Die Bereitstellung von ausreichender Energie z. B. in Form von Strom, Wärme, Licht, Brenn- und Kraftstoffen ist Voraussetzung um ein menschenwürdiges Leben mit auskömmlichem Lebensstandard führen zu können. Damit geht unweigerlich ein Verbrauch von Naturresscourcen einher und werden durch die Prozesse der Energieerzeugung für Mensch und Natur schädliche Emissionen freigesetzt. Mit weiter wachsender  Menschheit und das Recht aller Menschen auf einen angemessenen Wohlstand wird der Energiebedarf der Welt weiter kräftig zunehmen.

In dieser Gemengelage ist es nur selbstverständlich, dass Energie- und Umweltthemen im letzten Jahrzehnt einen immer breiteren Raum in Gesellschaft, Politik und Medien eingenommen haben und nach wie vor ein intensiver energiepolitischer Diskurs geführt wird. Viel zu oft werden dabei aber unabsichtlich wegen fehlenden Wissens  oder absichtlich physikalische und wirtschaftliche Zusammenhänge falsch dargestellt, was schließlich bei vielen Menschen zu einem verzerrten Bild führt, wie Energieträger zur Deckung des Energiebedarfs einzuordnen sind und wie deren tatsächliche Wirkung auf die Umwelt ist. Viele Akteure auf diesem Feld mit wirtschaftlichen, politischen, ideologischen und persönlichen Interessen bedienen sich der Sorgen und Ängste der Menschen um eigene Interessen, sei es Profit, Macht und gesellschaftliche Veränderung etc. durchzusetzen. Wer all das nicht nur unreflektiert aufnehmen und im Mainstream mitlaufen will, muss über ein gewisses Maß energietechnischer Zusammenhänge wie der elektrischen Leistung, Arbeit, Energiedichten etc. verfügen um sich so ein eigenes Bild machen und mitreden zu können. Nur so ist es möglich die Spreu vom Weizen zu trennen und „Rattenfängern „ nicht auf den Leim zu gehen. Nur so kann das breite Thema der Energiebereitstellung im großen zusammenhängenden Kontext verstanden und Chancen und Grenzen von Energieträgern, Energieerzeugungs-, Verteilungs- und Speichersystemen eingeordnet  werden.

In diesem Beitrag werden zunächst wichtige Energie – Kenngrößen kurz erläutert. Danach geht es im Wesentlichen um Energiedichten von Energieträgern um so zum Verständnis beizutragen wieviel Energie aus unterschiedlichen Energieträgern überhaupt bereitgestellt werden kann und was die jeweiligen Vor- und Nachteile dabei sind. Dabei steht die Stromerzeugung als Mainstream – Thema im Vordergrund.

Energie ist allgemein ausgedrückt eine fundamentale Größe der Welt die im Wesentlichen in den Energieformen thermische Energie (gespeicherte Bewegungsenergie der Atome und Moleküle eines Stoffes), elektrische Energie (Energie die durch Elektrizität, Anziehung / Abstoßung elektrisch geladener Teilchen übertragen wird), chemische Energie (in Form chemischer Verbindung gespeicherte Energie die bei chemischen Reaktionen freigesetzt wird), kinetische Energie (Energie eines in Bewegung befindlichen Objektes) und potentielle Energie, (gespeicherte Energie eines Systems durch seine Lage, z.B. Wasser im Pumpspeichersystem). Die Maßeinheit der Energie ist nach dem internationalen Einheitensystem das  Joule, J. Ein Joule ist eine recht kleine Energieeinheit und entspricht ungefähr der Energie um eine Masse von 1 Kg auf der Erde 10 cm anzuheben, hebt man ihn 1 Meter hoch benötigt man also 100 Joule. Bezogen auf die anderen SI- Basiseinheiten Meter und Sekunde gilt 1 Joule [J] = 1 Wattsekunde [Ws] = 1 VAs = 1 N m = 1 kg m2s−2. Eine Kilowattstunde, KWh, entspricht 3,6 Millionen Joule.

Die elektrische Leistung ist gleich dem Energieumsatz pro Zeitspanne, gemessen in der SI Maßeinheit Watt, W. Ein Watt entspricht einem Joule pro Sekunde. Eine Wattstunde (Wh) ist die Energiemenge, die bei einer Leistung von 1 Watt innerhalb einer Stunde (h) umgesetzt wird = 3600 Ws = 3600 Joule. Bezogen auf eine Energieerzeugungsanlage, Kraftwerk, Windanlage etc., lässt sich sagen, dass deren Leistung die potentielle Möglichkeit angibt elektrische Energie zu erzeugen, wobei die Nennleistung einer solchen Anlage die maximale Leistung unter optimalen Bedingungen ist. Im täglichen Gebrauch bedient man sich größerer Energieeinheiten, meistens dem Kilowatt, wobei 1KW = 1000 W sind, oder im Kraftwerkssektor dem Megawatt (1MW = 1000 KW) dem Gigawatt (1 GW = 1000 MW) und dem Terawatt (1TW = 1000 GW). Mit 1 Watt lässt sich ein kleiner Spielzeugmotor betreiben, moderne Lampen benötigen ca. 15 W, ein TV- Flachbildschirm ca. 150 W, ein PC ca. 200 W und ein Herd ca. 3000 W.

Die elektrische Arbeit bezeichnet das Liefern, also den Verbrauch elektrischer Energie. Stromtarife enthalten deswegen einen sogenannten Arbeitspreis, der auf jede gelieferte Kilowattstunde berechnet wird. Die SI-Grundeinheit für die Arbeit ist wie bei der Energie das Joule. Bezogen auf eine Energieerzeugungsanlage ist die elektrische Arbeit die konkret erzeugte in das Netz eingespeiste und vom Verbraucher abgenommene Energiemenge. Im Täglichen verwendet man üblicherweise die Kilowattstunde (KWh) und im Kraftwerks- und Netzbereich die Megawattstunde (MWh), Gigawattstunde (GWh) und die Terawattstunde (TWh). Energie kann ruhend gespeichert werden, bei der elektrischen Arbeit läuft ein Prozess ab, es fließt Strom und er wird verbraucht. Leuchtet eine 25 Watt Glühlampe 25 Stunden lang ist eine elektrische Arbeit von einer 1KWh geleistet worden. Sie kostet für Haushaltskunden rund 30 Cent. Mit 1 kWh kann man etwa 10 Liter Wasser von 20 °C auf den Siedepunkt von etwa 100 °C erhitzen. Ein 4 Personenhaushalt verbraucht im Jahr je nach Lebensgewohnheit rund 4500 bis 5500 KWh an Strom.

Energiedichte

Bei der Erzeugung von Energie kommt der Energiedichte, d.h. der spezifischen Energie, oder vereinfacht gesagt der Energiemenge in einem Raumvolumen J / m³ oder einer Masse J / kg eines bestimmten Stoffes größte Bedeutung zu. Sie entscheidet über die Art der Energienutzung und die Höhe der Energieausbeute. Die Energiedichte von Brennstoffen nennt man Brennwert, die von Batterien Kapazität und die von Kernkraftwerken Kernspaltungsenergie. Es ist die gewinnbare thermische Energie die mit dem Wirkungsgrad einer Energieanlage multipliziert werden muss um die real zur Verfügung stehende elektrische Energie zu erhalten. Der Wirkungsgrad eines modernen Steinkohlekraftwerks liegt bei 42 – 45 %, der der Kernkraftwerke in Deutschland bei 33 – 35%, der von Windanlagen bei 40 – 45 % und der von Solaranlagen bei 8 % bis 20 % (Solarzellen – Siliziumkristalle: amorphe 8%, polykristalline 15 – 20 % monokristalline um 20 %). Wie die nachfolgende Tabelle zeigt ist die Bandbreite der Energiedichte von Energieträger sehr groß. Die Werte geben die thermische Energie an.

Energiedichte ausgewählter Energieträger

MJ/kg                                KWh/kg

Bleiakkumulator                  0,11                                       0,030

Li- Ionen Akku                     0,36                                       0,10

Braunkohle                           28,4                                       7,90

Steinkohle                             29                                           8,06

Heizöl                                    41                                           11,4

Holz                                       14,4                                        4,0

1 m³ Erdgas                          37                                          10,28 KWh / m³

Natururan*                           648 000                                180 000

Uran in KKW**                    4 500 000                             1 250 000

Sonnenenergie                 0 bis 1KW / m² in Deutschland

Windenergie                    Energiedichte ist eine Funktion der Windstärke

Windgeschwindigkeit m/s    Energiedichte W/m²

Windstärke 3, schwache Brise     3,4 – 5,4                    25 – 95

Windstärke 4, mäßige Brise          5,5 – 7,9                    100 – 300

Windstärke 5, frische Brise           8,0 – 10,7                  310 – 740

Windstärke 6, starker Wind          10,8 – 13,8                760 – 1580

*Kernspaltung von Natururan mit 0,72 % U235; **Kernspaltung von auf 4,4 %U235 angereichertes Natururan; die zivile friedliche Nutzung der Kernenergie begrenzt die Anreicherung von Uran auf max. 5 % U 235)

Gewünscht sind generell hohe Energiedichten da bei gleicher Energieausbeute gegenüber Energieträgern mit geringer Energiedichte die zu verarbeitende, zu transportierende und zu lagernde  Masse wesentlich kleiner ist und damit Kosten vermieden werden. Bei mobilen Geräten können größere Reichweiten erzielt werden und bei Akkumulatoren ist die Energiespeicherung größer. Andererseits sind die technischen Anforderungen der Energiegewinnung bei hohen Energiedichten größer, die Prozesse sind komplexer, die Materialien werden durch meist hohe Drücke und hohe Temperaturen stärker beansprucht. Geringe Energiedichten fordern einen hohen Flächenbedarf.

Sonnenenergie

Die Sonneneinstrahlung beträgt an der Grenze der Erdatmosphäre 1,367 KW/m². Wieviel von diesem, auch als Solarkonstante bezeichneten Wert, auf der Erde zur Verfügung steht ist u.a. abhängig vom Breitengrad, der Sonnenscheindauer, dem Sonneneinfallswinkel, der Jahreszeit, dem Grad der Bewölkung und der Tageszeit. Die Einstrahlung beträgt im Sommer etwa das fünffache wie im Winter. Entsprechend der geografischen Lage Deutschland vom 47. bis 55. Breitengrad beträgt die Strahlungsleistung der Sonnenenergie in Deutschland im Sommer: klarer Himmel 600  – 1000 W / m², stark bewölkt /neblig 100- 300 W/m² und im Winter: klarer Himmel  300 – 500 W/m², stark bewölkt / neblig 50 – 150 W/m². Die Sonnenscheindauer liegt zwischen 1300 bis 1900 Stunden pro Jahr, nachts ist die Strahlungsleistung Null und damit die Solarenergieleistung Null. Die heutigen im Einsatz befindlichen Solarmodule haben einen Wirkungsgrad der Sonnenleistung zu elektrischer Leistung der je nach Art der Solarzelle, wie Dünnschicht- und Dickschichtsolarzelle und verwendetem Siliziumkristall mit amorphem, polykristallinem, oder monokristallinem Silizium zwischen 13% und 17 % liegt. Unter Laborbedingungen werden bereits Wirkungsgrade über 20 % erreicht. Eine beispielhafte Rechnung mit 1500 Sonnenstunden pro Jahr, 600 W/m² mittlere Strahlungsleistung und einem Wirkungsgrad von 15 % ergibt eine mittlere elektrische Strommenge von 135 KWh/m² und Jahr.

Wie sieht nun die Praxis aus, was liefern die Solarmodule tatsächlich? In Deutschland sind rund 500 000 Photovoltaik Anlagen auf privaten Dächern installiert. Die Leistung einer PV – Anlage wird in Kilowattpeak, kWp, angegeben (Leistung unter optimalen Bedingungen), wobei je nach Solarzellentyp für 1 kWp 8 bis 10 m² Fläche benötigt werden. Laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme erzeugten die Solarmodule in Deutschland je nach Einstrahlung zwischen 900 und 950 Kilowattstunden pro installiertem 1 kWp. Die Hochschule Trier hat in einer neueren Studie die Ertragsdaten von 23 000 PV- Anlagen bis zu Größen von 30 kWp ausgewertet. Bei dieser Anlagenauswahl ergab sich für das Jahr 2017 ein mittlerer jährlicher Stromertrag von 1009 KWh / kWp mit einer Bandbreite von 900 KWh / kWp im Norden und 1100 KWh / kWp im Südwesten. Bei einer 8m² Solaranlange pro kWp würden somit 113 KWh / m² bis 137 KWh /m² Stromertrag pro Jahr produziert werden. Dies passt recht gut zur oben gewähltem Beispielrechnung.

Eine 4 kWp – Anlage kostet nach Angaben von Solarthermie je nach Solarzellenart zwischen 5000 € bis 8000 € netto, die Stromausbeute beträgt rund 4000 KWh / Jahr. Von der erzeugten Strommenge her ließe sich damit theoretisch der Strombedarf einer drei / vier köpfigen Familie decken, was aber real nicht der Fall ist, da das Stromangebot nur zeitweise und sehr schwankend zur Verfügung steht.

Detaillierte Angaben zur Solareinstrahlung zeigen die Karten des Deutschen Wetterdienstes. Im Mittel beträgt danach die Sonnenstrahlungsenergie je nach Region in Deutschland zwischen 951 und 1261 Kilowattstunden pro m² und Jahr. https://www.dwd.de/DE/leistungen/solarenergie/lstrahlungskarten_su.html;jsessionid=D61007F424337297AFEF50C37F0ADF42.live11042?nn=16102

Solarleistung: http://www.renewable-energy-concepts.com/fileadmin/user_upload/bilder/photovoltaik-sonnenkarte-deutschland.jpg

Solarerträge: https://www.haus.co/magazin/ertragsstudie-photovoltaikkleinanlagen-2017-hochschule-trier/

So sehr man sich über kräftig gesunkene Kosten der Solarmodule und einen höheren Wirkungsgrad mit nunmehr rund 1000KWh / 1 kWp und Jahr freuen kann, verbleiben bei der Solarenergie drei gravierende Nachteile. Eine äußert unverlässliche Stromproduktion mit hoher Volatilität aufgrund wetterbedingter Einflüsse, der nächtliche Totalausfall , die sehr geringe erzeugte Strommenge bezogen auf die installierte Leistung aufgrund der niedrigen Energiedichte der Sonneneinstrahlung und ein hoher Flächenbedarf. Tages- und wetterbedingt ist die Stromerzeugung rund ein halbes Jahr, nachts, Null und tags übern Daumen gepeilt nur 4 Monate gut (M,J,J, A), 4 Monate mäßig (M, A, S, O) und vier Monate schlecht (J, F, N, D) was der Lichtabhängigkeit der Solarmodule geschuldet ist. Silizium braucht Licht in Form von Sonnenstrahlen um als Halbleiter sein Potential entfalten zu können. Die Verfügbarkeit von Solarstrom ist entsprechend schlecht.

Windenergie

Wind ist bewegte Luft, wobei Luft das Gasgemisch der Erdatmosphäre (ca. 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 1% Argon, 0,04 % Kohlendioxid und Spuren Ne, He, CH4 etc.) ist und auf Meeresniveau (15 °C, 1013 hPa) eine Dichte von 1,225 kg / m³ hat. Die Dichte ändert sich mit der Temperatur, dem Luftdruck und dem Wasserstoffgehalt. Die Bewegung der Luftmasse resultiert aus Temperatur- und Druckdifferenzen die bestrebt sind wieder ins Gleichgewicht zu kommen. Durch Sonnenlicht erwärmte Luft dehnt sich aus, wird leichter und steigt auf, sich abkühlende Luft wird schwerer und sinkt ab. Die Windgeschwindigkeit, auch Windstärke genannt, hängt von der Differenz der Energiepotentiale der Regionen ab, zwischen denen die Luftmassenbewegung stattfindet. Nach der Beaufortskala wird die Windgeschwindigkeit in 13 Windstärkebereiche von 0 (Windstille) bis 12 (Orkan) eingeteilt, wobei in Deutschland mit seiner Lage in der Westwindzone Windgeschwindigkeiten von 4 – 5 m / s vorherrschen. Nach oben hin nimmt die Windgeschwindigkeit zu, da die Reibungsverluste durch Erdhöhenunterschiede abnehmen. Dies führt zu immer größeren Windenergieanlagen (WEA) mit Nabenhöhen bis 150m.

Bei einer Windstärke von 4, mäßige Brise, beträgt die Windgeschwindigkeit 5,5 – 7,9 m/s und der Energiegehalt 100 – 300 W /m². Bei Windstärke 7, steifer Wind,  sind die entsprechenden Werte 13,9 – 17,1 m /s bzw. 1610 – 3000 W /m² und bei Windstärke 9, Sturm 20,8 – 24,4 m/s bzw. 5400 – 8750 W /m².

Die WEA nutzt die Bewegungsenergie der Winde um über die Kreisfläche der Rotorblätter die wie ein Strömungskanal wirkt, die Nabe, die Rotorwelle, das Getriebe und schließlich den Generator der WEA Strom zu erzeugen. Die kinetische Energie berechnet sich nach der Formel E = m x  v² / 2.  Die Masse ist der bewegte Massenstrom des Windes der pro Zeiteinheit durch die Rotorfläche des gedachten Strömungskanals der Windanlage strömt (m = Luftdichte x durchströmte Fläche x Geschwindigkeit). Damit ergibt sich die Leistung P Wind = ½ p  x  π   x r² x  v  x  v²  und die Leistung der WEA zu P WEA = ½ p x  A x  v³  x  Cp  mit p  Luftdichte, A Rotorblattkreisfläche, v Windgeschwindigkeit hoch drei und Cp Wirkungsgrad, die Differenz der Windleistung (Druck und Geschwindigkeit) vor und nach der Windturbine.

Der maximale Wirkungsgrad, auch Leistungsbeiwert oder Betz´scher Beiwert genannt ist 0,5926. Somit könnten theoretisch rund 60 % der verfügbaren Windleistung genutzt werden, real liegt der Wert bei 0,4 bis 0,5.

Die Energieausbeute, oder Windertrag, ist proportional der Luftdichte und der durchströmten Fläche und nimmt überproportional in der dritten Potenz mit der Windgeschwindigkeit zu. Die Windgeschwindigkeit ist damit das entscheidende Kriterium für einen guten Ertrag, andererseits sorgt sie aber auch für eine enorm hohe Volatilität und damit für Probleme im Stromnetz. Verdoppelt sich z.B. die Windgeschwindigkeit, steigt der Energiegehalt um das Achtfache an und umgekehrt. So steht bei einer Windgeschwindigkeit von 8m/s ein Leistungspotential von 314 W /m² windexponierter Fläche zur Verfügung, bei einer Windgeschwindigkeit von 16 m/s sind es bereits enorme 2509 W/m².

Die Windenergie hat gegenüber der Solarenergie den Vorteil potentiell den ganzen Tag, ohne Nachtausfall, zur Verfügung zu stehen. Auch passt sie besser als die Sonnenenergie zur geografischen Lage Deutschlands mit seinen Küstenregionen. Wie die Sonnenenergie ist sie dennoch sehr volatil, weil bei bestimmten Wetterverhältnissen (große Hitze, starker Frost, Nebel etc.) kein Wind weht. Bei schwachen Winden der Windstärke zwei / drei kommen große WEA kaum zum Rotieren da das Trägheitsmoment der WEA nicht überwunden werden kann und bei sehr starken Winden müssen WEA aus Sicherheitsgründen abgeschaltet werden, da die einwirkenden Windkräfte zu groß werden. Bei neuen WEA dominiert seit 2015 in Deutschland die 3- 4 MW Turbine mit Nabenhöhen um 130 m, Rotordurchmesser um 113 und bevorzugten Standorten mit mittleren Windgeschwindigkeiten von 6 – 7 m/s. Die mittlere Volllaststundenzahl lag in den letzten Jahren bei ca.1700 Stunden pro Jahr. Weitere Informationen  zu Ausbaustand, Ausbauziele der Windenergie, zu Investitions- und Betriebskosten sowie  Karten etc. findet man im Windmonitor des Fraunhofer Institut. http://windmonitor.iee.fraunhofer.de/windmonitor_de/index.html

Typische Kennwerte einer 3 MW WEA. https://www.wind-turbine-models.com/turbines/832-enercon-e-115-3.000

Verfügbarkeit Solar- und Windenergie

2017 wurden mit rund 43 GW installierter Solarleistung der Photovoltaikanlagen rund 39,4 TWh Strom produziert. Das entspricht gerade mal 10,5 % der installierten Leistung bei Volllast. Die Windenergie mit rund 30 000 WEA, einer Gesamtleistung von ca. 56 GW und einer Stromproduktion in 2017 von 105,7 TWh kommt immerhin auf 21,5 % mittlere Verfügbarkeit. Grundlastkraftwerke (Kohle / Kern) fahren mit Verfügbarkeiten von rund 90 % der installierten Leistung, entsprechend groß ist die Stromproduktion. Die 7 Kernkraftwerke mit zusammen 9,5 MW produzierten 2016 /2017 insgesamt 161 TWh.

Die sehr geringe Energieausbeute der Solar- und Windenergie resultiert aus der geringen Energiedichte dieser Energieträger, der hohen Wetterabhängigkeit und bei der Solarenergie der zusätzlichen Tagesabhängigkeit. Eine hohe Stromvolatilität ist die Folge mit Leistungswerten die bei bestimmten Witterungsverhältnissen  wie der Dunkelflaute, wo zeitgleich keine Sonne und kein Wind zur Verfügung steht, auch nahe Null liegen können, so wie die Sommermonate dieses Jahres gezeigt haben. Ein heißer Sommer ist keine Garantie für gute Betriebsergebnisse, das Gegenteil ist der Fall. http://www.politimpuls.de/2018/09/04/zeitweiser-totalausfall-der-wind-und-solarenergie-in-deutschland-im-august-2018/

Die Probleme beim Betrieb von Windanlagen aufgrund von Leistungsschwankungen und Stillstand  sind tausende Jahre alt und wurden in dem Gedicht von Wilhelm Busch  treffend beschrieben:

„Aus der Mühle schaut der Mülller, der so gerne mahlen will. Stiller wird der Wind und stiller und die Mühle stehet still. So geht´s immer wie ich finde, ruft der Müller voller Zorn. Hat man Korn so fehlt´s am Winde, hat man Wind so fehlt´s am Korn“.

Den Energien mit sehr geringen Energiedichten steht auf der anderen Seite die Kernenergie mit extrem hohen Energiedichten gegenüber. So benötigt ein Kernkraftwerk mit ca. 1400 MW elektrischer Leistung eine Brennstoffmenge von nur rund 24 Tonnen Uran mit 4,4 % Anreicherung pro Jahr um bei einer Verfügbarkeit von 90% Strom über 11 Milliarden kWh / Jahr zu produzieren.

Die CO2 Emission beträgt bei Steinkohlekraftwerken ca. 750 bis 900 g /KWh, bei Erdgaskraftwerken ca. 400 g/KWh und bei Solar-, Wind-, und Kernkraftwerken Null Gramm / KWh.

Die Zukunft regenerativer Energieträger und der Umfang künftig noch benötigter Kohle – und Gaskraftwerke wird maßgeblich von den Möglichkeiten der Stromspeicherung abhängen und hier stehen wir nach wie vor mit nahezu leeren Händen da. Das Thema wird in einem eigenen Artikel behandelt.

„Energy Charts“ des Fraunhofer Institut zur Stromproduktion Wind, Sonne, Kohle etc. , zu  installierten Leistungen, zu Emissionen, zu Börsenstrompreisen usw.   https://www.energy-charts.de/index_de.htm