Elektrizität #

In diesem Beitrag geht es nur um eine grobe Beschreibung der Erzeugung und Speicherung von Strom, von elektrischer Energie. Weitere Aspekte und vor allem andere Arten der Energie werden unter Energie behandelt.

Methoden der Gewinnung von Elektrizität.#

Wasserkraft. #

Donaukraftwerk Jochenstein
Photo: Zur Verfügung gestellt von der Gemeinde Engelhartszell

Traditionell die älteste und insgesamt wenig die Umwelt belastende Art von Kraftwerk. Es gibt viele Arten, um die kinetische - oder potenzielle - Energie des Wassers auszunutzen.

In Flüssen geschieht das mit Laufkraftwerken, die unterhalb eines Stausees liegen. Damit wird ein Höhenunterschied der Wasserpegel erreicht, denn die Fallhöhe des Wassers beeinflusst natürlich die mögliche Leistung des Kraftwerks. Der Stausee bietet auch ein Reservoir für Energie für Zeiten, wenn mehr benötigt wird und hilft zudem bei der Verringerung der Hochwassergefahr.

In den Bergen benützte man hochgelegene Seen, die man gegebenenfalls weiter aufstaut (Speicherkraftwerk), oder pumpt bei Energieüberschuss sogar Wasser zurück. Natürlich entstehen durch das Hochpumpen und die erneute Stromerzeugung große Energieverluste, aber im Vergleich zu "verlorener" Energie ist das natürlich stets zu bevorzugen.

Das wird schon lange so gesehen, siehe IIASA-Options.

Wasserbewegungen können auch anders genutzt werden: Gezeitenkraftwerke, wo er Gezeitenhub in einer hinreichend großen Bucht möglichst hoch ist, Wellenkraftwerke, die die Kraft der Wellen ausnutzen, reine Strömungstorpedos, die man (mit geringer Ausbeute) in jedes fließende Wasser legen kann, wie die Wasserkraftschnecke, usw.

Einige konkrete Zahlen mögen interessieren.

Die Drei-Schluchten-Talsperre liegt am Jangtsekiang in China. Das Wasserkraftwerk ist mit einer installierten Generator-Leistung von 18,2 Gigawatt das größte der Erde, auch wenn es höhere und längere Talsperren und größere Stauseen gibt. Der durch die Staumauer entstandene Stausee erstreckt sich durch die berühmten Drei Schluchten über mehr als 600 km. Solche riesigen Stauseen sind nicht nur in vieler Hinsicht ökologisch bedrohlich, sie sind auch bei z.B. Erdbeben oder militärischen Angriffen eine riesige Gefahr für die talabwärts wohnende Bevölkerung.

Kölnbreinsperre als Teil der Maltakraftwerke
© Österreich Werbung, Bohnacker, für AEIOU

Die größte Kraftwerkgruppe in Österreich sind die Maltakraftwerke, ein komplexer Verbund mehrerer Zuflüsse und Kraftwerke, die über 12% des österreichischen Strombedarfs abdecken können und damit ca. das doppelte der Kapruner Kraftwerkekette liefern können.

Die Wasserkraft liefert (2016) ca. 16% des Weltbedarfes an elektrischer Energie und rund 3/4 der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen, die 22% des Weltstrombedarfs deckten. Norwegen deckt fast seinen gesamten Elektrizitätsbedarf mit Wasserkraft, Brasilien rund 80 %. In Österreich beträgt die Wasserkraftquote rund 55 % (36 TWh) an der gesamten Stromproduktion, in der Schweiz sind es rund 60 %.

Eine ausführliche Darstellung findet sich in Energie durch Wasserkraft.

Kalorische Kraftwerke#

Hier sollen alle Kraftwerke zusammengefasst werden, die mit Dampfturbinen oder Gasturbinen o.Ä. betrieben werden, unabhängig davon, ob sie mit fossilen Brennstoffen, Biogas, oder atomarer Energie arbeiten. Je nach Land decken sie 60 - 100% des Strombedarfs des Landes ab, Ausnahmen sind Norwegen, Schweiz und Österreich, wo die Wasserkraft dominiert.

Besonders schlecht, was Luftverschmutzung anbelangt, liegen bekanntlich die Braunkohle- und Steinkohlekraftwerke, von denen Deutschland viel Energie bezieht. Durch die Verbrennung von Kohle wird pro erzeugter Energieeinheit viel Kohlendioxid freigesetzt. Die zunehmende Freisetzung des Treibhausgases Kohlendioxid seit Beginn der Industriellen Revolution gilt oft als die Hauptursache der globalen Erwärmung. Etwa 78 % der gesamten anthropogenen Treibhausgasemissionen im Zeitraum 1970 bis 2010 sind auf die Verbrennung fossiler Energieträger zurückzuführen. Braunkohlekraftwerke stoßen mit 850–1200 g CO 2 pro kWh mehr Kohlendioxid aus als Steinkohlekraftwerke mit 750–1100 g CO 2 pro kWh. Damit liegt der Ausstoß von Kohlekraftwerken deutlich höher als der der ebenfalls fossil betriebenen Gaskraftwerke, die 400–550 g pro kWh emittieren. Bei Einsatz aktueller Technik, wie z.B. im Kraftwerk Irsching, beträgt dieser Ausstoß nur noch gut 330 g CO2 pro kWh. Noch deutlich geringere Emissionen weisen aber erneuerbare Energien auf: Während Windenergie und Wasserkraft ca. 10–40 g/kWh Kohlendioxidemission haben, liegt der Wert bei Photovoltaik bei 50–100 g/kWh. Bei der Kernenergie liegt er bei 10–30 g/kWh.

In den obigen Betrachtungen sind nicht eingeflossen, dass auch CO 2 neutrale Brennstoffe in Frage kommen, wie Algenprodukte, Holz oder Pellets, siehe dazu Energiespeicherung.

Erneuerbare Energien: Solar und Wind#

Solar: Mit Stand 2015 gab es weltweit Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von 227 GW. Ende 2014 waren weltweit mehr als 177 GW Nennleistung installiert, die mit rund 200 TWh jährlicher Produktion etwa 1 % des weltweiten Strombedarfs decken konnten. In Europa deckte die Photovoltaik in diesem Jahr 3,5 % des gesamten Strombedarfs bzw. 6 % des Spitzenlastbedarfs. Spitzenreiter war Italien mit einem Anteil von etwa 8 % am Stromverbrauch. In Deutschland trug Photovoltaik mit etwa 7 % zum Stromverbrauch bei. 2014 betrug der weltweite Marktanteil von kristallinen Siliziumzellen ca. 90 %. Es wird erwartet, dass Siliziumzellen auch langfristig die dominierende Photovoltaik-Technologie bleiben und gemeinsam mit Windkraftanlagen die „Arbeitspferde“ der Energiewende sein werden.

Die Photovoltaik galt lange als die teuerste Form der Stromerzeugung mittels erneuerbaren Energien. Dies ist mittlerweile durch die starken Kostensenkungen der Anlagenkomponenten jedoch überholt. Mittlerweile liegen die Stromgestehungskosten der Photovoltaik in bestimmten Regionen der Erde auf ähnlichem Niveau wie bei fossilen Konkurrenten (Stand 2015). Allerdings ist Solarstrom bereits heute konkurrenzfähig, wenn die externen Kosten der fossilen Stromerzeugung (d.h. Umwelt-, Klima- und Gesundheitsschäden) mit berücksichtigt werden.

Als "kleine Version" gelten Sonnenkollektorsysteme, die freilich meist nur für Wärmegewinnung und nicht zu Stromerzeugung eingesetzt werden. Diese verursachen während des Betriebes keine direkten Emissionen und verringern im Vergleich mit konventionellen Heizungssystemen CO 2 und Feinstaub-Emissionen. Bereits in wenigen Monaten hat ein Kollektor die gleiche Menge an Energie der Heizung zugeführt, die für die Produktion usw. des Kollektors aufgewendet werden musste. Abhängig vom Standort (d. h. jährlicher Solarstrahlung) und verwendeter Technik liegt die energetische Amortisationszeit zwischen 2 und 12 Monaten, die Kohlenstoffdioxidrücklaufzeit bei ca. 2 Monaten.

Die "Große Version" sind Kraftwerke, welche die Direktstrahlung der Sonne mit Reflektoren auf einen Solarabsorber bündeln, und solche, die ohne konzentrierende Reflektoren arbeiten und die gesamte Globalstrahlung nutzbar machen. Sonnenwärmekraftwerke erreichen je nach Bauart höhere Wirkungsgrade als Photovoltaikanlagen, haben jedoch höhere Betriebs- und Wartungskosten und erfordern eine bestimmte Mindestgröße. Sie sind nur in sonnenreichen Regionen der Erde mit hoher direkter Sonneneinstrahlung wirtschaftlich einsetzbar.

Wind:

Ende 2015 waren weltweit Windkraftanlagen mit einer Nennleistung von ca. 430 GW installiert, davon 175 GW in Asien, 147 GW in Europa und 101 GW in Amerika. Diese sind in der Lage ca. 3,7 % des weltweiten Strombedarfs zu decken. 2014 lieferten die weltweit installierten Anlagen nach Zahlen von BP rund 706 TWh elektrischer Energie, entsprechend etwa 3 % des weltweiten Strombedarfs. Auf guten Standorten sind die Stromgestehungskosten von Windkraftanlagen mittlerweile günstiger als die Stromgestehungskosten durch neue Kohle- und Kernkraftwerke.

Windenergie ist Teil eines Energiemixes und bildet eine Säule der erneuerbaren Energien. Ihr Hauptnachteil ist – insbesondere bei Onshore-Anlagen – die unregelmäßige, mit dem Wind schwankende Leistungsabgabe, die durch ein sinnvolles Kraftwerksmanagement ausgeglichen werden muss. Maßgeblich ist jedoch die Summe der eingespeisten Energie über größere Gebiete, da sich die Schwankungen der jeweiligen Windgeschwindigkeiten durch Kombination von Windenergieanlagen an verschiedenen Standorten teilweise ausgleichen. 2012 betrug z. B. die maximale onshore Einspeisung in Deutschland mit 24.086 MW etwa 78 % der installierten Gesamtnennleistung.

Andere erneuerbare Energien können ausgleichend wirken und haben teils ein gegenläufiges Angebotsverhalten. Die durchschnittliche Kurve der Einspeiseleistung von Windenergieanlagen zeigt in Westeuropa im Durchschnitt tagsüber höhere Werte als nachts und im Winter höhere als im Sommer, sie folgt somit über den Tagesverlauf wie auch jahreszeitlich dem jeweils benötigten Strombedarf. In Deutschland wird in den Wintermonaten üblicherweise etwa doppelt so viel Windstrom erzeugt wie in den Sommermonaten.

Methoden der Speicherung von elektrischer Energie#

Akkus#

Obwohl wir noch immer von Batterien verschiedener Größe wie A, AA AAA etc. sprechen, ist dieses Wort weitgehend abgelöst durch den Begriff Akku.

Ein Akkumulator oder Akku ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement wird Sekundärelement oder Sekundärzelle genannt, im Gegensatz zur nicht (oder nur sehr begrenzt) wiederaufladbaren Primärzelle. Sekundärzellen lassen sich – wie Primärzellen und alle elektrische Energiequellen – zusammenschalten, entweder in Reihenschaltung (zur Steigerung der nutzbaren elektrischen Spannung) oder aber in Parallelschaltung (zur Steigerung der nutzbaren Kapazität beziehungsweise wegen der Eignung für höhere Stromstärken).

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurück gewandelt. Die für eine elektrochemische Zelle typische elektrische Nennspannung, der Wirkungsgrad und die Energiedichte, hängen von der Art der verwendeten Materialien ab.

Es gibt unzählige Akku-Typen. Wir konzentrieren uns hier auf den gängisten Typ, den Lithium-Ionen Akku. Ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle. Die reaktiven Materialien sowohl in der negativen als auch in der positiven Elektrode sowie der Elektrolyt enthalten Lithiumionen.

Lithiumionen-Akkus verschlechtern sich sowohl durch Benutzung, wobei eine vollständige Ladung und Entladung als Zyklus bezeichnet wird, als auch ohne Benutzung einfach mit der Zeit. Insbesondere die Mehrheit der in Endverbrauchergeräten verbauten Lithiumionen-Akkus der ersten Generationen hatten nur eine kurze Lebensdauer. Teilweise konnten die Nutzer schon nach einem Jahr erhebliche Kapazitätsverluste feststellen; nach zwei bis drei Jahren war so mancher Lithiumionen-Akku bereits unbrauchbar geworden. Dabei stellte sich heraus, dass der schleichende Kapazitätsverlust weniger von der Zahl der Lade-Entlade-Zyklen, sondern vor allem von den Lagerbedingungen abhing: Je höher die Temperatur und je voller der Akku, desto eher kam es zum Ausfall. Bei aktuellen Lithiumionen-Akkus liegt die kalendarische Lebensdauer deutlich höher, so dass inzwischen meist die Zyklenhaltbarkeit entscheidet, wie lange der Akku verwendet werden kann. Die Zyklenlebensdauer ist abhängig von Art und Qualität des Akkus, von der Temperatur, und von der Art der Nutzung des Akkus, insbesondere (Ent-)Ladehub, Ladeschlussspannung und Stärke der Lade- sowie Entladeströme. Bei hohen Temperaturen verringert sich die Zyklenhaltbarkeit drastisch, weshalb der Akku am besten bei Raumtemperatur verwendet werden sollte. Niedrige Temperaturen während des Betriebs, nicht jedoch während der Lagerung, sind ebenfalls schädlich. Durch flaches Laden und Entladen wird die Haltbarkeit stark überproportional verbessert, das heißt, dass ein Lithiumionen-Akku, von dem statt 100 % nur 50 % der maximalen Kapazität entladen und dann wieder geladen werden, die mehr als doppelte Zyklenzahl durchhält.

Ebenso erhöhen starke Lade- und Entladeströme die mechanischen und thermischen Belastungen und wirken sich so negativ auf die Zyklenzahl aus. Zunehmend werden jedoch auch im Endverbraucherbereich bessere Lithiumionen-Akkus mit längerer Haltbarkeit verkauft. Apple gibt für die in die MacBooks eingebauten Akkus beispielsweise an, dass nach fünf Jahren und 1000 Zyklen immer noch 80 % der Anfangskapazität zur Verfügung stehen. Bei Beachtung der von den schlechten Akkus der ersten Generationen gelernten Anwendungsregeln dürfte die mit den genannten moderneren Akkus tatsächlich erzielbare Zyklenzahl noch deutlich höher ausfallen.

Ein Problem aller Akkus ist die im Vergleich zu flüssigen Treibstoffen geringe Energiedichte, die nur bei ca. 10% von z.B. Benzin liegt. Das ist auch der Grund, warum Elektroautos trotz großer Batterien relativ häufig aufgeladen werden.

Das für die Produktion der Akkus benötigte Lithium wird aus lithiumhaltigen Salzlösungen durch Verdunsten des Wassers und Zugabe von Natriumcarbonat (Soda) als Lithiumcarbonat ausgefällt. Dazu wird die Salzlake zunächst so lange an der Luft eingeengt, bis der Lithiumgehalt 0,5 % überschreitet. Durch Zugabe von Natriumcarbonat fällt daraus das schwerlösliche Lithiumcarbonat aus.

Mengenmäßig wurden 2008 außerhalb der USA 27.400 t Lithium gewonnen und überwiegend als Lithiumcarbonat (Li2 CO3 ) gehandelt. Von diesen entfallen 12.000 t auf den chilenischen Salar de Atacama und knapp 7000 t auf die australische Greenbushes-Mine.

Zur Gewinnung von metallischem Lithium wird das Lithiumcarbonat zunächst mit Salzsäure umgesetzt. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid, das als Gas entweicht, und gelöstes Lithiumchlorid. Diese Lösung wird im Vakuumverdampfer eingeengt, bis das Chlorid auskristallisiert:

Die Apparate und Anlagen für die Lithiumchlorid-Gewinnung müssen aus Spezialstählen oder Nickellegierung sein, da die Salzlauge sehr korrosiv wirkt. Metallisches Lithium wird durch Schmelzflusselektrolyse eines bei 450-500 °C schmelzenden eutektischen Gemisches aus 52 Massenprozent Lithiumchlorid und 48 Massenprozent Kaliumchlorid hergestellt.

Das Kalium wird bei der Elektrolyse nicht abgeschieden, weil es in der Chlorid-Schmelze ein niedrigeres Elektrodenpotential hat. Spuren von Natrium werden jedoch mit abgeschieden und machen das Lithium besonders reaktiv (vorteilhaft in der organischen Chemie, schlecht für Li-Batterien). Das flüssige Lithium sammelt sich an der Elektrolytoberfläche und kann so relativ einfach aus der Elektrolysezelle ausgeschleust werden. Es ist ebenfalls möglich, Lithium per Elektrolyse von Lithiumchlorid in Pyridin zu gewinnen. Diese Methode eignet sich besonders gut im Labormaßstab.

Brennstoffzelle#

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt zumeist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. So wird erst chemische Energie durch Verbrennung in thermische Energie und dann in mechanische Arbeit umgewandelt. Erst aus dieser wird im Generator Strom erzeugt.

Eine Brennstoffzelle ist jedoch in der Lage, die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen und ist dadurch potenziell effizienter. Im Unterschied zu einer Verbrennungskraftmaschine wandelt sie chemische Energie direkt in elektrische Energie um und unterliegt nicht dem schlechten Wirkungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen. Die theoretisch erreichbare Nutzarbeit kann damit höher sein als bei der Koppelung einer Wärmekraftmaschine mit einem Generator zur Stromerzeugung. Bei vielen Anwendungen ist auch der mit der Kombination von Brennstoffzelle und Elektromotor erzielte Wirkungsgrad höher als der von Otto- oder Dieselmotoren. Allerdings sollte in der gesamten Wirkkette auch der Aufwand zur Herstellung und Speicherung der Energie mit betrachtet werden.

Gut erforscht ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Man beachte aber, dass eine Brennstoffzelle an sich kein Energiespeicher ist, sondern ein Energiewandler. Die Energie wird in chemisch gebundener Form mit den Brennstoffen zugeführt. Der Vorteil von Brennstoffzellen gegenüber Akkus ist ihre höhere Energiedichte, weshalb sie z.B. auch erfolgreich in der Raumfahrt eingesetzt wird.

Andere Speicherungsmethoden#

Akkus und Brennstoffzellen sind im Grunde nur die zwei gängigsten Formen, Strom in chemische Form zu speichern. Andere Methoden sind die Verwendung der Elektrizität zur Elektrolyse, womit Wasserstoff gewonnen werden kann, der entweder direkt als Treibstoff (Wasserstoffauto) verwendet werden kann, oder der in Kombination mit Wasser und Kohlendioxyd in Methanol umgewandelt werden kann. Tatsächlich ist Methanol eine der meist hergestellten organischen Chemikalien. Die technische Methanolherstellung erfolgt hauptsächlich katalytisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Mit der Technologie "Methanol to Gasoline" wird aus Methanol Kraftstoff. Methanol wird auch bei der Synthese von Biodiesel benötigt. In Brennstoffzellen kann es als Wasserstofflieferant dienen.

Der Grund, warum Wasserstoff als Treibstoff für z.B. Automotoren leider auch keine ideale Lösung ist, liegt nicht wie oft irrtümlich verbreitet an der Speicherung des Wasserstoffs in flüssiger Form oder unter hohem Druck (im Normalfall 350-900 bar), sondern im geringen spezifischen Gewicht: Für eine Kilo Wasserstoff (und es ist da fast gleichgültig, ob man von der flüssigen oder der stark komprimierten Version spricht) benötigt man ein Volumen von ca. 10 Liter. D.h., trotz der hohen Energie, die in einem kg Wasserstoff steckt, benötigt man sehr viel größere Tanks, um Autos mit entsprechender Reichweite auszurüsten.

Es ist fast wie verhext: verwendet man Batterien für Autos, so sind sie bei entsprechender Arbeitsfähigkeit schwer, verwendet man Wasserstoff, müssen die Tanks um ein vielfaches größer sein als normale Treibstofftanks.

Eine interessante Grafik, die 2021 mit 2022 vergleicht: Fossil erzeugte Energie in Deutschland steigt!