Energiewende vs. Physik – Teil 2

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Energiewende vs. Physik

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Erstellt am 9 Mai 2024 | zuletzt bearbeitet vor 3 Wochen von Steffen

Der Titel „Energiewende vs. Physik“ verrät schon, dass vieles von dem, was zum Thema erzählt wird, mit der Physik kollidiert.

Im Teil 1 habe ich mich bereits ausführlich mit den Arten der Energiegewinnung und dem Energiemix in Deutschland beschäftigt. In diesem Beitrag geht es um Netzstabilität und die Energiebilanz, wie Deutschland vom „Strom“-Exporteur zum Importeur wurde.

Ich spreche korrekterweise von „elektrischer Energie“ statt von „Strom“, da es schließlich um eine physikalische Betrachtung geht.

Inhaltsverzeichnis

Kraftwerksarten

Zunächst beschäftigen wir uns mit den wichtigsten Arten von Kraftwerken:

  1. Wärmekraftwerke
  2. Photovoltaik
  3. Windkraftanlagen

Die Photovoltaik- und Windkraftanlagen werden gern unter dem Stichwort „regenerative (erneuerbare) Energien“ zusammengefasst. Da geht es bereits los mit dem „vs.“, denn hierbei handelt es sich um eine Wortschöpfung, die nicht den Tasachen entspricht.

Wärmekaftwerke „verbrauchen“ ihre Energieträger, die beiden anderen angeblich nicht, denn erneuerbar würde ja heißen, dass die Ausgangsenergie sich auf irgendeine Weise wiederherstellt.

Bei den Wärmekraftwerken kommen entweder fossile Brennstoffe oder im Falle des Kernkraftwerkes Brennstäbe zum Einsatz. Während des Betriebs werden die darin gespeicherten Energieformen schlussendlich in Wärme (thermische Energie) umgewandelt. Dabei wird Kohle oder Erdgas in CO2 und im Falle von Kohle zusätzlich in Asche verwandelt, das Uran der Brennstäbe wird in kleinere Kerne aufgespalten. Es handelt sich demzufolge um Energieumwandlungsprozesse.

In der Sonne, die die Energie für die Photovoltaik liefert, findet die Kernfusion statt, bei der leichte Kerne zu schwereren unter Energieabgabe (Wärme – was für eine Untertreibung 1)) verschmelzen. Dieser Prozess ist irreversibel, also nicht umkehrbar.

Wind ist nichts anderes als kinetische Energie der Luftteilchen. Dabei bewegen sich diese vom Ort höheren zum Ort niedrigeren Druckes. Es ist ein simpler Ausgleichsprozess. Auch hier ist nichts Regeneratives dabei.

Die Benutzung von „regenerativ“ ist fachlich falsch, soll aber deutlich machen, dass wir bei diesen Formen der Energiegewinnung keine Ressourcen ausbeuten, die eher kurzfristig endlich sind. Wobei es bei den Kernkraftwerken wohl eher um etwas anderes geht.

Wärmekraftwerk

Die Energieumwandlungen, die hier stattfinden, sind schnell erklärt:

  • Die Wärmequelle liefert thermische Energie, die zum Erhitzen und Verdampfen von Wasser genutzt wird.
  • Der unter hohem Dampf stehende Wasserdampf trifft auf die Schaufelräder der Turbine (kinetische Energie des strömenden Dampfs).
  • Die Turbine dreht sich, hat also ebenfalls kinetische Energie.
  • Der direkt angeschlossene Generator wandelt diese Bewegungsenergie nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in elektrische Energie um.

Energiewende vs. Physik – Windkraftanlage

Der letzte Punkt (Generator erzeugt elektrische Energie) ist identisch zu den Wärmekraftwerken. Die Turbine ist ersetzt durch die Flügel, welche die kinetische Energie des Windes in eine Drehbewegung (wieder Bewegungsenergie) umwandeln.

Genauere Informationen habe ich in einem separaten Artikel zusammengetragen.

Photovoltaik

Hier gibt es keine bewegten Teile, was durchaus als Vorteil dieser Technik betrachtet werden darf (verschleißarm). Im Grunde handelt es sich bei den Solarzellen um Fotodioden, deren p-n-Übergang auf Licht reagiert.

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.

Energiewende vs. Physik – Netzstabilität

Lastschwankungen, Netzfehler und Spannungs- sowie Frequenzschwankungen müssen permanent ausgeglichen werden. Das nennt man Netzstabilisierung. Mit der zunehmenden Abschaltung der Wärmekraftwerke und dem gleichzeitigen Ausbau der beiden volatilen o. g. wird dies zunehmend zum Problem. Es gibt Möglichkeiten, aber die Kosten steigen.

Worin liegt das Problem?

Die großen Turbinen-Generator-Kombinationen der Wärmekraftwerke sind große Schwungmassen, die aufgrund der Massenträgheit netzausgleichend wirken. Wenn ein Generator belastet werden (weil bspw. morgens alle die Kaffeemaschine einschalten), dann geht im Normalfall die Drehzahl etwas herunter. Anders bei diesen großen Massen, die „merken“ das faktisch gar nicht. Die Windkraftanlagen sind vergleichsweise viel zu leicht, so dass dieser Effekt nicht eintritt.

https://taz.de/Problem-fuer-erneuerbare-Energien/!5943287

Die Kosten der Stabilisierung kennen nur eine Richtung, nämlich nach oben.

Energiebilanz in Deutschland

https://energy-charts.info/charts/power/chart.htm?l=de&c=DE&source=public&year=2024&interval=week

Ich habe die Übersicht der KW 18 etwas nachcoloriert:

Die grünen Bereiche sind Export, die roten Import. Auch ohne Anwendung der Infinitesimalrechnung ist für diese Woche gut zu erkennen, dass mehr im- als exportiert wird. Hinzu kommt, dass der Export oft damit verbunden ist, dass zugezahlt werden muss, um die Energie loszuwerden.

https://www.agrarheute.com/energie/strom/strompreise-steigen-wegen-stromluecke-stromimport-rekordstand-618003#:~:text=Ausland%20günstiger%20war.-,“,%3A%2056%2C3%20TWh).

Mit der Abschaltung der Kernkraftwerke kippte das Ganze von Nettoexport zu -import:

Die Importpreise liegen im Mittel bei 0,27 €, die im Export bei 0,20 € je kWh. Die Frage, wer die 7 Cent Lücke bezahlt, muss ich wohl nicht beantworten.


Ich habe mit meinen Nachbarn ein wenig „gesponnen“. Wenn ich meine Energieversorgung komplett auf elektrische Energie umstelle, dann ergibt sich folgendes:

  • derzeitiger Verbrauch: 5 500 kWh (Zweifamilienhaus, vier Erwachsene)
  • Heizenergiebedarf: 35 000 kWh Wärmeenergie (macht bei einer Jahresarbeitzahl der Wärmepumpe von 3,5 einen Bedarf an elektrischer Energie von 10 000 kWh)
  • drei Pkw mit zusammen 40 000 km Jahresfahrleistung benötigen bei 20 kWh/km insgesamt weitere 8 000 kWh

So werden aus 5 500 kWh nun 23 500 kWh, also das Vierfache.

Machen das alle Bewohner meiner Straße (hier stehen nur Ein- und Zweifamilienhäuser), so ist davon auszugehen, dass sich der Bedarf für alle vervierfacht. Bei 15 „Wohneinheiten“ (5 x ZFH, 5 x EFH) schätze ich das Ganze wie folgt ab:

  • vorher: 5 x 5 500 kWh (ZFH) und 5 x 3 500 kWh (EFH) sind 45 000 kWh
  • nachher: 5 x 23 500 kWh (ZFH) und 5 x 14 500 kWh (EFH) sind 187 500 kWh

Da die Spannung im Netz eine Konstante ist, muss folglich die Stromstärke steigen (Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke).

Mein Nachbar meinte ganz lapidar: „Dann haben wir im Winter eine Fußbodenheizung auf der Straße.“


1) Auf der Oberfläche der Sonne herrschen fast 6000 °C, im Inneren sind es 15 000 000 °C.

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