/kg deutlich geringer als der von Steinkohle. Braunkohle ist der preisgünstigste fossile Brennstoff, daher werden Braunkohlekraftwerke überwiegend als Grundlastkraftwerke genutzt.

Unter Grundlast versteht man den minimalen Anteil an elektrischer Energie, der in einem elektrischem Energiesystem dauerhaft nachgefragt wird. Dieses Minimum wird zumeist nachts erreicht, im Sommer. Am wirtschaftlichsten ist es, wenn man für die Deckung der Grundlast-Kraftwerke einsetzt, die möglichst geringe variable Kosten haben[1]. Auf eine schnelle Regelbarkeit wird dabei weniger Wert gelegt, da Grundlastkraftwerke meist rund um die Uhr unter Vollast laufen. Der elektrische Wirkungsgrad moderner Braunkohlekraftwerke mit optimierter Anlagentechnik (BoA) liegt bei 43%[2]. Über die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) - sofern die Wärme in nahegelegenen Ballungsräumen genutzt kann - lässt sich der Brennstoffnutzungsgrad weiter steigern.

Steinkohle

Steinkohle stammt aus geologisch älteren Schichten als Braunkohle. Mit einem Kohlenstoffanteil von 75% bis 90%, einem Brennwert von ca. 30 MJ/kg und einen geringeren Anteil an Fremdstoffen ist sie hochwertiger als Braunkohle. In Deutschland soll der Kohlebergbau bis 2018 eingestellt werden.

Steinkohle wird hauptsächlich in thermischen Kraftwerken zur Elektrizitätsgewinnung eingesetzt sowie in der Stahlindustrie als Koks zur Reduzierung von Eisenerz im Hochofen. Als Rohstoff für die chemische Industrie wurde die Steinkohle weitgehend durch Erdöl abgelöst, aber bei Mangel an Erdöl besteht die aufwändige und teure Möglichkeit der Kohleverflüssigung. Steinkohle wird wie Braunkohle zur Deckung der Grundlast verwendet, aber auch in Mittellastkraftwerken, da sie sich aufgrund der geringeren Massenströme besser regeln lassen als Braunkohle. In Mittellastkraftwerken werden normale periodische Schwankungen im Elektrizitätsbedarf abgedeckt, vor allem im Rhythmus von Tag und Nacht. Der elektrische Wirkungsgrad moderner Steinkohlekraftwerke liegt bei 45%[3]. Mittelgroße Steinkohlekraftwerke in Stadtnähe koppeln oft Fernwärme aus und erhöhen damit die Primärenergieausnutzung.

Erdöl

Erdöl ist wie Kohle und Erdgas ein fossiler Energieträger mit einem Kohlenstoffanteil von 83% bis 87%. Ab ca. 1860 begann die petrochemische Aufbereitung (Raffinierung) von Rohöl in industriellem Maßstab. Dabei entstehen, nach Siedepunkt geordnet, Gase, Kerosin (Flugbenzin), Gasöl (Diesel und Benzin), Schmieröl, Heizöl, Schweröl, Bitumen und feste Rückstände (Petrolkoks), die durch Schwermetalle belastet sind.

Der Brennwert von Erdöl liegt bei ca. 35 MJ/kg. Für Benzin beträgt er 47 MJ/kg, für Diesel 45 MJ/kg und für Kerosin 43 MJ/kg. Zum Vergleich: Biodiesel erreicht nur 40 MJ/kg. Die entstehenden Produkte werden hauptsächlich zum Betrieb nahezu aller Verkehrsmittel (gut transportabler Energiespeicher mit hoher Energiedichte), zur Elektrizitätsgewinnung in thermischen Kraftwerken und als Rohstoff für die chemische Industrie genutzt. Derzeit ist Erdöl der wichtigste Rohstoff der Industriegesellschaft.

2009 wurden ca. 85 Millionen Barrel (ein Barrel = 159 Liter ≈ 200 kg) Rohöl pro Tag gefördert. 62% davon stammen aus dem nahen Osten, auf Platz zwei liegt mit 12% Eurasien. Mit momentaner Technik reichen die derzeit bekannten Lagerstätten bei gleichbleibendem Verbrauch noch für ca. 40 Jahre (statistische Reichweite). Durch aufwändigere Fördermethoden und Exploration vermuteter Lagerstätten (Ressourcen) und Erschliessung nicht konventionellen Erdöls (Schweröle, ölsande und -schiefer) könnte diese Zeit auf bis zu ca. 400 Jahre ausgedehnt werden. Das Fördermaximum wird zwischen 2010 und 2020 erwartet, siehe Peak Oil[4][5]. Danach dürfte der steigende Bedarf nicht mehr durch die bestehenden Produktionskapazitäten gedeckt werden können, was sich in Preissteigerungen bemerkbar machen wird.

Zur Grundversorgung mit Elektrizität werden mit Erdöl betriebene Dampfkraftwerke hauptsächlich in den erdölfördernden Ländern betrieben. Neben der reinen Stromerzeugung dienen diese dort auch zur Meerwasserentsalzung, was den Wirkungsgrad insofern erhöht, als dafür die Abwärme genutzt wird. In Europa werden erdölbefeuerte Kraftwerke nur noch in Südeuropa eingesetzt. Außerdem sind mit Dieselmotoren ausgerüstete Kleinkraftwerke mit Leistungen bis zu einigen 10 MW zur Versorgung entlegener Regionen und als Notstromaggregate im Einsatz.

Erdgas

Erdgas ist ein hauptsächlich aus Methan (CH4) und längeren Kohlenwasserstoffen (Propan, Butan) bestehender, gasförmiger, fossiler Brennstoff, der in unterirdischen Lagerstätten gefunden wird. Je nach Lagerstätte sind auch einige Prozent Kohlendioxid enthalten, manchmal auch Schwefelwasserstoff - dann spricht man von Sauergas.

In erster Linie wird aufbereitetes Erdgas für Heizzwecke, zur Erzeugung industrieller Prozesswärme, zur Stromerzeugung in thermischen Kraftwerken sowie in der chemischen Industrie (z.B. für die Ammoniaksynthese) eingesetzt. Als Treibstoff für Kraftfahrzeuge spielt Erdgas nur eine geringe Rolle. Der Heizwert liegt bei ca. 50 MJ/kg bzw. 40 MJ/m3.

Mit Gas betrieben Kraftwerke zur Stromerzeugung haben den Vorteil, dass sie schnell hochgefahren werden können und sehr gut regelbar sind; der Wirkungsgrad liegt bei reinen Gasturbinen bei 35-40% und bei modernen GuD-Anlagen bei 55-60%[6]. Aufgrund der geringen Kapitalbindung (400-800 Euro/kW) und der guten Regelbarkeit eigenen sich besonders als Spitzenlastkraftwerke, also für die Vorhaltung von zusätzlicher Leistung bei Spitzenlasten. Übliche Leistungen bewegen sich von 50 MW für Industriekraftwerke bis 800 MW für Anlagen mit zwei Gas- und einer Dampfturbine.

Kernenergie

Kernkraftwerke

Funktionsweise

In einem Kernspaltungsreaktor (auch Kernreaktor oder Atomreaktor) wird die bei der durch Neutronen induzierten Spaltung (Fission) schwerer Atomkerne (Uran-, Thorium- oder Plutonium-Isotope) frei werdende Energie auf die Spaltprodukte übertragen, nämlich leichtere Atomkerne sowie 2 bis 3 prompte Neutronen pro Spaltung. Diese Neutronen können wieder auf Atomkerne treffen und eine Spaltung induzieren. Nach diesem Prinzip werden in Atombomben explosive Kettenreaktionen erzeugt, aber auch kontinuierliche Kernreaktionen in technischem Maßstab für Kernkraftwerke (KKW) oder (veraltet) Atomkraftwerke (AKW) und Forschungsreaktoren in Gang gehalten. Eine Explosion ist zwar in einem Kernreaktor nicht möglich, doch könnte eine unkontrollierte Reaktion zum Schmelzen des Reaktorkerns führen, dem mit einer erheblichen Emission radioaktiver Straklung vermundenem GAU (größter anzunehmender Unfall). Neben den prompten Neutronen geben die Spaltprodukte mit gewisser Verzögerung weitere Neutronen ab und werden damit zu stabilen oder langlebig radioaktiven Atomkernen (Atommüll). Die Neutronen werden durch Moderatoren aus Graphit, (schwerem) Wasser und anderen Elementen wie Bor, Hafnium und Cadmium abgebremst und zur Regelung der kontrollierten Kernreaktion genutzt. Die Quelle der bei der Kernspaltung frei werdenden Energie ist die auf der starken Wechselwirkung beruhende Bindungsenergie, die nach der Gleichung E=m·c2 gerade der Differenz zwischen der Masse des Ursprungkerns und der Summe der Massen der Spaltprodukte entspricht. Pro Spaltung sind dies etwa 200 MeV. Die Spaltprodukte werden in dem den Reaktorkern umgebenden Kühlmittel (meist Wasser) abgebremst, wobei deren kinetische Energie größtenteils in Wärme umgesetzt wird. Direkt im Reaktor oder indirekt über einen Wärmetauscher wird nun Wasserdampf erzeugt, der eine Dampfturbine antreibt und über einen Generator wie in konventionellen Kraftwerken elektrischen Strom erzeugt.

Aus technischen Gründen wird der Wasserdampf nur auf maximal 600 K erhitzt, also nicht so hoch wie etwa bei Kohlekraftwerken; dementsprechend liegt der thermische Wirkungsgrad von Kernkraft nur bei ca. 35%. Dadurch entsteht eine entsprechend höhere Wärmebelastung der Umwelt. Da jedoch die Energiedichte des Kernbrennstoffs mit ca. 90 000 MJ/kg mehr ca. 2000 mal so hoch ist wie für fossile Brennstoffe, erhält man einen sehr hohen Energieertrag, von dem man jedoch den erheblichen Energieaufwand (ca. 20%) für die Anreicherung der spaltbaren Isotope im Kernbrennstoff abziehen muss. Kernkraftwerke emittieren kein CO2, in die gesamte Bilanz muss man aber die Emissonen bei der Brenstoffanreicherung mit einbeziehen. Die oft gehörte Aussage, der Betrieb von Kerkraftwerken sei CO2-emissionsfei ist daher genau genommen nicht richtig. Kernkraftwerke geben außerdem mit vertretbarem Aufwand nicht rückhaltbare kurzlebig radioaktive Edelgase an die Umwelt ab.

Ein schwer wiegender Nachteil ist, dass große Mengen an teilweise sehr langlebigen, radioaktiven Spaltprodukten und weiteren durch Neutronenaktivierung erzeugten radioaktiven Isotopen entstehen. Dieser radioaktive Abfall emittiert über Jahrtausende hochgefährliche radioaktive Strahlung und erzeugt zudem erhebliche Wärme, so dass eine sichere und ständig kontrollierte Lagerung über lange Zeiträume unabdingbar ist.

Moderne Kernkraftwerke haben einen sehr hohen Sicherheitsstandard, dennoch schätzen viele Menschen die Risiken von technischen Störfällen, Naturkatastrophen, Unfällen, Terroranschlägen und die Verwendung spaltbaren Materials für Atombomben als hoch ein.

Kernkraftwerke werden seit etwa 1955 gebaut. Im Jahr 2009 wurden in weltweit 212 Kernkraftwerken in 31 Ländern mit einer Gesamtleistung von 370 Gigawatt ca. 15% des Weltstrombedarfs erzeugt, entsprechend 5,5% des damaligen weltweiten Primärenergieeinsatzes. Dabei entstanden 12 000 Tonnen radioaktiver Abfall. Im Jahr 2009 gab es 17 in Betrieb befindliche deutsche Kernraftwerke. Sie wurden alle durch Siemens bzw. die zu Siemens gehörende Kraftwerksunion (KWU) gebaut.

Kernkraftwerke erfordern hohe spezifische Investitionen, sind jedoch im Betrieb bezogen auf die erzeugte elektrische Energie relativ preiswert. Technisch lassen sich Kernkraftwerke auch im Lastfolgebetrieb mit Leistungsgradienten über denen von Kohlekraftwerken fahren[7]. Aufgrund der Kostenstruktur sprechen betriebswirtschaftliche Gründe dagegen, da im Teillastbetrieb sich nur die Erlöse, aber kaum die Kosten verringern. Daher sind Kernkraftwerke vor allem für die Grundlastversorgung geeignet.

Thermische Reaktoren

In Kernkraftwerken werden unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt, die sich im Wesentlichen durch die verwendeten Kernbrennstoffe, Kühlkreisläufe und Moderatoren unterscheiden. Für die Elektrizitätserzeugung werden heute hauptsächlich thermische Reaktoren verwendet. Der Name rührt daher, dass die Neutronen im Moderator soweit abgebremst werden, dass ihre Bewegungsenergie der Temperatur des Moderators entspricht. Als Kernbrennstoff dient das Uran-Isotop 235U, das nur mit einem Anteil von 0,7 % in natürlichem Uran enthalten ist und in einem sehr aufwändigen Prozess auf 4 bis 5 % angereichert werden muss. Die wichtigste Variante sind Leichtwasserreaktoren (LWR), in denen leichtes Wasser (H2O) als Reaktorkühlmittel und Moderator verwendet wird. Leichtwasserreaktoren existiert in den Varianten Siedewasserreaktor (SWR) und Druckwasserreaktor (DWR). Hochtemperaturreaktoren mit Uran und Thorium als Kernbrennstoff, gasförmigem Kühlmittel und Graphit als Moderator versprachen einen höheren Wirkungsgrad, werden aber wegen zahlreicher Schwierigkeiten und Pannen während der Prototypphase in der Praxis nicht mehr eingesetzt.

In Siedewasserreaktoren gibt es nur einen Wasser/Dampf-Kreislauf, der somit radioaktiv belastet ist. Das Wasser steht dabei nicht unter extremem Druck, so dass es bei der Erhitzung siedet.
Zu diesem Typ gehören in Deutschland die Kraftwerke Brunsbüttel, Philippsburg 1, Isar 1, Krümmel, Gundremmingen B und C sowie Würgassen.

Beim Druckwasserreaktor wird das Reaktorkühlmittel in einem geschlossenen Primärkreislauf zirkuliert und mit einem Dampferzeuger Wasserdampf in einem Sekundärkreislauf erzeugt, der die Turbinen antreibt. Dies hat den Vorteil, dass etwaige radioaktive Verunreinigung des Kühlwassers im Primärkreislauf bleiben und eine Systemtrennung zum konventionellen Kraftwerksteil (Turbine, Kondensator) erfolgt. Außerdem kann der Druck des Wassers im Sekundärkreislauf so hoch gewählt werden, dass das Wasser noch nicht siedet. DWR erfordern höhere Investitionskosten als SWR, doch haben sie einen höheren Sicherheitsstandard und einen etwas höheren Wirkungsgrad.
Zu diesem Typ gehören in Deutschland Biblis A und B, Brokdorf, Brunsbüttel, Emsland, Grohnde, Neckarwestheim 1 und 2, Philippsburg 2, Unterweser

Brutreaktoren

Ein Brutreaktor ist ein Kernreaktor, der nicht nur zur Energiegewinnung, sondern gleichzeitig zur Erzeugung weiteren spaltbaren Materials dient. Ein nicht spaltbares Nuklid wird in ein spaltbares umgewandelt und kann dann (nach Aufarbeitung und Einbringung in neue Brennelemente) anschließend als Kernbrennstoff verwendet werden. Bis zu einem gewissen Grade erzeugt jeder Kernreaktor wieder Spaltmaterial, von einem Brutreaktor im eigentlichen Sinne spricht man aber erst, wenn der Reaktor mindestens so viel spaltbares Material, erzeugt, wie er selbst verbraucht.

Als Kernbrennstoff verwendet man wie in thermischen Reaktoren das Uran-Isotop 235U und das Plutonium-Isotop 239Pu. Die Stromerzeugung erfolgt ähnlich wie beim Druckwasserreaktor über einen Sekundärkreislauf. Zum Brüten ist der Reaktor mit einem äußeren Mantel aus natürlichem Uran umgeben, das zu 99,3 % aus dem nicht spaltbaren Isotop 238U und nur zu 0,7 % aus dem spaltbaren Isotop 235U besteht. 238U wird durch Neutroneneinfang in 239U umgewandelt. Dieses ist radioaktiv und wandelt sich rasch in das spaltbare 239Pu um.

Dieser Brutvorgang findet nur in ausreichendem Maße statt, wenn genügend schnelle Neutronen produziert werden. Im Unterschied zu thermischen Reaktoren kann man daher keine Moderatoren zum Abbremsen der Neutronen verwenden. Derartige Brutreaktoren werden daher als schnelle Brüter bezeichnet. Durch Brutreaktoren kann die Nutzung der Uranvorräte als Kernbrennstoff um ca. den Faktor 100 effizeinter werden. Eine weitere Effizienzsteigerung ergibt sich, wenn man statt Uran das Thoriumisotop 232Th als Brutmaterial verwendet und daraus das ebenfalls spaltbare 233U erbrütet.

Wegen des Verzichts auf Moderatoren ist die sichere Spanne zwischen kontollierter Reaktion und unkontrollierter Kettenreaktion bei schnellen Brütern wesentlich kleiner als bei thermischen Reaktoren. Die Regelung ist dementsprechend technisch aufwändig und sehr sicherheitskritisch. Außerdem kann für die Kühlung kein Wasser verwendet werden, da es moderierend wirkt. Man setzt daher das Leichtmetall Lithium ein, das aber an Luft in Verbindung mit Wasser sehr heftig reagiert und zu Bränden führen kann. Zudem ist die Wiederaufbereitung und insbesondere der Umgang mit Plutonium deutlich und gefährlicher als im Falle von Uran. Ferner ist 239Pu gut zum Bau von Atombomben geeignet. Tatsächlich ist 239Pu wohl der gefährlichste Stoff, den es auf der Erde überhaupt gibt.

Einige Facts als Schlagwortsammlung

  • Die Produktion von elektrischem Strom mit bestehenden Kernkraftwerken (ohne Bau und Endlagerung) ist die derzeit preiswerteste Alternative
  • Einbeziehung von Bau-, Abriss-, Endlager- und Versicherungs-Kosten (und nur das ist vergleichbar) machen Strom aus Kernkraftwerken zur teuersten Alternative.
  • Kernkraftwerke emittieren kein CO2
  • Der Sicherheitsstandard moderner Kernkraftwerke ist sehr hoch. Ein GAU ist in Leichtwasserreaktoren des Typs Druckwasserreaktor ausgeschlossen.
  • Nach Tschernobyl, Fukuschima, etc. sind Kernkraftwerke ein hohes Sicherheitsrisiko.
  • Die leicht abzubauenden Uranvorräte sind endlich.
  • Die Ozeane enthalten Spuren von Uran, das mit sehr hohem Aufwand gewonnen werden könnte. Diese „eiserne Reserve“ der Energiewirtschaft würde für Jahrtausende reichen.
  • Der Brennstoffkreislauf birgt Risiken im Uranbergbau, Transport Anreicherung und Wiederaufbereitung.
  • In allen Kernkraftwerken wird Plutonium erzeugt. Kernenergie eröffnet daher den leichten Einstieg in die hochgefährliche Plutoniumwirtschaft.
  • Aus Uran und Thorium lassen sich in schnellen Brütern die spaltbaren Isotope 239Pu und 233U erzeugen. Dies würde die Versorgung mit Brennstoff für Jahrtausende sicher stellen. Schnelle Brüter verfügen jedoch - anders als konventionelle Kernkraftwerke - über keinen Moderator. Ein GAU durch Kernschmelze ist daher nicht auszuschließen. Außerdem ergeben sich die Riskien der Plutoniumwirtschaft.
  • Bei manchen Reaktortypen ist ein GAU durch Kernschmelze nicht auszuschließen.
  • Alle Kernkraftwerke haben das Risiko der Freisetzung von Radioaktivität bei Naturkatastrophen (Erdbeben, Überschwemmung, Feuer), Flugzeugabstürzen, Sabotage und terroristischen / militärischen Angriffen.
  • Wirtschaftliche und militärische Anwendungen der Kernenergie sind technisch nicht zu trennen. Die Technologie der Anreicherung von 235U auf 4% kann unverändert auch zur Anreicherung auf 80% zur Herstellung von waffenfähigem Uran verwendet werden.
  • Das Problem der über Jahrtausende sicheren Endlagerung radioaktiven Abfalls ist ungelöst.
  • Radioaktiver Abfall, angereichertes Uran und Plutonium können durch Terroristen und Kriegsparteien leicht zum Bau schmutziger Bomben verwendet werden.

Kernfusion

KernFusion ist immer noch ein zukunftsThema. "Ein Fusionskraftwerk wird es in ungefähr 50 Jahren geben, sofern die Forschung Erfolg hat."[ntv,Isabella Milch,MPI-Plasmaphysik] die Kosten sind bisher (forschung) und in zukunft immens. heute im politischen Alltag ist dieses thema nicht sonderlich relevant. Ausser natuerlich bei der Verteilung von FoschungsGeldern, weshalb man hier trotzdem aktiv werden koennte, um diese geldVerschleuderung anzuprangern/zu verhindern. zusaetzlich: KernFusion bedeutet eine hohe konzentration der energieErzeugung, widerspricht also direkt dem ziel dezentraler energieErzeugung.

  1. Beschreibung
    • Kernfusion ... Energienutzung ... Verschmelzung zweier Atome ...
  2. Arten von Kernfusion
    • Magnetischer Plasmaeinschluss
    • Trägheitseinschluß
  3. Brennstoffwirtschaft
    • Deuterium, Tritium, ...

LENR (Low Energy Nuclear Reactions)

LENR eine Erklärung für den Pons-Fleischmann-Effekt. Es handelt sich hierbei um einen „neutron capture“ also keine Fusion zweier Kerne wie in der Kernfusion. Das Wesentliche hier ist, daß ein Atomkern solange Neutronen einsammelt (die Coulomb-Barriere spielt hier keine Rolle, da Neutronen elektrisch neutral sind) bis es energetisch instabil wird und deshalb seine „Energie“ durch den ß-Zerfall eines Neutrons auf einen stabilen Wert erniedrigt. Ein interessanter deutschsprachiger Artikel über den Pons-Fleischmann-Effekt oder jetzt LENR gibt es hier: [La fusion froide est mort, vive LENR!]

Sonnenenergie

Thermische Sonnenkollektoren

In Sonnenkollektoren wird Wasser unmittelbar durch die Sonneneinstrahlung erwämt und direkt genutzt. Eine Stromerzeugung erfolgt dabei nicht.

wesentliche Nutzung:

Bauarten von Kollektoren:

  • Schwimmbadkollektoren (0-30°C)
  • Flachkollektoren (20-80°C)
  • Vakuumröhrenkollektoren (20-100°C)
  • statisch montierte Parabolrinnenkollektoren (bis 150°)

Die durchgängige Nutzbarkeit über das Jahr hinweg ist in unseren Breitengraden (Deutschland) nicht gegeben. Daher eignen sich die entsprechenden Systeme meist nur als Unterstützung mit einem zusätzlichem Heizsystem, das Heizwärme unabhängig von den Wetterbedingungen zur Verfügung stellt. Die Auslegung der Kollektorfläche erfolgt üblicherweise so, dass der Warmwasserbedarf im Sommer gedeckt wird, woraus insgesamt nur eine 60%-Deckung des Wärmebedarfs für Warmwasser folgt. Wird eine Heizungsunterstützung in der Übergangszeit gewünscht, ergibt sich in den Sommertagen eine Überproduktion der Solarwärme, was die Wirtschaftlichkeit reduziert.

Solarthermische Kraftwerke

In solarthermischen Kraftwerken wird Wasser auf sehr hohe Temperaturen (400°C) durch eine hohe Konzentration des direkten Sonnenlichts durch Spiegel erhitzt. Der so entstehende Wasserdampf wird in Turbinen und Generatoren zu rElektrizitätzerzeugung genutzt. Der Anteil der Direktstrahlung ist in Deutschland jedoch so gering, dass dieses Konzept nicht wirtschaftlich ist. In Südeuropa und anderen sonnenreichen Gebieten der Erde sind derartige Kraftwerke bereits im Einsatz. Tatsächlich ist mittlere Sonneneinstrahlung mit 3 Watt/m2 so hoch, dass ein südlich gelegenes Gebiet von der Größe der Schweiz für die Deckung des gesamten Energiebedarfs der Erde (Stand 2010) ausreichen würde.

In Kollektoren bzw. Receivern absorbieren Hochtemperaturöle oder andere Medien (Wasser, Salze, Luft) das darauf konzentriert gerichtete Sonnenlicht und wandeln dieses in Wärme um. In einem Wärmetauscher wird Dampf erzeugt, der eine Dampfturbine antriebt, die ihrerseits über einen Generator Elektrizität erzeugt. Mit einem Wärmepuffer können die Systeme einen Teil der thermischen Energie für einige Stunden speichern, um damit auch in den Abendstunden die Turbinen anzutreiben. Dies erhöht die Auslastung des konventionellen Anlagenteils mit Dampferzeuger, Turbine und Kondensator und senkt die Stromgestehungskosten. Als Hybridkraftwerk kann zudem auch Erdgas verfeuert werden, die Solarenergie substituiert dann tagsüber den Brennstoff. Nachteilig ist, dass auch thermische Solarkraftwerke für die Kondensierung eine Kühlung über Kühltürem oder Kühlwasser benötigen. Gerade in sonnenreichen Gegenden sind aber Kühltürme ineffizient. Infrage kommen daher vor allem küstennahe Gebiete, weil dies die Kühlung mit Meerwasser ermöglicht, ggf. mit parallel erfolgender Entsalzung. Solche Konzepte sind auch Teil des Projekts Desertec.

Bauarten:

  • Parabolrinnenkraftwerk: Bei diesem System wird das Sonnenlicht mittels einachsig nachgeführten Parabolrinnenspiegeln auf ein im Brennpunkt des Spielgels verlaufendes Rohr gebündelt. Man erreicht Konzentrationen bis zu 300:1. Mit dieser Bauart liegen seit Mitte der 80er Jahren Betriebserfahrungen in Kalifornien vor.
  • Solarturmkraftwerk: Bei diesem System wird das Licht mit einer Vielzahl von 2-achsig nachgeführten Spiegeln auf eine Turmspitze gerichtet. Hier werden Bündelungsraten von bis zu 10000:1 erreicht. Dort empfängt ein Receiver die Wärmestrahlung und gibt sie an einen Wärmeträger (Salze, Luft) ab.
  • Paraboloidanlage: Bei diesem System wird im Brennpunkt eines Parabolspiegels (Solar Dish - Solarschüssel) eine Wärmekraftmaschine justiert, in der Regel ein Heissgasmotor. Die Anlagen messen nur wenige Meter im Durchmesser und haben eine geringe elektrische Leistung. Der spezifische Anlagenpreis ist daher hoch.

Weitere Quellen:
- Tower System/Solarpaces
- Dish System/Solarpaces
- Parabolic Through System/Solarpaces
- Konzentrierte Solarenergie - Hartl/TU Wien
- Stirling Dish System/FH Regensburg
- Analyse solarthermischer Turmkraftwerke - Weinrebe 2000

Photovoltaik

Bei der Photovoltaik wird Sonnenlicht mittels (Solarzellen) direkt in elektrischen Gleichstrom umgewandelt. Die Grundlage der Stromerzeugung beruht auf dem (photoelektrischen Effekt). Der Gleichstrom eines PV-Moduls wird über Wechselrichter in sinusförmigen Wechselstrom der Netzfrequenz gewandelt und ins Stromnetz eingespeist.

Im Labor sind bereits PV-Zellen entstanden, die einen Wirkungsgrad von über 40%[8] bei der Wandlung von Licht in Strom nachgewiesen haben. Kommerziell verfügbare Module haben Wirkungsgrad zwischen 5%-15%, je nach eingesetzter Technologie (Dünnschicht, polykristallines und kristallines Silizium). Der Wirkungsgrad eines Solarwechselrichters bewegt sich oberhalb von 95%.

Der Erntefaktor von Solarzellen liegt bei 5-10, die energetische Amortisationszeit bei 3-5 Jahren. Die Solarzellen können je nach Technologie bis zu 30 Jahre betrieben werden, durch Degradation geht während dieser Zeit die Zellenleistung auf höchstens 70% zurück. Der durchschnittliche Ertag einer PV-Anlage beträgt in Deutschland 950 kWh / kWpeak.

Photovoltaik eignet sich für Mitteleuropa besser als Konzentratortechnologien, da ein hoher diffuser Anteil an der Globalstrahlung vorliegt z.B. bei Bewölkung, welcher ca. ein Drittel der mit Photovoltaik erzeugten Energie ausmacht. Kleine Abweichungen zur optimalen Ausrichtung (Süden, mit 25-30° Neigung) haben folglich keine sehr große Auswirkung auf die Energieausbeute. In Gebieten mit geringer Sonneneinstrahlung fällt der verhältnismäßig hohe Landverbauch negativ ins Gewicht, so dass sich für Solaranlagen vor allem Dächer und andere ohnehin bebauten Flächen anbieten.

Neben kristallinem Silizium wird polykristallines Silizium für die PV-Zelle sowie diverse Dünnschichtkonzepte eingesetzt. Der Wirkungsgrad nimmt in dieser Aufreihung ab, allerdings auch der Energie- und Kostenaufwand der Herstellung. Daher liegen die Preise pro Leistung kWpeak in der selben Bandbreite. Bei kleinerer Fläche werden PV-Module mit höherem Wirkungsgrad bevorzugt, bei Flächenanlagen werden meist die günstigeren Dünnschichtmodule verbaut.

Die Photovoltaik wird derzeit durch das EEG hoch subventioniert, eine Deckelung bzw. ein Nachjustieren der Vergütungssätze ist im Juli 2010 vorgenommen worden. Siehe [1]] und [2].

Photosynthese

In dem komplexen chemischen Prozess der Photosynthese wandeln Lebewesen mithilfe von Katalysatoren (insbesondere Chlorophyll) Sonnenlicht direkt in chemische Energie um. Dies geschieht durch Zerlegung von energiearmem Wasser (H2O) in seine energiereichen Bestandteile Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H). Verbindet sich Wasserstoff wieder mit Sauerstoff (Oxidation, Verbrennung), so wird die zuvor gewonnene chemische Bindungsenergie in Form von Wärme wieder frei gesetzt. Bei einer Mischung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas (Knallgas) kann dies auch explosionsartig geschehen. Pflanzen nutzen diese Energie für Erhaltung ihrer Lebensvorgänge.

Die Spaltung des Wassers ist mit dem Transport von Elektronen verbunden; diese kann man technisch durch Halbleiterelektroden sammeln und als elektrischen Strom nutzen.

Windenergie

Windkraftanlagen

Eine Windkraftanlage (WKA) wandelt die Bewegungsenergie der Windströmung in elektrische Energie um. Die Rotorblätter nehmen die Windenergie auf und werden dadurch in Bewegung versetzt. Der Rotor gibt die Rotationsenergie an einen Generator weiter, welche dort in elektrischen Strom umgewandelt wird.

Windkraftanlagen haben einen Erntefaktor von 40, der je nach windhöffigkeit des Standortes schwankt. Die energetische Amortisationszeit beträgt nur wenige Monate. Bei Offshore-Windanlagen wirkt sich auf die obigen Faktoren die aufwändige Fundamentkonstruktion negativ aus, allerdings erhöht sich der Energieertrag um etwa das Doppelte auf ca. 3500 Volllaststunden. Die Investitionen für einen typischen Offshore-Windpark sind derzeit (2010) mit einigen 100 Millionen Euro höher als für ein Kohlekraftwerk gleicher Kapazität. Dazu kommt zur Minimierung von Leitungsverlusten ein aufwändiger Energietransport, der für weite Strecken Hochspannungs-Gleichstromnetze erfordert. Außerdem ist eine flexiblere Regelbarkeit der Netze erforderlich, da Angebot und Verbrauch unabhängig und regional stark variieren können.

Neben der etablierten Stromerzeugung aus Wasserkraft ist die Windenergienutzung eine erneuerbare Energietechnologie mit einem fortgeschrittenen Reifegrad. Große Windanlagen erreichen eine Leistung von ca. 5 Megawatt. In 2009 wurde weltweit eine installierte Kapazität von rund 150 GW ereicht[9]. 2012 sind es schon 282 GW [10].

Wasserkraftwerke

Die Wasserkraft ist eine generative Energiequelle, die schon vor und in der Frühphase der industriellen Revolution in Mühlen zum Antrieb von Maschinen genutzt wurde. Global gesehen stellt sie die wichtigste erneuerbare Energie zur Stromerzeugung dar. In Deutschland ist das Potential allerdings zum größten Teil erschlossen (rund 20 TWh/a bei maximal 25 TWh/a). Eine Steigerung des Potentials ist in Deutschland aufgrund der politischen Widerstände problematisch. Somit ist ein weiterer Zubau der konventionellen Wasserkraftwerke nur noch bei der Reaktivierung alter Standorte von Kleinwasserkraftwerken, sowie der Erneuerung und Vergrößerung bestehender Anlagen zu erwarten.

Laufwasserkraftwerk

Laufwasserkraftwerke stehen an Fließgewässern, die einige wenige Meter über ein Wehr aufgestaut werden. Üblicherweise wird mit einer Kaplanturbine (hoher Durchfluss, geringe Fallhöhe) die Energie des fließenden Wassers auf einen Generator übertragen. Laufwasserkraftwerke werden durchgängig in der Grundlast oder im Rückstaubetrieb (hohe Ausbeute zu Spitzenlaststromzeiten) gefahren betrieben, da sie nur schlecht steuerbar sind (Speichermöglichkeit für das Wasser nur im Flussbett, Erzeugung einer gegen den Fluß anlaufenden Welle - zum Bsp. an den Donaustaustufen für die Bahnstromerzeugung) und von dem jahreszeitlichen Wasserangebot wie der Schneeschmelze im Frühjahr abhängig sind.

Speicherwasserkraftwerk

Beim diesem Kraftwerktyp wird das Wasser mit einer Staumauer zu einem Reservoir / Stausee aufgestaut. Die Stauhöhe ist höher als bei einem Laufwasserkraftwerk und in der Regel wird das Stauvolumen auch zur Wasserregulierung d.h. zur Vermeidung von Überschwemmungen genutzt. Speicherseen sind wegen der aufwendigen Bauten des Sperrwerkes in topologisch günstigen Gebirgslagen gelegen. Das Kraftwerk nutzt aufgrund der höheren Fallhöhe Francis- und Pelton-Turbinen. Speicherwasserkraftwerke sind innerhalb der Grenzen des Reservoirs gut regelbar und können Spitzenstrom und Regelenergie bereitstellen.

Problematisch können sich bei großen Stauanlagen neben dem Landverbrauch auch Umwelteinflüsse wie tektonische Verschiebungen und Sedimentablagerungen auswirken.

Pumpspeicherkraftwerk

Im Pumpspeicher gibt es zwei Wasserbecken, welche durch Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Falls günstig Energie im Stromleitungsnetz verfügbar ist, wird diese Energie dazu verwendet, das Wasser von dem tiefer gelegenen Becken in das höher gelegene Becken zu pumpen. Zu Zeiten mit hohem Strompreis, kann das Wasser des oberen Beckens so lange zum Antrieb von Turbinen mit angekoppelten Generatoren zur Stromerzeugung genutzt, werden, bis das untere Becken wieder gefüllt ist.

Ein reines Speicherwasserkraftwerk mit natürlichem Zulauf kann durch die Anlage eines kleinen Unterbeckens als Wasserpuffer und einer Pumpengruppe zu einem Pumpspeicherwerk erweitert werden.

Bei mehreren Turbinen und Pumpen an einem Kraftwerksstandort wird aufgrund der Schwankungen nur die Pumpleistung zurückgenommen und durch mehr Generatorleistung ersetzt, da ein hin und herschalten zwischen den Betriebsarten bis zu mehreren Minuten in Anpruch nehmen kann. Ein reiner Pumpbetrieb bzw. ein reiner Generatorbetrieb wird mit zunehmendem Ausbau der schlecht speicherbaren erneuerbaren Energien immer weniger gegeben sein. Insofern ist die Begründung mit hohen und tiefen Strompreisen zwar anschaulich, aber mittlerweile nicht mehr sinnvoll.

Gezeitenkraftwerk

Bei einem Gezeitenkraftwerk wird der Tidenhub zwischen Ebbe und Flut ausgenutzt. In einen Damm über eine Meeresbucht mit hohen Gezeiten befinden sich Öffnungen, in die Turbinen eingelassen sind. Zur Flut strömt das Wasser ins Becken, wenn die Ebbe einsetzt fließt durch die Turbine wieder zurück ins offene Meer. Aufgrund der hohen Anforderungen bzgl. des Korrosionsschutzes, der begrenzten Anzahl an Standorten mit hohen Gezeiten und der Umweltauswirkungen des Sperrwerkes sind bisher neben St. Malo in Frankreich (240 MW) noch keine nenneswerten Kapazitäten in Betrieb gegangen.

Osmosekraftwerk

Diese Art von Kraftwerk nutzt zwei unerschiedliche Flüssigkeiten, nämlich Wasser mit hohem und Wasser mit niedrigem Salzgehalt. Beide Wassersorten werden durch eine feine, für Salzmoleküle undurchlässige, für Wassermoleküle aber durchlässige Membran voneinander getrennt. Da der Entropiesatz einen Ausgleich der Salzkonzentrationen fordert, strömt Wasser durch die Membran um die Salzlösung zu verdünnen. Dadurch baut sich dort ein Druck auf, der über mechanische Systeme zum Treiben eines Generators genutzt werden kann. Damit die Membranen nicht verstopfen, ist sehr sauberes Süßwasser und außerdem salzhaltiges Meerwasser erforderlich, so dass vor allem Mündungen unverschmutzter Flüsse als Standorte infrage kommen.

Dieser Kraftwerkstyp ist noch im F&E-Stadium, ein erstes Funktionsmodell im kW-Bereich wird im Norwegischen Trondheim erprobt. Der Wirkungsgrad ist vergleichsweise gering, der Platzbedarf hoch. Deswegen und wegen der begrenzten Auswahl an Standorten werden Osmosekraftwerke nur in geringem Ausmaß zur Deckung des Strombedarfs beitragen können.

Wellenkraftwerk

Zur Nutzung der Wellenenergie gibt es verschiedene Ansätze, von denen bisher noch keine einen kommerziellen Durchbruch erzielt hat. Da die durchschnittliche Wellenintensität und höhe in Duetschland weder an Nord noch an Ostsee besonders hoch ist machen sich solche Systeme besonders an Europas Ozeanküsten bezahlt.

  1. Ein mehrgliedriges System mit mehreren Gliedern schwimmt auf der Wasseroberfläche (wie eine Seeschlange). Durch Wellenbewegung werden dies Glieder zueinander bewegt, die über Hydraulikzylinder miteinander verbunden sind. Die Bewegung setzt das Hydrauliköl in Bewegung, wodurch man über einen hydrostatischen Generator mechanische bzw. elektrische Energie abgreifen kann.
  2. Ein Schwimmer wird durch die Wellenbewegung angehoben und gesenkt. Innerhalb des Schwimmers kann ein federnd gelagertes Gewicht Relativbewegungen zum Rest der Struktur vollführen. Über einen Lineargenerator erzeugt diese relativbewegung Strom.
  3. An einer dem Ozean zugewanten Küste sind Kammern installiert, die zu Hälfte unter Wasser liegen. Das Wasser tritt durch die Wellenbewegung periodisch ein und aus und verdichtet die Luft in der Kammer, die am oberen Ende durch eine Öffnung austritt bzw. einströmt. Dort ist eine Wells-Turbine installiert, die die oszillierende Luftbewegung in elektrische Energie umwandelt.

Biomasse

Unter Biomasse versteht man ganz allgemein durch biogene Prozesse erzeugte Stoffe, also die gesamte durch Pflanzen, Tiere und Menschen erzeugte organische Substanz sowie sämtliche abgestorbene Organismen. Beim Einsatz von Biomasse zu energetischen Zwecken ist zwischen nachwachsenden Rohstoffen, Energiepflanzen und organischen Reststoffen (Pflanzenreste, tierische Exkremente und Abfälle, insbes. aus der Landwirtschaft) zu unterscheiden.

Letztlich ist Biomasse gespeicherte Sonnenenergie. Durch Photosynthese werden aus Wasser und Kohlendioxid biogene Kohlenwasserstoffe erzeugt, wie z.B. Pflanzenöle, Zucker und Polysaccaride. Der Flächenwirkungsgrad der Energiegewinnung [kWh/ha] aus Biomasse ist verglichen mit der direkten Sonnenenergienutzung durch Photovoltaik relativ gering, allerdings ist die Biomassegewinnung weniger kapitalintensiv. Ein weiterer Vorteil der Biomasse besteht in der guten Speicherbarkeit, die ähnlich wie bei fossilen Brennstoffen eine gesteuerte Umwandlung in Strom und Wärme zulässt, die von der Nachfrageseite abhängt.

Biogasanlagen

In Biogasanlagen werden organische Substanzen (Reststoffe wie Gülle, Mist und Nahrungsmittelabfälle, aber auch Energiepflanzen wie Mais) unter Abschluss von Luft, d.h. anaerob durch Bakterien zu Rohbiogas vergärt. Neben Biogas entsteht bei der Herstellung auch hochwertiger Dünger. Rohbiogas ist ein feuchtes, stark methanhaltiges Gas (50-60%), das entweder direkt verwertet wird, oder aufbereitet werden kann. Zur direkten Verstromung in Verbrennungsmotoren muss der Feuchtegehalt (Kondensationskühlung) reduziert werden und die schädlichen Spurengase wie z.B. Schwefelwasserstoff sind zu entfernen.

Waren in Deutschland die erste Generation an Biogasanlagen reine Verstromungsanlagen, welche die Abwärme nur zur Beheizung des Fermenters nutzten, wird mittlerweise auch auf ein schlüssiges Wärmenutzungskonzept geachtet. Dies ist vorallem notwendig, um durch den Wärmeverkauf eine zusätzliche Einnahmequelle zu erschließen, ohne die der Betrieb einer solchen Anlage aufgrund der Volatilität der Substratpreise zu risikoreich ist.

Aufgrund der Lage der Fermenter abseits von größeren Wohnflächen haben sich folgende drei Wärmenutzungskonzepte, oft im Rahmen eines Bioenergiedorfes, herauskristallisiert:

  1. BHKW mit Nahwärmenetz
    Vom Standort der Biogasanlage wird eine Wärmeleitung zum Ortskern gelegt, wo die Häuser an dieses Wärmenetz angeschlossen werden. Meist wird ein Spitzenlastkessel (Erdgas, Holzhackschnitzel) als Backup und für die Spitzenlast im Winter an das Wärmenetz angeschlossen.
  2. Rohbiogasleitung zur Wärmesenke
    Das Rohbiogas wird mittels einer einfachen ND-Leitung zum Ort des Wärmebedarfs geleitet, wo ein BHKW Strom und Wärme erzeugt. Die Infrastrukturkosten für eine Gasleitung sind geringer, als die für eine Wärmeleitung, daher bestehen bei größeren Distanzen Kostenvorteile.
  3. Aufbereitung auf Erdgasqualität und Einspeisung ins Erdgasnetz [11]
    Sind keine passenden Wärmesenken in der Nähe verfügbar, kann das Biogas auf Erdgasqualität angepasst werden, indem das darin enthaltende CO2 durch eine Druckwasserwäsche, Druckwechseladsorption oder Aminwäsche entfernt wird. Im Erdgasnetz lässt sich das Biomethan - ähnlich wie Ökostrom - kaufmännisch bilanziell zu Standorten mit einem Wärmebedarf durchleiten und dort in Kraft-Wärme-Kopplung verstromen. Aufgrund des hohen Anlagenaufwandes bei der Gasaufbereitung lohnt sich dies nur bei großen Biogasanlagen.

Bio-Treibstoffe

Aus Biomasse (siehe oben) entsteht unter Licht- und Luftabschluss in Faulbehältern (Fermentern) durch bakteriellen Abbau Biogas, das im wesentlichen Methan (CH4) enthält. In weiteren chemischen Reaktionen wird daraus flüssiger Treibstoff (im deutschsprachigen Raum als "Biodiesel" oder "Biotribstoff" bekannt) erzeugt, vor allem Pflanzenöl-Methylester (PME) oder Bio-Ethanol. Biotreibstoffe können wie Benzin (Ottotreibstoff) in Benzinmotoren verbrannt werden, jedoch mit etwas geringerem Wirkungsgrad. Als Mischungsverhältniswird meits E85 verwendet, d.h. 85 % Ethanol und 15 % Benzin. Auch Diesel lässt sich teilweise durch Biotreibstoff substituieren.

Trotz der Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen ist die Nachhaltigkeit nicht unproblematisch, insbesondere wenn der Flächenverbrauch in Konkurrenz zum Anbau von Lebensmitteln steht und Wenn Pflanzen mit niedrigem Wirkungsgrad eingesetzt werden.

Die höchste Ausbeute erzielt man mit Algen. Aus Algen produzierter Biotreibstoff ist auch als Flugbenzin geeignet.

Holzheizungen

Biomasse ist seit alters her als Brennstoff für Heizzwecke bekannt. In den vergangenen Jahren erlebte das Heizen mit Holz auch in Deutschland erhöhte Aufmerksamkeit. Zu nennen sind neben dem Holzvergaserscheitkesssel, der Holzhackschnitzelkessel und die Pelletheizung. Letztere hat zwar höhere Brennstoffkosten, ist aber dank der guten Förderbarkeit der Pellets und der hohen Schüttdichte mit dem Komfort einer Ölheizung vergleichbar, da kein regelmäßiger Nutzereingriff gefordert ist. Allerdings ist anzumerken, dass bei diesen Nutzungsarten zwar ein regenerativer Brennstoff zu Einsatz kommt, die Emissionswerte für CO, NOx und Feinstaub (Ruß) aber höher liegen als bei klassischen Heizöl- und insbesondere Gasheizungen. Erst bei größeren Holzheizkesseln im MW-Bereich kann durch eine nachgeschaltete Filteranlage dieser Nachteil ausgeglichen werden. Teilweise kann dies auch durch Innovationen und Qualitätssteigerungen bei der Pellet-Herstellung erreicht werden. Die Novelle des Bundesimmissionsgesetzes wird Feinstaubfilter verbindlich auch für Holzheizungen einführen, insbesondere die in kleinen Gewerbebetrieben und Haushalten.

Erdwärme

Geothermiekraftwerk

Mittels der Tiefengeothermie lässt sich Strom und Wärme gewinnen. Dabei unterscheidet man die Art der Wärmegewinnung im Untergrund sowie den thermodynamischen Kreisprozess im Kraftwerk an der Oberfläche. Noch sind vor allem die Bohrkosten der Hauptkostenfaktor bei der Geothermie, die bei der Verfügbarkeit der Bohrgeräte mit der Erdöl- & Erdgasexploration konkurrieren muss. Problematisch ist derzeit auch noch, dass es zu Bodenabsenkungen bis hin zu Mikroerdbeben kommen kann. [3]

Thermalwasser

Die einfachste Möglichkeit zur Gewinnung von Geothermie ist das Anbohren heißer, thermalwasserführenden Schichten. Dieses wird über einen oberirdischen Wärmeübertrager ausgekühlt und über eine Schluckbohrung wieder im Untergrund verpresst. Um diese Bohrung bildet sich eine Blase "kalten Wassers" aus. Je nach Abstand der beiden Bohrungen und der unterirdischen Fließrichtungen dauert es 50-100 Jahre, bis die Ergiebigkeit der Bohrung abnimmt und man an anderer Stelle neu bohren muss.

Hot Dry Rock

Hierbei wird das heisse Gestein als unterirdischer Wärmetauscher benutzt. Man pumpt kaltes Wasser nach unten, wo es in einer Zone, die vorher künstlich mit Druckstößen zerklüftet wurde, ein Wärmeübergang aus dem heißen Gestein zum Wasser erfolgt. Dabei können Mikro-Beben entstehen, wenn das Gestein seinen Spannungszustand ändert - eine größere Gefahr, die nicht sowieso durch die tektonischen Gegebenheiten vorhanden ist, entsteht nicht.

ORC-Cycle

Da die Temperaturen in der Geothermie im Bereich von 150-200 °C liegen, wird kein klassischer Dampf-Prozess verwendet, sondern einer der beiden folgenden. Im Organic Rankine Zyklus wird statt des Wassers eine leicht siedende organische Flüssigkeit benutzt. ORC-Prozesse haben gegenüber Dampf-Kreisprozessen den Vorteil, dass sie schon bei geringen Temperaturen laufen (aber mit geringem elektrischem Wirkungsgrad) und dass die Anlage gemäß Dampfkesselverordnung unbeaufsicht betrieben werden darf.

Kalina-Cycle

Der Kalina Zyklus nutzt eine Wasser-Ammoniak-Mischung als Arbeitsmedium. Gegenüber dem ORC-Prozess hat dies Vorteile bezüglich des Wirkungsgrades, es ist aber ein höherer anlagentechnicher Aufwand nötig.

Wärmepumpenheizung

Über eine Wärmepumpe lässt sich Umweltwärme (z.B. aus dem Grundwasser, dem Boden oder der Luft) auf ein höheres Temperaturniveau "hochpumpen", so dass diese zu Heizzwecken nutzbar ist. Das Verhältnis von dazu benötigtem Strom zu gewonnener Nutzwärme wird dabei als COP (= Coefficient of Performance) bezeichnet. Bei Jahresarbeitszahlen von 4 und darüber sind gemessen am deutschen Strommix ökologische Vorteile darstellbar. Bei Werten unter 3, wie er insbesondere bei Luft-Wärmepumpen auftritt[12], ist die WP "nur" eine effizientere Elektroheizung und nicht zu empfehlen.

Meereswärmekraftwerk

( ozeanothermisches Gradient-Kraftwerk )

Kraftwerkstypen

Dampfkraftwerk

Zur Erzeugung elektrischer Energie wird der Brennstoff (Braunkohle, Steinkohle, Biomasse) in thermischen Kraftwerken oder Dampfkraftwerken in einem Kessel oder Dampferzeuger verfeuert. Im Kernkraftwerk wirkt der Reaktor als Wärmequelle, bei einem solarthermischen Kraftwerke ist es das Kollektorfeld. Die Wärme erhitzt das Kesselwasser und verdampft es je nach Auslegung auf 500 bis 800 Kelvin. Der Sattdampf wird ggf. überhitzt, so dass er unter hohem Druck und mit hoher Temperatur auf die Dampfturbinen trifft. Das Rauchgas wird mehrstufig gereinigt, neben einer Entstaubung mittels Elektrofilter und/oder Gewebefilter ist dies die Entschwefelung (REA) und die Entstickung (DeNOx).

Der Wasserdampf treibt Dampfturbinen an, wobei er sich entspannt und auf ca. 400 Kelvin (entsprechend etwas mehr als 100 °Celsius) abkühlt. Die in der ungeregelten Bewegungsenergie der Wassermoleküle gespeicherte Energie in dem unter Druck stehenden Wasserdampf wird dabei in Rotationsenergie umgesetzt. Da die Temperatur des Wasserdampfs am Turbinenauslass jedoch noch weit höher als die Umgebungstemperatur liegt, beträgt der Wirkungsgrad nur 35% bis 50%. Die Turbinen treiben nun ihrerseits Generatoren an, in denen die Rotationsenergie in elektrische Energie umgesetzt wird. Dies geschieht mit einem hohen Wirkungsgrad von ca. 90%, der Rest wird als Wärme an die Umgebung abgegeben. Thermische Kraftwerke arbeiten am wirtschaftlichsten in Großanlagen mit Leistungen von einigen 100 bis über 1000 MW.

Zur Wärmeabfuhr benötigen thermische Kraftwerke eine effiziente Kühlung, um den Wasserdampf wieder zu Wasser zu kondensieren, das dann in einem Kreislauf erneut dem Kessel zugeführt wird. Die Kühlung erfolgt entweder durch Aufheizen von Wasser aus benachbarten Flüssen und Seen oder in Kühltürmen, in denen der Wasserdampf seine Wärme an die Umgebungsluft abgibt.

Gasturbinenanlagen

Eine Gasturbine ist eine Wärmekraftmaschine mit offenem und kontinuierlich arbeitendem Kreisprozess. Luft wird angesaugt und in einem Verdichter komprimiert. Es folgt die Verbrennung des gasförmigen oder auch flüssigen Brennstoffs in der Brennkammer sowie die Entspannung über der Turbine. Rund 2/3 der Turbinenleistung werden für den Verdichter benötigt, ein Drittel steht für den Antrieb des Generator für die Erzeugung elektrischer Energie zur Verfügung. Die heißen Gasturbinenabgase können ggf. noch weiter genutzt werden, z.B. für HT-Wärme in industriellen Prozessen oder zur Nachverstromung in GuD-Anlagen.

Zur Stromerzeugung gibt es zwei Typen von Gasturbinen, nämlich leichte und schwere Baureihen. Erstere, auch Aeroderivative genannt, sind Abwandlungen von Strahltriebwerken aus der Luftfahrt, zweitere (Heavy-Duty) sind speziell für stationäre Anwendungen entwickelt und auf geringe Wartungskosten und hohe Abgastemperaturen für GuD-Anwendungen optimiert.

Im Vergleich zum Verbrennungsmotor hat die Gasturbine ein hohes Leistungsgewicht, aber geringere Wirkungsgrade. Daher lassen sich reine Gasturbinen als wenig kapitalintensive Stromerzeuger als Reserve- und Spitzenlastaggregate verwenden, die nur selten in Betrieb gehen (<500h pro Jahr).

GuD-Kraftwerk

Im Spezialfall der Befeuerung mit Erdgas (und auch Heizöl extra leicht HEL) wird meist in einer ersten Stufe eine Gasturbine (ähnlich wie in einem Flugzeug) verwendet, die direkt einen Generator antreibt. Die Austrittsgase sind noch sehr heiß und können dann in einer zweiten Stufe in einem Abhitzekessel Dampf erzeugen und den oben beschreibenen Kreissprozess eines Dampfkraftwerks antreiben. Die Kombination von Gas- und Dampfturbine (GuD-Kraftwerk) ermöglicht mit bis zu 60% die höchsten Wirkungsgrade bei der Verstromung fossiler Brennstoffe. Neben Erdgas ist auch die Verwendung von Biogas oder SNG (= synthetisches Erdgas) aus der Vergasung biogener Feststoffe denkbar.

Heizkraftwerk

Für die naheliegende Nutzung der Abwärme zu Heizzwecken, so wie dies in Heizkraftwerken und kleineren Blockheizkraftwerken geschieht, sind diese Großanlagen allenfalls in Industriebetrieben zur Lieferung von Prozesswärme sowie in Ballungsräumen zum Speisen von Fernwärmenetzen geeignet, da der Wärmetransport über große Strecken zu aufwändig ist.

In industriellen KWK-Anlagen wird die Wärme üblicherweise in Form von heißem Wasserdampf (Prozessdampf) bereitgestellt. Der abgekühlte Wasserdampf kondensiert unter Wärmeabgabe und wird über eine Kondensat-Leitung zurück zum Heizkraftwerk geführt. Fernwärmenetze zum Beheizen von Gebäuden werden üblicherweise als Heizwassernetze mit witterungsgeführter Vorlauftemperatur (bis 120°C) betrieben, vereinzelt sind auch noch Dampfnetze in Betrieb, die aber aus Kostengründen auf Heizwasser umgestellt werden. Die Wärme wird neben der Raumheizung zur Warmwasserbereitung und über Absorptionskältemaschinen auch zu Klimatisierung genutzt[13].

Bei den größeren Heizkraftwerken gibt es zwei Arten, wie die Wärme vom Wasser-Dampf-Kreislauf über Heizkondensatoren ins Wärmenetz gelangen kann. Zum einen verwendet man Gegendruckturbinen, die den Dampfmassenstrom nicht vollständig entspannen, sondern einen Restdruck übrig lassen, der dann im Heizkondensator für entsprechend hohe Nutztemperaturen sorgt. Zum anderen gibt es Entnahmedampfturbinen, bei der eine Teil des Dampfes in den Heizkondensator geleitet weden kann. Letztere Variante hat eine größere Flexibilität, da je nach Wärmebedarf der Dampfstrom zwischen dem Niederdruck-Teil der Turbine für maximale Stromproduktion oder dem Heizkondensator für maximalen Nutzwärmestrom gewählt werden kann.

Blockheizkraftwerk

Voraussetzung für ein wirtschaftliches Arbeiten von KWK-Anlagen ist wegen der Energieverluste beim Wärmetransport eine räumliche Nähe zwischen Heizkraftwerk und Abnehmer. Sofern nicht wie in hochverdichteten Ballungsräumen oder bei industriellen Abnehmern eine hohe Wärmesenkendichte vorherrscht, bedingt dies relativ kleine Anlagen und eine starke Dezentralisierung.

Bei einem Blockheizkraftwerk (BHKW) wird wie beim Heizkraftwerk nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung elektrische Energie erzeugt und gleichzeitig die entstehende Abwärme als Nutzwärme verwendet. Block steht hierbei für eine Modulbauweise eher kleinerer Größen von kW bis etwa 10 MW. Üblicherweise sind die Module Verbrennungsmotoren, es können aber auch Gasturbinen, Stirlingmotoren oder auch Brennstoffzellen sein.

Je nach Technik beträgt der Wirkungsgrad für die Erzeugung elektrischer Energie bei Mini-KWK-Anlagen[14] für Einfamilienhäuser und Wohnblocks mit ca. 1 bis 20 kW Leistung etwa 20%-30%; bei größeren Anlagen über 1 MW werden insbesondere bei Dieselmotoren 45% erreicht[15]. Zur Stromerzeugung kommt die Nutzung der Wärme hinzu, so dass bezogen auf den Primärenergieeinsatz Gesamtwirkungsgrade von 80% bis 90% erreicht werden.

Trotz des vorwiegenden Einsatzes von fossilen Brennstoffen (Erdgas oder Heizöl) ist die Ökobilanz also vergleichsweise günstig. Der differentielle Wirkungsgrad eines BHKWs liegt bei ca. 90% (= erzeugte elektrische Energie / zusätzlich benötigter Brennstoff). Gegenüber dem Strom aus dem Netz spart jede kWh aus einem erdgasbetriebenen BHKW gut ein halbes Kilogramm CO2 ein.

Eine Alternative zur Verwendung von Motoren ist für kleine BHKW der Einsatz von Brennstoffzellen, die als elektrochemische Zelle ohne bewegliche Komponenten aus der indirekten Oxidation über eine Membran elektrischen Strom und Wärme erzeugt. Das Erdgas wird dabei bei Hochtemperatur-Brennstoffzelle wie der SOFC direkt genutzt oder per Reformierung in ein wasserstoffreiches Synthesegas umgewandelt und dann dem BZ-Stapel zugeführt.

Zu beachten ist, dass Blockheizkraftwerke üblicherweise auf die Grundlast des Wärmebedarfs ausgelegt werden und der Spitzenbedarf für Wärme durch einen klassischen Kessel gedeckt wird. Ein Wärmespeicher (ein Warmwassertank ähnlich einem Solarspeicher bei der Solarthermie) kann dabei helfen, kleinere Spitzen abzufahren und entkoppelt die Wärmeerzeugung und den Bedarf zeitlich. Damit lässt sich das BHKW auch zeitweise stromgeführt betreiben, d.h. der schlecht speicherbare Strom wird dann produziert wenn er benötigt wird und die Wärme wird zwischengespeichert.

Entscheidend ist, dass der nicht selbst verbrauchte Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist und dass bei Bedarf zusätzlicher Strom aus dem Netz entnommen werden kann. Wirtschaftlich vorteilhafter ist es jedoch bei den kleinen, gebäudeintegrierten BHKW den Anteil der Rückspeisung zu minimieren, da substituierter Fremdbezug i.d.R. mehr Geld einspart als die Vergütung der Einspeisung. Eine Optimierung des Gesamtsystems erreicht man durch Kopplung einer großen Anzahl kleiner, regional gestreuter BHKW zu virtuellen Kraftwerken, die Systemdienstleistungen zur Netzstabilisierung übernehmen können.

BHKW können auch mit nachwachsenden Rohstoffen, beispielsweise Biodiesel oder Holzpellets betrieben werden. Der ins öffentliche Netz eingespeiste Strom wird bei Verwendung biogener Rohstoffe nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz vergütet. Mit fossilen Brennstoffen betriebene KWK-Anlagen erhalten eine Förderung nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz.

Energiespeicherung

Die Versorgungssicherheit mit Energie zu garantieren ist bei zunehmenden Anteilen fluktuie-render, regenerativer Energiequellen, steigenden Preisen für fossile Rohstoffe und einer Ab-kehr von Kernkraftwerken ein schwieriges Problem, dass gleichwohl unbedingt gelöst werden muss. Die gilt insbesondere für die bedarfsgerechte Bereitstellung elektrischer Energie, aber auch für Gas und Fernwärme. Dabei spielen auch die Vermeidung von Umweltbelastungen und Klimaveränderungen eine bedeutsame Rolle. Einen wesentlichen Beitrag zur Versorgungssicherheit liefern effiziente Energiespeicher, die bereits heute ein fester Be-standteil der Energieversorgungs-Infrastruktur sind. Damit die hoch gesteckten Ziele der Umstellung auf erneuerbare Energien erreicht werden können, müssen Forschung, Entwick-lung und technische Umsetzung effizienter Energiespeichersysteme weiter voran getrieben werden.

Es existieren zahlreiche Möglichkeiten zur Energiespeicherung, durch prinzipiell das benötigte Spektrum abgedeckt werden kann. Es gibt jedoch kein universell einsetzbares verfahren, das den gesamten Speicherbedarf abdecken könnte, es kommt vielmehr auf die lokalen Möglichkeiten, die Art der Energieerzeugung, die erforderliche Dauer der Speicherung, die gewünschte Verfügbarkeit, die Zyklenbeständigkeit, die Robustheit und die Kosten an. Limi-tierend für die erreichbaren Energiedichten sind dabei naturwissenschaftliche Gesetzmäßig-keiten und technische Möglichkeiten der Umsetzung. Grundsätzlich neue Konzepte sind dabei nicht in Sicht, so dass sich der Fortschritt vergleichsweise unspektakulär und durch die Öffentlichkeit wenig beachtet im Detail abspielt.

Im Folgenden werden einige Konzepte zur Energiespeicherung vorgestellt. Dabei erfolgt eine Beschränkung einerseits auf die aus heutiger Sicht wichtigsten und andererseits auf beson-ders zukunftsweisende Verfahren.


Elektrische und elektrochemische Speicherung

Akkumulatoren

Die bekannteste Form der Speicher für elektrische Energie sind sicher Akkumulatoren, also wieder aufladbare Batterien. Seit ca. 2000 sind effiziente Lithium-Ionen-Akkus neben den nach wie vor weit verbreiteten Bleiakkus und Sekundärzellen aus Nickel-Cadmium sowie Nickel-Metallhydrid in Konsumgütern (Handys, Laptops) im weit verbreiteten Einsatz. Der oft beschworene Mangel an Lithium angesichts der projektierten Elektrifizierung des Straßenverkehrs gilt nur bei Beschränkung auf bestehende Förderanlagen, weitere "Lithiumminen" an südamerikanischen Salzseen sind im Aufbau. Lithium wird in den Akkumulatoren nicht verbraucht, sondern es kann wieder verwendet werden. Lithium ist keineswegs ein seltenes Metall, aber problematisch ist für die Gewinnung, dass es meist fein verteilt vorkommt, hauptsächlich in Zehntelprozentanteilen in Salz. Die Kosten des Lithium-Anteils an Batterien sind so gering, so dass sich ein Recycling im Wesentlichen wegen des auch darin vorhandenen Cobalts viel eher rechnet.

Die Eigenschaften von Li-Ionen-Akkumulatoren können wie folgt zusammen gefasst werden:

● Die Selbstentladung ist mit < 2% pro Monat sehr gering
● Alterungs- und Memory-Effekte sind vernachlässigbar
● Der Wirkungsgrad liegt bei 90%
● Die Spannung pro Zelle beträgt etwas mehr als 3 Volt
● Die Ladespannung muss ca. ein Volt über der Zellenspannung liegen
● Schnellladung ist möglich
● Die Energiedichte ist mit 0.1 bis 0.2 kWh/kg im Vergleich zu Benzin sehr gering
● Bei mechanischen Beschädigungen, Kurzschluss und Überhitzung besteht Feuergefahr (bis auf Akkus mit Lithiumeisenphoshat oder keramischen Separator)

Funktionsweise

Ein Akkumulator besteht aus zwei Elektroden, die durch ein leitendes Medium, den Elektrolyten, verbunden sind. Unterschiedliche Akkumulatoren unterscheiden sich durch das Elektrodenmaterial und den Elektrolyten. Legt man an einen Akkumulator eine Ladespannung an, so werden die an der positiven Elektrode (Anode) gebundenen Atome ionisiert, d.h. sie verlieren ein Elektron und werden dadurch zu positiv geladenen Ionen. Diese lösen sich im Elektrolyten und werden durch die negative Elektrode (Kathode) angezogen und dort gebunden. Durch den in Gegenrichtung laufenden elektrischen Strom der negativ geladenen Elektronen wird die Ladung der Ionen ausgeglichen, so dass an der Kathode wieder neutrale Atome entstehen und der Akkumulator auch nach außen hin neutral ist. Auf diese Weise wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, wobei die chemische Bindung aber letztlich ebenfalls auf der elektromagnetischen Wechselwirkung beruht. Der Ladeprozess ist beendet, wenn der Vorrat an ionisierbaren Metallatomen vollständig von der Anode zur Kathode transportiert worden ist. Ein weiteres Anlegen der Ladespannung (Überladen) kann den Elektrolyten beeinflussen und den Akkumulator zerstören. Dieser Prozess ist prinzipiell derselbe wie beim Galvanisieren (z.B. Versilbern und Vergolden) oder beim elektrolytischen Abscheiden sehr reiner Metalle, insbesondere bei der Affinerie von Kupfer.

Bei der Nutzung des Akkumulators als Energiequelle werden die beiden Elektroden über einen Verbraucher elektrisch leitend verbunden. Dies bewirkt, dass an der Elektrode, die zuvor die Ionen aufgenommen hat, eine chemische Oxidationsreaktion stattfindet. Dadurch werden wie beim Laden Elektronen von den Atomen getrennt, so dass positive Ionen und negative Elektronen frei werden. Die Elektronen fließen nun als elektrischer Strom durch den Verbraucher in umgekehrter Richtung, wie zuvor der Ladestrom. Die Rollen von Anode und Kathode kehren sich also um. Als Ausgleich zum Ladungsfluss der Elektronen bewegen sich die entgegengesetzt, also positiv geladenen Ionen wieder durch den Elektrolyten zur gegen-über liegenden Elektrode, wodurch der Akkumulator nach außen wieder elektrisch neutral wird. Der Entladungsstrom fließt so lange, bis der verfügbare Vorrat an Ionen vollständig zur Kathode gewandert und damit aufgebraucht ist. Danach muss der Akkumulator wieder gela-den werden. Die folgende Abbildung stellt diesen Vorgang vereinfacht dar.


Abbildung: Zur Wirkungsweise eines Akkumulators mit zwei Elektroden (Anode und Kathode), die in einen Elektrolyten eingelassen sind. Links ist der Ladevorgang, und rechts der Entladevorgang dargestellt, bei dem beispielsweise eine Lampe zum Leuchten gebracht werden kann. Die Bewegung der negativen Elektronen und der positiven Ionen ist durch Pfeile angegeben.

Anwendungen

Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden weit verbreitet als Energiespeicher in Elektrogeräten von der Taschenlampe über Fotoapparate und Telefone bis hin zu Laptops eingesetzt. Ein Einsatz in der Energietechnik ist als unterbrechungsfrei Stromversorgung bekannt, hier werden in der Regel stationäre Bleiakkus genutzt. Einzelne Großbatterien wurden bzw. werden zur Systemstabilisierung eingesetzt, wie z.B. in Berlin (17 MW) oder Fairbanks (27 MW). Des Weiteren dienen Akkumulatoren als Energiespeicher für Elektroautos.

Auch der Einsatz von Megabatterien für die Pufferung von Fluktuationen bei der regenerativen Elektrizitätserzeugung ist in Pilotanlagen realisiert, so etwa als eine Anlage mit 6 MW bei der Tokyo Electric Power Company. In Deutschland gibt es 2010 noch keine vergleichbare NaS-Installation, die Fa. Younicos will aber damit ein Pilotprojekt auf der Kanareninsel Graciosa ausstatten.

Eine weitere Möglichkeit stellen Redox-Flow-Systeme dar. Dies sind Akkumulatoren, bei denen das energiespeichernde Material außerhalb der Zelle gelagert wird. Vorteilhaft ist dabei, dass die Speicherkapazität leicht ausgebaut werden kann. Die externen Elektrolyttanks könnten zudem per Tanklaster befördert werden, was aufgrund der niedrigen Energiedichte allerdings ähnlich ökonomisch schwierig ist wie das Konzept "Wärme in Dosen" mit PCM-Containern als mobile Versorgungsinfrastruktur. In Irland soll in einem Windpark eine erste Großbatterie dieser Art installiert werden.

Mechanische Speicherung

Pumpspeicherwerke

Bei klassischen Pumpspeicherwerken (PSW) wird beim Betrieb von Wasserkraftwerken bei Stromüberschuss ein Wasservorrat in ein höher gelegenes Becken zu gepumpt und von dort bei Bedarf zu Spitzenlastzeiten wieder zur zusätzlichen Stromerzeugung verwendet. Die An-laufphase beträgt nur einige Minuten, der Wirkungsgrad liegt zwischen 70 und 80%. Der Schwerpunkt künftiger Entwicklungen liegt auf einer technischen Verbesserung bestehender Anlagen. In Deutschland ist eine zahlenmäßige Ausweitung möglich, allerdings werden dann zweit- oder drittklassige Standorte aktiviert werden müssen, die deutlich teurer zu erschließen sind. In bergigen Gebieten wie der Schweiz sind PSW eine wesentliche Komponente der Energieinfrastruktur.

Eine Option für den Bau neuer PSW besteht darin, zukünftig unterirdische Anlagen zu installieren, etwa durch Ausnutzung aufgelassener Bergwerkschächte. Bei diesem Prinzip wird bei Stromüberschuss Wasser durch eine elektrisch betrieben Pumpe aus dem Unterbecken in ein Oberbecken gepumpt. Bei Strombedarf kann dann das Wasser aus dem Oberbecken eine im Schacht am Unterbecken befindliche Turbine mit Generator antreiben. Ist das Oberbecken leer, so muss bei Auffrischen der Windes ein neuer Füllzyklus gestartet werden.

Alternativ sind neben Süß- auch Salzwasserstandorte denkbar. In Japan gibt es bereits ein Pumpspeicherwerk an einer Steilküste, welches Meerwasser ins Oberbecken pumpt.

Eine weitere Idee stellt der Lageenergiespeicher dar. Ein großer Felszylinder wird durch Wasserdurck auf und abbewegt. So lassen sich riesige Mengen an Energie speichern. Es bestehen größenabhängige Skalierungseffekte: Ist der Speicher sehr groß (Zylinderradius 500 m), so kann die gesamte elektrische Energie, die in Deutschland an einem Tag verbraucht wird, gespeichert werden. Außerdem sinken die Baukosten mit der Größe, sodass der Speicher sehr wirtschaftlich sein müsste. Da dieses Projekt bisher nur auf dem Papier existiert, ist die Umsetzung im kleinen Maßstab (50 m Radius) zum Test umso schwieriger, weil der Speicher bei kleinerer Dimension unwirtschaflich wird. Trotzdem wirkt das Konzept vielversprechend, weil die technischen Probleme lösbar erscheinen. Es stellt sich die Frage wie groß man den Speicher bauen muss, damit er zum einen noch wirtschaflich ist, zum anderen noch ins Elektrizitätsnetz eingebunden werden kann.

Druckluftspeicher

Das Problem an Druckluftspeicherung ist, dass der Wirkungsgrad beim Verdichten und erneuten Entspannen des Gases gering ist. Der Wirkungsgrad beim Verdichten kann bei etwa 40% liegen. Dies liegt auch daran, dass sich das Gas nennenswert erwärmt, sodass die mechanische Energie in Wärme umgesetzt wird. Umgekehrt wird diese Wärme bei Entspannen wieder nötig. Als Luftspeicher kommen nur unterirdische Kavernen, wie sie bereits als Puffer im Erdgasnetzt genutzt werden, in Frage. Hier lassen sich problemlos große Volumen mit über 100 bar speichern.

Die Idee vom Druckluftspeicherkraftwerk ist alt, allerdings gibt es derzeit nur zwei bestehende Anlagen. Es ist denkbar durch eine Zwischenspeicherung der Wärme den Wirkungsgrad zu steigern. EnBW erhofft sich so 50 - 70 % Wirkungsgrad[16]. Mit diesen Werten würde es einem Pumpspeicherkraftwerk (70 - 80 %) schon sehr nahe kommen und wirtschafliches Potential bieten. Die Technologie könnte vielversprechend sein, weil kaum Risiken bestehen und die Eingriffe in die Natur und Flächenverbrauch gering sind.

Schwungradspeicher

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Stoffliche Speicherung

Klassische stoffliche Speicherung

Energieträger wie Erdgas und Kraftstoffe werden seit langem in Großbehältern gespeichert um Lieferengpässen über Wochen oder Monate ausgleichen zu können. Neben stationären Speichern, die als riesige Tanks in vielen Städten anzutreffen sind spielt auch der mobile Transport in Tankschiffen und Tanklastwagen eine bedeutende Rolle. Neben Großtanks kommen auch mehr und mehr stillgelegte Bergwerke und Hohlräume in Salzstöcken als Lager infrage.

Mobile Flüssiggas- und Wasserstofftanks

Für in Fahrzeugen genutzte Flüssiggastanks mit bis zu 600 bar Druck kommen verstärkt Aluminium- und von Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz. Man erreicht damit eine Ge-wichtsreduktion gegenüber den noch vorherrrschenden Stahltanks von bis zu 75%, jedoch bei einem deutlich höheren Preis.

Dies gilt auch für Wasserstofftanks mit einem Druck bis zu 200 bar. Die Kompression ist al-lerdings relativ energieaufwendig. Untersucht wird auch die Speicherung flüssigen Wasser-stoffs, da diese eine sehr viel höhere Energiedichte aufweist. Allerdings ist bei dieser Kryospeicherung eine extrem niedrige Temperatur von -253 °C aufrecht zu erhalten, was eine noch nicht beherrschte technische Herausforderung darstellt. Derzeit geht dadurch etwa ein Drittel des Energieinhalts des Wasserstoffs wieder verloren, von den Gefahren bei Be-tanken oder Unfällen ganz zu schweigen.

RPM-Konzept

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Thermische Speicherung

Wasser- und Dampfspeicher

Stand der Technik bei der Speicherung von Wärme, aber auch von Kälte, sind Behälter mit Wasser als Speichermedium. Diese werden vor allem in Wohngebäuden verwendet, wobei Heißwasser bis 90 °C, in größeren Anlagen, etwa Blockheizkraftwerken, werden dagegen Dampfspeicher mit überhitztem Wasserdampf eingesetzt. Diese dienen auch als Kurzzeit-speicher für Prozesswärme in Industrieanlagen. Darüber hinaus können Dampfspeicher in der elektrischen Energieversorgung als Pufferspeicher zur Abdeckung von Leistungsspitzen eingesetzt werden. Für Speicherzeiten von mehr als einigen Tagen sind große Speicher von mehreren 1000 Kubikmetern erforderlich, was einen hohen Aufwand bedeutet. Eine interessante Entwicklung sind ferner Kies-Wasser-Wärmespeicher und Erdsonden-speicher. Dabei wird Wasser kostengünstig unterirdisch in Kies, Erd- oder Gesteinsschichten gespeichert, wobei der Wärmeaustausch meist über eingelassene Rohrschlangen erfolgt und oft unter zusätzlichem Einsatz von Wärmepumpen erfolgt. Derartige Speicher sind hauptsächlich bei Solaranlagen im Gebäudebereich zum Ausgleich jahreszeitlicher Unter-schiede von Nutzen. Nach einer bis zu fünf Jahren dauernden Einschwingphase schätzt man, dass bis zu 70% der im Sommer eingespeisten Energie im Winter wieder genutzt werden kann.

Öl- und Salzspeicher

Eine höhere Wärmekapazität als Wasser weisen Öle und Salze auf. Hauptsächlich werden dieser für die Speicherung industrieller Prozesswärme genutzt.

Bei hohen Temperaturen von über 300 °C flüssige Salze werden zudem in solarthermischen Kraftwerken genutzt, damit diese auch in sonnenlosen Zeiten für begrenzte Zeit Elektrizität liefern können. Im Unterschied zu Fotovoltaik-Anlagen liefern thermische Solarkraftwerke nur bei direkter Sonneneinstrahlung Energie, so dass die Zwischenspeicherung von thermischer Energie ein wesentlicher Punkt ist. Dies ist auch ein Grund dafür, dass thermische Solar-kraftwerke nur in sonnensicheren, südlichen Ländern sinnvoll betreibbar sind. Auf diesem Gebiet herrscht aktive Forschungstätigkeit, so dass deutliche Effizienzsteigerungen und Kos-tensenkungen zu erwarten sind.

Latenzwärmespeicher

wird die gespeicherte Wärme von einem Material dadurch aufgenommen, dass es seinen Aggregatzustand verändert. Dieses als Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) bezeichnete Speichermaterial ermöglicht die Aufnahme von relativ großen Wärme- bzw. Kältemengen sowie hohe Energiedichten – und das bei weitgehend konstanter Be-triebstemperatur. Im Vergleich zu sensiblen Speichern sind damit 10- bis 20-fach höhere Wärmespeicherdichten erzielbar. Aufgrund der relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Spei-chermediums benötigt man aber sehr große spezifische Oberflächen, die u.a. durch Mikro-verkapselung der Speichermaterialien oder auch durch neue Verbundmaterialien möglich werden soll. PCM sind nach Temperaturbereichen differenzierbar. Mit Latentwärmespeichern können Temperaturschwankungen innerhalb eines Systems geglättet, Temperaturspitzen verhindert und industrielle Prozesswärme bereitgestellt werden. In den letzten Jahren haben zahlreiche PCM-Produkte ihre Marktreife erreicht. Zukünftig werden Phasenwechselfluide (Phase Change Slurries, PCS) einsetzbar sein, die noch weitaus größere Energiemengen pro Volumen speichern und damit kompaktere Speicher realisierbar machen.


Energieverteilung und Handel

Energiehandel

Energieträger wie Öl, Gas, Strom aber auch Kohle sind fungible Güter, d.h. sie sind gut austauschbar. Sie unterscheiden sich nur unwesentlich voneinander. (Strom hat keine Farbe, auch wenn die Werbung dies gerne vermittelt.) Daher ist der Preis das zentrale Charakteristikum.

Für Erdöl gibt es Rohstoffbörsen, Pipelinegebundenes Gas wird an sogenannten Hubs gehandelt. Der Stromhandel findet an speziellen Energiebörsen statt, an denen die Elektrizitätsunternehmen ihre Kraftwerkskapazitäten anbieten. Das Ergebnis von Angebot und Nachfrage resultiert in einem Market Clearing Price, bei dem der Umsatz maximal wird. Aus den Handelsergebnissen werden die Fahrpläne abgeleitet, d.h. die Sollkurven der Erzeugung und des Verbrauches für den Folgetag.

Neben dem sogenannten Spotmarkt d.h. unmittelbare lieferung am Folgetag ist elektrische Energie auch auf Termin zu handeln, d.h. mit einer Lieferverpflichtung in der Zukunft. Hier werden zwischen bedingten (Options) und unbedingten (Futures) Geschäften unterschieden.

Energienetze (Transport und Verteilung)

Beim Transport leitungsgebundener Energien wie Strom und Gas unterscheidet man zwei Arten von Tansportaufgaben. Das eine ist der Langstreckentransport über Ferngasleitungen (Hochdruck) und Hoch- und Höchstspannungstrassen (220 & 380 kV), der andere ist die distributive Nahverteilung über die Verteilnetze. Auf der Gasseite spricht man dabei von Mittel- und Niederdruckleitungen, beim Strom sind es Mittel- und Niederspannungsleitungen.

Energiespeicherung

Neben dem Ausbau der Netzinfrastruktur (Leitungen zum überregionalen Energietransport) gibt es auch die Möglichkeit, Energiespeicher einzusetzen. Der Netzausbau sorgt für eine Vergleichmäßigung über den Ort, Energiespeicher sorgen für eine Vergleichmäßigung über die Zeit.

Dezentrale Energiespeicherung ist aufgrund der höheren spezifischen Investitionssummen nur selten wirtschaftlich. Wenn allerdings der Energiespeicher bereits zu einem anderen Zweck angeschafft worden ist, z.B. als Batterie einer USV oder eines Elektrofahrzeuges, dann sieht dies deutlich positiver aus.

Großtechnische Energiespeicherung wird im elektrischen Netz überwiegend mit Pumpspeicherkraftwerken bewerkstelligt. Diese sind allerdings an eine Topographie mit Höhenunterschieden gebunden. Daher wird zusätzlich auch die Möglichkeit von Druckluftspeichern untersucht, von denen weltweit allerdings erst zwei realisiert wurden. Sie speichern die Energie in unterirdischen Hohlräumen, welche unter einem Druck von ~40-80 bar stehen.

Unterirdische Kavernen werden auch für Erdgasspeicher benutzt. Neben Salzkavernen eignen sich ebenfalls poröse unterirdische Schichten wie z.B. ausgeförderte Öl- und Gaslagerstätten oder auch Aquifere. Die Reichweite der in Deutschland gespeicherten Gasvorräte beträgt rund 3-4 Monate.

Referenzen

  1. Anpassung der Kraftwerksstruktur (Abb. 2)
  2. BoA-Kraftwerk Neurath und Niederaussem, Blockgröße 1100 MW, η=43%
  3. Kraftwerk Walsum Blockgröße 750 MW, η=45%
  4. Colin Campbell (2000): PEAK OIL - A Turning Point for Mankind (Video)
  5. Colin Campbell (2000): PEAK OIL - A Turning Point for Mankind (Vortragstext)
  6. Kraftwerk Irsching Blockgröße 530 MW, η=60%
  7. Flexibilität von Kernkraftwerken
  8. Pressemitteilung 2009-01-14: 41,1% Wirkungsgrad für Mehrfachsolarzellen am Fraunhofer ISE
  9. World Wind Energy Report 2008
  10. GEWEC Global Wind Statistics 2012
  11. FhG-UMSICHT (2008):Biogaseinspeisung
  12. [ http://www.agenda-energie-lahr.de/WP_Jahresbericht2006-08.html Agenda 21 Lahr(2008): Zweijähriger Feldtest Elektro–Wärmepumpen am Oberrhein]
  13. Fernkältenetz in Chemnitz
  14. BMU, IZES (2009): Strom, Wärme und Klimaschutz: Ein Leitfaden für kleine Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen
  15. ASUE (2005): BHKW-Kenndaten
  16. Druckluftspeicherkraftwerk mit 70% Wirkungsgrad