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Klimaschutzfonds Wedel e.V.

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Wissen : Strom

Strom! Ohne geht nichts. Der Wecker braucht Strom, um uns morgens aus dem Bett zu holen. Kaffee­maschine und Kühl­schrank brauchen Strom, damit wir mit dem Früh­stück die Lebens­geister auf Trab bringen. Weitere Helfer in Haus­halt, im Büro oder unsere Kommunikations­mittel brauchen Strom.

Die ersten Strom-Generatoren arbeiteten noch mit Dampf­maschinen, die mit Kohle oder Holz befeuert wurden. Viele Jahre lang erzeugten wir unsere elektrische Energie dann aber haupt­sächlich aus oder mit Hilfe fossiler Energie­trägern: Öl und Erdgas. Seit nicht mehr zu übersehen ist, dass die damit in unsere Umwelt gelangenden Klima- oder Treib­haus-Gase den Treib­haus-Effekt so sehr verstärken, dass wir unsere eigene Lebens­grund­lage damit zerstören, fand ein lang­sames Um­denken statt.

Das Öko-Institut prägte 1980 den Begriff "Energie­wende", der heute auch in anderen Sprachen genutzt wird. Mit zahl­reiche Klima-Konferenzen wurde versucht, die Wende weltweit in Gang zu setzen. Erst 2015 gelang es jedoch, auf der UN-Klima­konferenz in Paris, einen verbind­lichen Vertrag auszuhandeln. Hiermit soll(!) die Erhöhung der globalen Durch­schnitts­temperatur auf unter 2°C (möglichst 1,5°C) begrenzt werden (im Vergleich zur vor­industriellen Zeit. Ob dieses Ziel noch erreich­bar ist, wird zwischen­zeitlich von vielen Wissen­schaft­lern ange­zweifelt. Auch die Zustands­beschreibungen und regel­mäßigen Reports des Welt­klima­rates (IPCC) lassen die Hoffnung sehr klein erscheinen.

Immer wieder gab es Vorstöße, sie "saubere" Atom-Energie mehr zu nutzen, aller­dings gibt es bis heute keine End­lager für die sehr lange strahlenden Abfälle. Nach dem Kraft­werks-Unfall in Fukishima (Japan) im März 2011 beschloss die Bundes­regierung den Ausstieg aus dieser Technik bis 2022.

Sonne

... kann durch Photo­voltaik­anlagen (kurz PV-Anklage) oder mit Sonnen­wärme­kraftwerken (über den Umweg mittels Solar­thermie) erzeugt werden, mit Solar­farm­kraft­werken, Solar­turmkraft­werken, Solar-Stirling-Anlagen und Thermik­kraft­werken.

Die Raumfahrt war ein Treiber der Photo­voltaik, um Satelliten mit dem nötigen Betriebs­strom zu versorgen. In Wedel wurden beispiels­weise die "Sonnen­segel" des Weltraum-Teleskop Hubble entwickelt. Hubble wurde im April 1990 gestartet und sendet bis heute Daten zur Erde. Diese Anlagen erzeugen Strom, indem Elektronen durch die Energie von Photonen (Sonnen­licht) aus ihrem Verbund herausgelöst werden. Dadurch ändert sich die Ver­teilung der vorhandenen, negativ geladenen Elektronen, und elektrische Ladung entsteht: Der photo­voltaische Effekt.

Wir kennen Strom­erzeugung mittels (Sonnen-) Licht von kleinen Anwendungen (Taschen­rechner), in der Schiff­fahrt werden Fahr­wasser-Tonnen mit Strom für nächt­liche Beleuchtung versorgt oder in der Bahn­hof­straße die Park­schein-Auto­maten. Viele Dächer sind heute mit Solar­anlagen (Solar Home System) bestückt, auch der Klima­schutz­fond besitzt eine Anlage auf dem Rathaus­dach und hat Anteile an der von uns initiierten Bürger-Solar­anlage auf der Steinberg­halle. Auch in Deutschland gibt es inzwischen viele Frei­flächen-Anlagen (Solar-Park).

Daneben gib es Sonnen­wärme-Kraftwerke, die mit der erzeugten Wärme Generatoren betreiben und daraus Strom gewinnen.

Für technische und vor allem kommerzielle Belange der Solar­energie setzt sich der Bundesverband Solarwirtschaft ein.

Wind

Die Sonne erwärmt Erde, Wasser und Luft. Durch unter­schiedliche Reflektion und Wieder­abgabe der Wärme kommt es zu Bewegungen der Luft: Wind. Diese Luft­bewegung kann als kinetische Energie genutzt werden. In der Vergangen­heit wurden damit Wind­mühlen betrieben, um z.B. Getreide zu malen. Heutige Wind­kraftwerke funktionieren ähnlich, denn der Wind, der auf die Rotor­blätter trifft, treibt im Inneren der Anlage einen Generator an, der Strom erzeugt.

Da Wind­kraft­anlagen eine vergleichs­weise geringe Flächen in Anspruch nehmen, könnten sie sogar auf hohen Gebäuden installiert werden und ggf. in Kombination mit Solar­anlagen Haushalte auf umwelt­freundliche Weise mit Wärme und Strom versorgen. Hier­für eignen sich allerdings weniger drei­flügelige "Wind­mühlen", sondern es werden oft vertikal-drehende Klein­anlagen bevorzugt.

Mehr Informationen, auch zu Historie, zu Anlagen­technik und physikalischen Grund­lagen findet man bei Wikipedia.

Wind­energie steht nahezu überall auf der Welt zur Verfügung, Wind gilt als billige und saubere Energie­quelle, deren Nutzung mit geringer Schad­stoff­belastung einhergeht. Die Errichtung von Wind­parks wird aller­dings von Umwelt­schützern kritisiert, da die Anlagen für die Tierwelt (Vögel) eine Bedrohung darstellen sollen. Laut einer Studie des NABU von 2005 sterben in Deutschland jährlich etwa eintausend Vögel durch Kollision mit einer WEA, es werden auch immer wieder tote Fleder­mäuse gefunden. Dem gegenüber stehen etwa zehn Millionen getöteter Vögel durch Straßen­verkehr und Strom­leitungen (BUND-Schätzung).

Von Anwohnern werden ästhetische Beein­trächtigung und Lärm­belastung befürchtet. Daher wird heute neben den Anlagen an Land (onshore) verstärkt auf den Bau solcher Kraft­werke in küsten­nahen Meeres­gewässern gesetzt (offshore). Daneben gibt es weitere, teil­weise erst in der Erprobung steckende Möglich­keiten, mit Wind Strom zu machen.

Die einzige in Wedel existierende Anlage am Yachthafen musste leider 2014 demontiert werden, weil ein Re-Powering in den engen gesetz­lichen Grenzen nicht möglich war.

Für technische und vor allem kommerzielle Belange der Windenergie setzt sich der Bundesverband WindEnergie ein.

Wasser

Wasserkraft wurde schon in vor­industrieller Zeit zum Antrieb von Mühlen, Säge- und Hammer­werken genutzt. Daneben wurden Schöpf­werk, Wasser­kunst, archimedische Schrauben auch zur Be- oder Ent­wässerung eingesetzt. Die Energie der Wasser­strömung wird über ein Turbinen­rad in mechanische Rotations­energie umgewandelt, die zum Antrieb von Maschinen oder Generatoren genutzt werden kann. Heute wird mit Wasser­kraft in Deutschland fast ausschließlich elektrischer Strom erzeugt. Mit Wasser­kraft wird welt­weit, an zweiter Stelle nach der Nutzung von Bio­masse, der größte Anteil an erneuer­barer Energie erzeugt.

Naturgemäß liegt das größte Potenziale der Wasser­kraft in den südlichen Bundes­ländern, da hier bergige Land­schaften für Gefälle sorgt. Da Stau-Anlagen oft weit­reichend in die Land­schaft eingreifen, müssen Umwelt­anliegen besonders berück­sichtigt werden.

Wasserwerke unterscheiden sich in kleine (bis 1 MW) und große Anlagen, man unter­scheidet zudem zwischen Speicher­kraft­werken (in Deutschland 20%) und Lauf­wasser­kraft­werken (80%).

Laufwasserkraftwerke nutzen die Strömung eines Flusses oder Kanals zur Strom­erzeugung. Charakteristisch ist eine niedrige Fall­höhe bei relativ großer, oft jahres­zeitlich mehr oder weniger stark schwankender Wasser­menge. Die Anlagen werden aus wirtschaftlichen Gründen oft in Verbindung mit Schleusen gebaut.

Speicherkraftwerke nutzen das Gefälle und die Speicher­kapazität von Tal­sperren und Berg­seen zur Strom­erzeugung. Beim Tals­perren-Kraft­werk befinden sich die Turbinen am Fuß der Stau­mauer. Beim Berg­speicher­kraft­werk wird ein in der Höhe liegender See über Druck­rohr­leitungen mit der im Tal liegenden Kraft­werks­anlage verbunden. Speicher­kraft­werke können sowohl zur Deckung der elektrischen Grund­last als auch im Spitzen­last­betrieb eingesetzt werden. Pump­speicher­kraft­werke werden nicht durch natürliche Wasser­vorkommen, sondern durch aus dem Tal gepumptes Wasser aufgefüllt. Damit wird in Schwach­last­zeiten erzeugter elektrischer Strom als potenzielle Energie des Wassers zwischen­gespeichert und kann in Spitzen­last­zeiten wieder über eine Turbine abgerufen werden.

Daneben gibt es eine Reihe weiterer Kraft­werke, die aller­dings (noch) nicht weit verbreitet sind: Gezeitenkraftwerke werden an Meeres­buchten und in Fluss­mündungen errichtet, die einen besonders hohen Tiden­hub aufweisen. Die entsprechende Bucht muss mit einem Deich mit Wasser­turbinen abgedämmt werden.
Wellenkraftwerke nutzen die Energie der Meeres­wellen. Bisher realisierte Anlagen sind lediglich Proto­typen und dienen der Erprobungen.
Bei Meeres-Strömungskraftwerken wird mit Strom-Bojen und Schiff­mühlen Elektrizität erzeugt. Die zweite Funktions­weise ähnelt der eines Wind­rads, das auf den Kopf gestellt wurde. 15 Umdrehungen pro Minute bringt der Rotor zustande, was völlig aus­reichend, da Wasser eine wesent­lich höhere Dichte aufweist als der Wind.

Bioenergie

Aus Bioenergie lässt sich mit Hilfe von Generatoren Strom erzeugen. Öfter wird Bio­enerie (als Gas) zum Heizen genutzt, mehr dazu haben wir auf unserer Seite über Wärme notiert.

Geothermie

auch Erdwärme genannt, scheint eine uner­schöpfliche und konstant zur Verfügung stehende Energie­quelle. Neben der vergleichs­weise selten genutzten Strom­erzeugung mittels Wärme aus der "Tiefen Geo­thermie" (mehr als 400 Meter Tiefe), wird diese heute meist zum Heizen genutzt. Daher haben wir weitere Informationen auf unserer Seite über Wärme gesammelt.

Speicher

Damit auch dann genügend Strom vorhanden ist, wenn kein Wind weht und die Sonne nicht scheint, müssen Speicher gefunden werden. Der Strom kann entweder direkt (Batterien, Akkus) oder indirekt gespeichert werden. Dabei wird die Elektrizität entweder in potentielle (Pump- oder Druck­luft-Speicher) oder kinetische (Schwung­rad­massen­speicher) Energie umgewandelt. Für die Energie­wende ist Speicherung essentiell.

Die am meisten genutzte Technik zur Speicherung sind Pumps­peicher (siehe Speicher­kraft­werke). Hierbei wird mit über­schüssigem Strom Wasser in höher liegende Speicher­becken gepumpt. Bei Bedarf wird es durch das Herab­strömen durch Turbinen wieder (mit einem Wirkungs­grad von etwa 85 Prozent) in Strom zurück­gewandelt. In Deutschland waren 2016 insgesamt dreißig Pump­speicher­kraft­werke mit einer installierten Gesamt­nenn­leistung von etwa 6,550 Gigawatt in Betrieb.

Druckluftspeicherkraftwerken komprimieren Luft in unter­irdischen Kavernen auf 40 bis 75 bar. Diese Luft kann in konventionellen Gas­turbinen­kraft­werk die Leistungs­bilanz erhöhen, weil keine Energie mehr für Komprimierung der Verbrennungs­luft aufgewendet werden muss. Der Wirkungs­grad ist mit etwa 42 Prozent allerdings eher bescheiden. Diese Speicherung wurde bisher aller­dings erst in geringem Umfang realisiert, bieten aber Potential für die Zukunft.

Für die chemische Speicherung kommen in erster Linie verschiedene Formen von Batterien in Frage, so vor allem die Hoch­temperatur-Natrium-Schwefel-Batterien oder Blei­batterien. Weitere Techniken befinden sich in der Entwicklung. Auch die Erzeugung von Wasser­stoff für den späteren Einsatz in Brenn­stoff­zellen kommt als Speicher­möglichkeit in Frage.

Redox-Flow-Batterien (auch Flüssig­keits-Batterie oder Fluss­batterie genannt) basieren auf einem flüssigen elektro­chemischen Speicher. Dieser besteht aus einem Elektrolyt (häufig Vanadium), der in Tanks in unter­schiedlichen Oxidations­stufen gespeichert wird. Der Strom wird, ähnlich wie bei der Brenn­stoff­zelle, an einer Membran produziert. Bisher ist ihre Fertigung noch sehr aufwändig, diesen Strom­speichern wird jedoch ein großes Potenzial als Netz­speicher prognostiziert.

Vorteile sind, dass Energie und Leistung unabhängig von­einander skaliert werden können, zur Her­stellung keine seltenen Roh­stoffe (wie z.B. Lithium) benötigt werden, sie feuer­sicher und weniger giftig sind. Daher ist Recycling (im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterie) kein Problem.

Leider gibt es auch ent­scheidende Nach­teile. Zum einen wiegen Redox-Flow-Batterien sehr viel, zum anderen ist die Energie­dichte noch relativ gering (maximal 70 Watt­stunden), sodass die Speicher groß sind und viel Platz (meistens in einem ganzen Container) einnehmen.

Umwandlung & Speicherung

Energie­speicherung mittels sogenannter Power-to-X-Verfahren kann ohne und mit abschließender Rück­verstromung und Wieder­ein­speisung erfolgen. Hier­durch wird sowohl ein Beitrag für Markt- und System­integration Erneuer­barer Energien geleistet, als auch ggf. der Transport­bedarf vom Strom­netz in andere Versorgungs­infra­struktur verlagert.

Bisher gibt es folgende Alter­nativen: Bei Power-to-Gas (auf Deutsch: Strom-zu-Gas) wird Wasser mittels Strom in Wasser­stoff umge­wandelt (Elektrolyse), mitunter in einem weiteren Schritt in Methan. Beide Gase können ins bestehende Erdgas­netz und dessen Gas­speicher einspeist werden. Dadurch lässt sich Öko­strom lang­fristig und nahezu verlust­frei speichern.

Bei Power-to-Heat wird Strom in Wärme umgewandelt und dann gespeichert. In Hamburg-Altenwerder betreibt Siemens einen Hoch­temperatur-Speicher mit Vulkan­gestein, der vor Allem Strom aus Wind­parks und auch Solar­anlagen thermisch speichert und später rück­verstromt. Die Wärme kann auch in Nah- und Fern­wärme­netze einge­speist werden. Alternativ und im kleineren Maßstab kann Strom auch mit Wärme­pumpen to heat gemacht werden.

Ebenso lässt sich Strom chemisch in flüssige Kraft­stoffe umwandeln (Power-to-Liquid (P2L), beispiels­weise in Methanol oder höher­wertigen synthetischen Kraft­stoff und in der bestehenden Infra­struktur lagern bzw. distribuieren.

Alternative Projekte der Stromerzeugung

In einem Aufwindkraftwerk oder Thermik­kraftwerk scheint die Sonne durch ein großes licht­durch­lässiges Dach und heizt den Boden und die Luft darunter auf. Diese steigt dadurch in einem Kamin auf. Diese Luft­strömung erzeugt in Turbinen elektrischen Strom. Der Wirkungs­grad solcher Kraft­werke ist bisher sehr gering!

Bei stationären Brennstoffzellen steht derzeit die Wärme­produktion gegen­über der Strom­produktion im Vorder­grund. Das bedeutet, dass die Leistung nach der benötigten Wärme­menge ausgerichtet wird und der "nebenbei" erzeugte Strom meist in das öffentliche Strom­netz eingespeist wird. Mehr zu Brenn­stoff­zellen finden Sie daher auf unserer Seite über Wärme.

Ein Flugwindkraftwerk ist eine Wind­kraft­anlage, die mittel Gas-Ballon oder als Drachen konstruiert in der Luft fliegt und durch Halte­seile am Boden verankert ist. Die elektrische Energie kann entweder mit Generatoren in der Luft (höchste Leistung momentan bei 600kW) oder über mechanische Bewegungs­über­tragung und Generatoren am Boden gewonnen werden. Der Ein­fluss der Brems­wirkung der Boden­ober­fläche verringert sich mit dem Abstand vom Boden - bis zu einigen hundert km/h im Jetstream. Man nimmt an, für Höhen­wind­energie­anlagen von bis zu 80% Aus­lastung ausgehen zu können (am Boden 30-40%).
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Geothermie-Kraftwerke (siehe auch oben) haben einen niedrigen Wirkungs­grad, weil die deutschen Lager­stätten nur geringe Temperaturen aufweisen. Zusätz­licher Einsatz von Wärme­pumpen kann den Grad erhöhen.
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Ein Osmosekraftwerk (Salz­gradienten­kraft­werk) nutzt den Unter­schied im Salz­gehalt zwischen Süß­wasser und Meer­wasser, um daraus Energie zu gewinnen und Strom zu erzeugen. Dabei diffundiert reines Wasser durch eine halb-durch­lässige Membran zur Salz­wasser­seite. Bei einem Salz­gehalt im Meer­wasser von 3,5% ergibt sich bei 10°C gegen­über Süß­wasser ein osmotischer Druck von rund 28 Bar, der zur Strom­erzeugung genutzt werden kann. Seit 2009 wird in Norwegen ein Kleinst­kraftwerk betrieben.
Eine weitere Methode ist umgekehrte Elektro­dialyse. Durch Membranen getrennt wird Salz- und Süß­wasser aneinander vorbei geleitet. Die Ionen, die durch die jeweilige Membran diffundieren, führen zu einer (kleinen) elektrischen Spannung.

Manchmal wird auch versucht, elektrische Energie mit Pedal­kraft zu erzeugen. Das funktioniert bei einem Fahrrad-Dynamo. In Indien wurde versucht, mit 60 Minuten strampeln auf einer Art Trimm­rad Strom für 24 Stunden zu erzeugen. Es gab Festivals, bei denen Strom für Musik und Beleuchtung mit zahl­reichen Trimm­rädern erzeugt wurden.

Viel Anregungen zu den Artikeln auf dieser Seite basieren auf Wikipedia und auf Dr. Michael Bockhorsts Seite EnergieInfo.