Energiewende in Deutschland - Teil 1 | Röhre, RasPi und mehr

Steffen 28 Dez 2023 0 Comments

Erstellt am 28 Dez 2023 | zuletzt bearbeitet vor 6 Monaten von Steffen

In diesem Artikel möchte ich mich mit der Energiewende in Deutschland beschäftigen. Aber auch hier gilt, wie bereits im Beitrag über die Windräder, dass ich das Thema sachlich und physikalisch betrachten möchte. Politik und Polemik bleiben außen vor.

Der Begriff „Energiewende“ wurde übrigens bereits in den 1980er Jahren geprägt. Er stammt von einem Buchtitel des Instituts für angewandte Ökologie in Freiburg: „Energiewende – Wachstum und Wohlstand ohne Erdöl und Uran“^[1]

Damit hat sich die Bedeutung des Begriffs gewandelt. In den Ausführungen der Autoren des Buches geht es darum, unabhängig von Erdöl und Uran zu werden. Der heimischen Kohle wurde dabei eine große Bedeutung beigemessen. Ein Kernpunkt der Betrachtungen war, wie man über einen großen Zeitraum soviel Energie sparen kann (Wärmedämmung der Gebäude, Einsatz effizienterer Technik bei der Energieerzeugung usw.), dass die Kernkraftwerke und Kraftwerke, die Erdöl nutzen, wegfallen können. Auch die erneuerbaren Energien tragen ihren Teil dazu bei, sind aber nicht zentraler Bestandteil der Betrachtungen.

Der heute genutzte Begriff „Energiewende“ ist damit inhaltlich anders definiert. Heute geht es um den kompletten Ausstieg aus der Energiegewinnung durch fossile Energieträger.

“Wir brauchen mehr erneuerbare Energie.“ ist eines der Narrative von heute. Betrachten wir die Situation rein sachlich und suchen damit eine Antwort auf diese Behauptung.

Arten der Energiegewinnung

Betrachten wir zunächst die hauptsächlichen Arten der Energieerzeugung:

fossil
nuklear
regenerativ

Der letzte Begriff umfasst eine ganze Reihe von Arten der Energieerzeugung aus:

Wind
Sonnenlicht und -wärme
Wasserkraft
Biomasse
Geothermie

Zur Abgrenzung zwischen regenerativ und den anderen Arten der Energieerzeugung reicht es aus, danach zu fragen, welche Energieträger unbegrenzt zur Verfügung stehen bzw. sich innerhalb kurzer Zeit erneuern.

Kohle und Erdgas sind vor Jahrmillionen entstanden und wurden insbesondere in den letzten 60 – 70 Jahren intensiv abgebaut bzw. gefördert. Wenn die Lager leer sind, stehen diese Energieträger nicht mehr zur Verfügung. Die in der Kohle oder den Kohlenstoffverbindungen enthaltene Energie wurde (meist) durch Verbrennung unter Abgabe von CO₂ in Wärme umgesetzt.

Übrigens begann der Braunkohleabbau bereits Ende des 17. Jahrhunderts ^[2], als man feststellte, dass bestimmte Bodenschichten, nachdem sie getrocknet wurden, brennbar waren. Steinkohle wird sogar seit dem 12. Jahrhundert gefördert ^[3].

Allerdings begann erst mit der industriellen Revolution, also ca. ab Mitte des 18. Jahrhunderts die massenhafte Ausbeutung der Bodenschätze. Ganz richtig ist das nicht… Anfänglich standen Wind- und Wasserkraft im Mittelpunkt. Erst als die Verkokung von Steinkohle möglich war, begann der o. g. Abschnitt^[4].

Energiewende in Deutschland – Energie aus Kernkraft

Beginnen möchte ich damit, wie Energie aus der Kernkraft gewonnen werden kann. Auch wenn diese Form der Energiegewinnung in Deutschland keine Zukunft hat, sollte jeder wissen, wie das Ganze funktioniert. Mitreden und mitdiskutieren zur Energiewende in Deutschland setzt Wissen voraus.

Bis Anfang 2023 waren in Deutschland drei Kernkraftwerke (ich vermeide den Begriff „Atomkraftwerk“, die Erklärung kommt gleich) am Netz, in Frankreich sind es 56, in China 55, weltweit 431 (alle Zahlen Stand 01/2023). Die USA führen die Liste mit 92 an.^[8]
Um genauer zu sein: Genannt ist die Anzahl der betriebsfähigen Reaktoren in KKW.

Mehr Statistiken gibt es bei Statista

Die KKW gehören zu den Wärmekraftwerken. Das bedeutet, dass Wärmeenergie genutzt wird, um Wasserdampf zu erzeugen. Dieser Dampf treibt Turbinen mit angeschlossenen Generatoren an.

Wie entsteht nun im KKW die Wärme?
Dazu musst ich etwas ausholen. Die Energie steckt im Atomkern (daher korrekterweise die Bezeichnung Kernkraftwerk). Dieser besteht aus Protonen (positiv geladen) und Neutronen (ohne Ladung).

Im Physikunterricht haben wir gelernt: „Gleichartige Ladungen stoßen einander ab.“ Dennoch fliegen die Protonen im Kern nicht weg, obwohl sie sich gegenseitig abstoßen. Die Neutronen spielen wegen ihrer elektrischen Neutralität keine Rolle. Also was hält den Kern zusammen?

Es muss eine Kraft geben, die größer ist als die Summe aller Abstoßungskräfte innerhalb des Kerns. Die Kraft nennt man „starke Wechselwirkung“ oder „Kernkraft“. Letztere wirkt nur auf sehr kurzen Distanzen (also hier bspw. innerhalb des Kerndurchmessers), wogegen die Abstoßungskräfte bei großen Kernen (Elemente ab Thorium) eine höhere Reichweite haben.

Kommt jetzt ein Neutron mit passender Geschwindigkeit „angeflogen“ und trifft den Kern, spaltet sich dieser in zwei kleinere Kerne. Dabei wird die sehr kurze Distanz der Kernkräfte teilweise überwunden.

Wir machen einen kleinen Ausflug in die relativistische Physik:
Es gibt einen Massendefekt in jedem Kern. Ermittelt man die Summe aus den Massen aller Teilchen (Protonen und Neutronen) und vergleicht diese mit der Masse des Kerns, so gibt es hier eine Differenz. Viele Kerne sind leichter als besagte Summe (manche auch schwerer, was aber hier nicht behandelt werden soll – Stichwort: Kernfusion). Diesen Effekt nennt man Massendefekt. Die fehlende Masse ist umgewandelt in die notwendige Kernkraft.
Nach der Spaltung gilt dies auch für die beiden neuen Kerne. Hinzu kommt, dass wegen der überwundenen Bindungsenergie ein weiterer Massendefekt entsteht. Die beiden neuen Kerne wiegen zusammen weniger als der ursprüngliche Kern.
Albert Einstein hat festgestellt, dass Energie und Masse zusammenhängen: E₀ = mc² (E₀ ist die Ruheenergie, c die Lichtgeschwindigkeit). Ändert sich die Masse eines Objekts, so ändert sich auch die innere Energie.
Dieser eben beschriebene Massendefekt wird als Energie frei. Gerechnet auf einen Kern ist das nicht sehr viel, aber die Menge macht es.

Hier gibt es zwei schöne Animationen zum Thema.

Übrigens:
1 MeV (Mega-Elektronenvolt) ist eine Energiemenge von etwa
1,6 * 10^-19 J [= eV] x 1 000 000 [= Mega] = 1,6*10^-13 J
4 J (Joule) ist die Energiemenge, mit der ich 1 g Wasser um ca. 1 °C erwärmen kann. Das bedeutet, dass insgesamt 40 Billionen MeV benötigt werden, um dieses eine Gramm zu erwärmen.
Ich sollte aufhören damit, oder?

Schauen wir dazu weiter.

Bei der Spaltung entstehen einzelne Neutronen (zwei oder drei), die weitere Kerne spalten können. Ist die Kernspaltung einmal angeregt, läuft sie quasi automatisch weiter. Ließe man das in der beschriebenen Form zu, würde die Energiemenge exponentiell ansteigen und unbeherrschbar groß werden. Das kennen wir als Atombombe. Das gleiche passiert bei einem Reaktorunfall.

rot: Kerne, die gerade gespalten werden
blau: Neutronen

Nehmen wir an, es entstehen bei jeder Spaltung drei neue Neutronen.

Bei der ersten Spaltung entstehen 3¹ = 3 neue Neutronen, bei der zweiten sind es 3² = 9, bei der dritten 3³ = 3 * 3 * 3 = 27.

Nach n Generationen sind wir bei 3ⁿ Spaltungen.

Da diese Vorgänge in Sekundenbruchteilen ablaufen, entsteht innerhalb kürzester Zeit eine Lawine an neuen Neutronen.

Bsp: n = 100
3¹⁰⁰ = 5,2 * 10⁴⁷
Das ist eine Zahl mit insgesamt 48 Stellen. Unvorstellbar …

Kommen wir zum obigen Beispiel zurück.
5,2 * 10⁴⁷ Spaltungen erzeugen eine Energiemenge von
5,2 * 10⁴⁷ x 173 * 10⁶ x 1,6 * 10^-19 J = 9 * 10³⁶ J
Damit lassen sich 3 * 10²⁸ t Wasser um 80 °C erwärmen.
Ich sag‘s doch: AUFHÖREN!!

5,2 * 10⁴⁷ – Anzahl der Spaltungen
173 * 10⁶ MeV – freiwerdende Energie pro Spaltung^[9]
1,6 * 10^-19 – Umrechnung MeV in J

Um die Kettenreaktion zu steuern und die erzeugte Energiemenge beherrschbar zu machen, müssen demzufolge einige der Neutronen eingefangen werden. Dann spricht man von einer gesteuerten Kettenreaktion, die großtechnisch in KKW zur Anwendung kommt.

Energiewende in Deutschland – Energie aus fossilen Brennstoffen

Dann bauen wir uns ein Kraftwerk! Zumindest gedanklich können wir dies mit recht einfachen Mitteln realisieren.

Wir brauchen:

Rundkolben o. ä. mit Stopfen und abgewinkeltem Rohr
Bunsenbrenner
Turbine
Generator
Glühlampe

Das erhitzte Wasser verdampft. Der Dampfdruck wird größer und sorgt dafür, das am Ende des abgewinkelten Rohres der Dampf mir hoher Geschwindigkeit austritt. Seine kinetische Energie (Bewegungsenergie) reicht aus, um die Turbine samt dem verbundenen Generator anzutreiben. Die Glühlampe leuchtet.

Je nachdem, womit wir die Flamme erzeugen, haben wir bspw. ein Gaskraftwerk. Wir könnten aber auch ein Kohlefeuer machen, dann wäre es eben ein Kohlekraftwerk. Nutzen wir (wie eben beschrieben) Kernenergie, ist es ein KKW.

Großtechnisch sieht das Ganze ähnlich aus, die Dimensionen sind halt gewaltig. Hinzu kommt, dass der wieder zu Wasser kondensierte Dampf in den Kreislauf zurückgeht, statt wie in unserem Modell in die Luft gepustet zu werden.

Übrigens ist das Kraftwerk in Neurath^[10] mit einer Bruttoleistung von 4 400 MW (Megawatt) das größte in Deutschland und kann (24 h Dauerbetrieb vorausgesetzt) ca. 100 GWh Energie liefern.
Rechnen wir ganz großzügig mit 2 000 kWh elektrischer Energie pro Kopf und Jahr, so reicht die Energie ein Jahr lang für ca. 50 000 Menschen.

Der Dampfdruck eingangs der Turbine beträgt bis zu 300 bar. Die Temperatur des Dampfes ist entsprechend hoch (ca. 600°C). Die Turbine dreht sich mit bis zu 3 600 Umdrehungen pro Sekunde. Die Turbinenschaufeln sind hierbei bis zu 1,40 m lang. Die Spitzen der Schaufeln erreichen eine Spitzengeschwindigkeit von 500 m/s, also 1,5fache Schallgeschwindigkeit. Die größten Turbinen haben eine Länge von bis zu 60 m.

Energie aus Wind

Dieser Abschnitt ist recht kurz, da ich das Prinzip der Windenergieanlagen hier bereits erklärt habe.

Energie aus Sonnenlicht

Hier kommt es häufig zu Missverständnissen. Bei der Energiegewinnung aus der Sonne gibt es zwei Möglichkeiten:

Photovoltaik: Genutzt wird die Energie des Lichts, die in elektrische Energie umgewandelt wird.
Solarthermie: Genutzt wird hier die Wärmeenergie der Sonne, die als thermische Energie direkt genutzt wird.

Da es in diesem Beitrag um die Erzeugung elektrischer Energie im Zusammenhang mit der Energiewende in Deutschland gehen soll, beschäftige ich mich mit der Photovoltaik.

Ein bisschen Grundlagen-Physik muss leider sein…

Herzstück einer Photovoltaikanlage sind Solarzellen. Den Grundstein für die Erklärung ihrer Funktionsweise (der äußere photoelektrische Effekt) legte Albert Einstein bereits 1905 (und erhielt dafür 1921 einen Nobelpreis).

Wir benötigen nun den sogenannten inneren photoelektrischen Effekt bzw. den photovoltaischen Effekt.

Trifft ein Photon (Lichtteilchen) auf einen dotierten Halbleiter (in unserem Fall eine großflächige Photodiode), so entstehen Elektronen-Loch-Paare, die ungebunden sind. Am p-n-Übergang werden diese Paare getrennt, so dass ein Strom entsteht.

Diese Erklärung ist stark vereinfacht, zeigt aber, wie aus der Bestrahlung mit Licht (Photonen) direkt elektrischer Strom erzeugt wird.

Die Solarzellen werden zu Modulen zusammengefasst. Mehrere Module werden meist kombiniert.

Energiewende in Deutschland – Energiemix

Der Energiemix (wird auch als Strommix bezeichnet, da es ausschließlich um die elektrische Energie „aus der Steckdose“ geht) gibt an, welchen Anteil die jeweiligen Arten der Energiegewinnung an der gesamten zur Verfügung stehenden elektrischen Energie haben. Diese Anteile verändern sich immer wieder:

Neubau von Windkraftanlagen
Neuinstallation von Photovoltaikanlagen
politische Entscheidungen (z. B. die Laufzeitverlängerung für Kohlekraftwerke oder die Abschaltung der Kernkraftwerke)
…

Im Jahr 2022 wurden fast 40% der elektrischen Energie durch Windkraft erzeugt, etwas mehr als 2% durch Sonnenenergie. Der Anteil der fossilen Energieerzeugung insgesamt (Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Erdgas) lag bei etwas mehr als 42%. Den Rest teilen sich Kernenergie (knapp 12%) und Biomasse sowie Wasserkraft ^[5].

Die aktuellen Zahlen für 2023 finden sich hier: https://strom-report.com/strom/.

Die regenerativen Energiequellen machen derzeit insgesamt 58% des Strommixes aus^[11]. Deutschland hat die Windkraft in den letzten Jahren stark ausgebaut, liegt im internationalen Vergleich recht weit vorn, insbesondere, wenn man bedenkt, dass Deutschland erst seit 2017 in der Top 10 auftaucht^[6].

Um die Zahlen noch etwas herauszustellen, hilft ein Vergleich mit der weltweiten Verteilung der Energieträger ^[7] (die Kernenergie ist hier in Deutschland noch nicht abgeschaltet):

Energieart	Anteil weltweit	Anteil Deutschland
Windkraft	1,1%	38,2%
Photovoltaik	0,9%	2,3%
Kohle	26,5%	30,3%
Erdgas	23,4%	11,6%
Kernenergie	4,9%	6,3%

Ich denke, es ist deutlich zu erkennen, welchen Stellenwert die Kohleverstromung in Deutschland hat. Wegen der Abschaltung der Kernkraftwerke ist der Anteil der Kohle sogar noch gestiegen. Laut Bundesnetzagentur soll ab 2038 in Deutschland keine elektrische Energie mehr aus der Kohle gewonnen werden. Das halte ich für ein ambitioniertes Ziel, da fast ein Drittel der benötigten Energie durch andere Energieträger erzeugt werden muss.

Das Hauptproblem besteht dabei in der Grundlast. Was meine ich damit? Es muss sichergestellt sein, dass unabhängig von Wind und Sonne (dafür gibt es das „schöne“ Wort Dunkelflaute) Energie in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Die nicht mehr gewollten Kraftwerke (fossil und nuklear) sind unglücklicherweise nahezu perfekte Kraftwerksarten dafür. Die Energiewende in Deutschland gibt derzeit keine befriedigende Antwort darauf, wie die Grundlast sichergestellt werden soll. Der Import von elektrischer Energie aus dem Ausland kann ja nun auch nicht die Lösung sein – Hauptsache Deutschland erzeugt nur noch Grünstrom. Was für eine Idiotie!

Es gibt bereits grundlastfähige Kraftwerke, wie bspw. Laufwasserkraftwerke, Biogasanlagen, Geothermie oder Off-Shore-Windkraftanlagen.

Zur Überbrückung sind Gaskraftwerke gut geeignet, da diese sehr emissionsarm sind. Unglücklicherweise sind es wieder fossile Energieträger, die zum Einsatz kommen. Die kostengünstige Herstellung von Wasserstoff mittels grünem Strom ist aus jetziger Sicht illusorisch.

Für die Zukunft wird es vermutlich so sein, dass sich viele Arten der Energieerzeugung so ergänzen, dass die Grundlast gesichert ist. Wie genau das funktionieren soll, ist derzeit unklar. Der weitere Ausbau der Windkraftanlagen (s. o.: “Wir brauchen mehr erneuerbare Energie.“) ist keine geeignete Lösung. Die Verfechter dieses Narratives (überwiegend Grüne und deren Anhänger) lassen es zu, dass ein derart großer Eingriff in die Natur stattfindet, den der Bau eines Windrades nunmal mit sich bringt.

Fast hätte ich es vergessen: Eine Windkraftanlage kann ohne „Fremdstrom“ gar nicht loslaufen…

Ein großes Thema ist in diesem Zusammenhang die Speicherung elektrischer Energie. Auch hier sind praktikable Lösungen in großem Stil nicht zu erkennen.

Nochmal zum Umdenken:
Wir alle sind daran gewöhnt, dass wir zu jeder Zeit beliebig viel elektrische Energie aus dem Netz entnehmen können. Mit der Energiewende in Deutschland geht einher, dass dies u. U. nicht mehr so uneingeschränkt möglich ist.

Was für die privaten Haushalte ärgerlich ist, bedeutet für die Industrie ein nicht mehr abschätzbares Risiko. Es wird häufig davon gesprochen, dass wir die viertgrößte Volkswirtschaft der Welt sind. Das sind wir bestimmt nicht wegen Ackerbau und Viehzucht. Diese Volkswirtschaft soll („Energiewende in Deutschland“) künftig mit Wind- und Sonnenkraft am Leben gehalten werden. Wie realistisch das ist, überlasse ich nun jedem selbst, dies zu beurteilen.

Energiewende in Deutschland – Teil 1