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ein Unternehmen: Beratung für EntwicklungphysicstoDot ® ! www.physicstoDot.com! Rathausstraße 10, 56357 BuchIdee, Versuch, Konzept, Design Softwareentwicklung Konstruktionstechnik Versuch System, ProzessanalyseInhaber:Holger Neulen, Dipl.Ing. (FH)Weltkulturerbe Energie regenerativ!Zur Energiewende:Bereichern wir das Welterbe“Oberes Mittelrheintal“um Pumpspeicherkraftwerke! ein Beitrag zum 10 jährigen Jubiläum des Welterbe“Oberes Mittelrheintal“.Mit freundlicher Unterstützung seitens“Beratung für Entwicklung“Inhaber: Holger Neulen, Dipl.Ing. (FH),Rathausstraße 10,56357 Buchwww.physicstoDot.comTelefon: 06772 / 966-8955Montag, 19. November 2012Unser Erbe Energie regenerativ


Beratung für EntwicklungphysicstoDot ®InhaltsverzeichnisVorwort! 5Das Leben, Fauna und Flora! 5Wahre Solidarität! 5Vererben wir einfach Energie regenerativ! 6Ein besseres Erbe!! 6Zum Szenario Fakten:! 6nachwachsende Rohstoffe … der Speicher vom Acker! 7Energie aus dem Wind! 9Energie, Elektrizität per Photovoltaik sammeln! 11Die fehlenden Speicher: “Pumpspeicherkraftwerke“! 11Unser Erbe Energie regenerativ“! 13Unser Erbe Energie regenerativ


Beratung für EntwicklungphysicstoDot ®Vererben wir einfach Energie regenerativEin besseres Erbe!Inwiefern radioaktive Strahlung zur Regeneration vonLeben beiträgt habe ich noch nicht ausreichend recherchiertund eruieren können. Jedoch ist mir bekannt, dasszuviel dieser Strahlung Leben signifikant verändert oder gar beendet.Schon mit Bekanntsein vor Jahren ein Grund sich nichtdem Nutzen der Kernenergie anzuvertrauen wie es jedochin aktuellem Maße geschehen ist und derzeit vererbtwird.Das angebliche Erbe einer Menschen gemachten Klimakatastropheaufgrund Kohlendioxid (CO 2) sehe ich lediglichals Verpackung den Menschen sparsamen Umgangmit fossilen Brennstoffen nahebringen zu wollen.Wegen der doppelten Menge an Wärme, die Wasserdampfgegenüber Kohlendioxid aufnehmen kann und wegen desWassers Verdampfungswärme, die es aufnimmt/abgibt unddessen Volumenänderung dabei, ist Wasserdampf dasMedium (Treibhausgas) für Transport/Verteilung von Wärmeschlechthin. Sei es per Wärmestrahlung, Wärmeleitung oderKonvektion. Und Wasserdampf entsteht in etwa gleicherMasse wie CO2 beim Verbrennen und zusätzlich beim Kühlenvon Kernkraftwerken (“Wolken“ der Kühltürme weisendarauf hin).CO 2 als Treibhausgas “treibt“ hauptsächlich die Pflanzenzum Wachsen an. Wegen dessen guter Löslichkeit inWasser (als Kohlensäure (darum ist Regenwasser so“weich“)) wird es sogar beim Entstehen von Regentropfenoder Eiskristallen der Atmosphäre ausgewaschenund gelangt so, gebunden in Wasser zu den Pflanzen amBoden.Jedoch die Wärme aus dem Verbrennen fossiler Energieträgerund die Abwärme von Kernkraftwerken über einenZeitraum von etwa 7 Jahren könnte die Luft der Atmosphäreum ca. 0,5 °C erwärmen, wenn sie denn nicht anderweitigabgekühlt würde. So benötigt 1 kg Kohlehydrat(Zucker) etwa 15,7 MJ Energie zu dessen Entstehung 2 perPhotosynthese. Wärme, die Pflanzen während derenWachsens der Atmosphäre entziehen.Gehen wir zu den Änderungen über, die Versorgung mitregenerativer Energie mit sich bringen. Vielleicht etwasunbequem gegenüber der Versorgung per Kernenergieund fossiler Brennstoffe, doch wir können sie erleben.Zum Szenario Fakten:Leider sind der Öffentlichkeit angeführte Beispiele derNutzung regenerativer Energie (Bioenergie) mit geringerAussagekraft zur Machbarkeit ausreichender Bereitstellungvon elektrischer Leistung. Lediglich wird der Verbrauchan Strom angeführt, nicht jedoch die benötigteLeistung von Elektrizität zum Realisieren von Prozessen.Beispiel:Für die Dauer der Aktivität eines Durchlauferhitzers benötigman etwa 21 kW, einer Kochplatte etwa 2 kW elektrischeLeistung.Trugschlüsse, die lediglich die verbrauchte Energie alsMaßgabe für die Versorgung anführen gilt es zum Erhaltenderzeitig bestehender wirtschaftlicher Prozesse zuvermeiden. Die Diskontinuität des Bereitstehens vonEnergie regenerativ kann künftig unser Verhalten imUmgang mit Prozessen bestimmen.Das Maß für Energie setzt der Bedarf anLeistungDer Bedarf an Leistung setzt das Maß für Energie 3 jeZeitdauer. Ein beabsichtigter Prozess bestimmt die Mengeund die Zeitdauer der Verwendung von Energie. BeabsichtigteProzesse bestimmen den Bedarf. Die Mengean Energie je gleicher Zeiteinheit variiert die Leistung.Beispiel:… ausreichend LeistungMit der stärksten Stufe der “großen“ Kochplatte bringtman 5 Liter Wasser etwa nach 21 Minuten heizen aufeinmalzum “Kochen“ (Sieden). Dem Wasser wird innerhalbdieser Zeit die Menge Energie zugeführt, die esbraucht um ins Kochen 4 zu geraten.…zu geringe LeistungMit der schwächsten Stufe der kleinen Kochplatte desHerdes lässt sich die Menge von 5 Liter Wasser nichtaufeinmal zum Kochen bringen!Unabhängig davon, wie lange das Wasser mit der kleinenKochplatte bei schwächster Stufe “beheizt“ werden - die 5Liter werden nicht kochen! Auch wenn die Menge an Energienach langer Zeitdauer der Menge entspricht, die mit dergroßen Platte zugeführt wurde oder sogar größer wird.Der Bedarf an Energie je Zeit das Wasser zum Kochen zubringen ist größer als die schwächste Stufe der kleinenPlatte Energie je Zeit zur Verfügung stellt. Soll die Mengevon 5 Litern Wasser kochen, muss das Zuführen vonEnergie je Zeit , die Leistung größer sein.Um die Menge von 5 Litern Wasser aufeinmal zum Kochenzu bringen ist also eine bestimmte Zufuhr von Leistung(Energie je Zeit) notwendig. Ohne Bereitstellungerforderlicher Leistung für Prozesse können ebendiesenicht vonstatten gehen. … bezogen auf das Beispiel: 5Liter Wasser können dann nicht zum Kochen gebrachtwerden. Demnach kann mit “Energiegebern“ Energiequellen,die nur wenig Leistung (Energie je Zeit) bereistellen,bestimmte Nutzen nicht realisiert werden. Deren Gabe anEnergie kann jedoch gespeichert werden.Bedarfe erfordern SpeicherGenügt die Gabe von Energie je Zeiteinheit einer Energiequellernicht um einen Prozess vonstattengehen zulassen, muss die Menge der Gabe von Energie gespeichertwerden und zum Verwirklichen des Prozesses beigenügend Vorrat schneller zugeführt werden.Beispiel:Per direktem Bestrahlen mit Sonnenlicht 5 wirdWasser erwärmt und verdunstet kann abernicht zum Kochen gebracht werden.Dazu ist das Sammeln und konzentrierteres Zuführen imSonnenlicht enthaltener Energie erforderlich. Das Sam-2 H. Pscheidl “Allgemeine Chemie Grundkurs“, VEB 1987 Berlin, 4., berichtigte Auflage, ISBN 3-326-00126-63 Technisch auch als “Wärme“ bezeichnet.4 Höchste Temperatur, die flüssiges Wasser in gleichzeitig umgebenden Medien annehmen kann, hier z. B. Luft, Küche, Topf.5 unser Energiegeber schlechthin!Seite! 6! von!13 copyright © Holger Neulen, November 2012! Unser Erbe Energie regenerativ


Beratung für EntwicklungphysicstoDot ®meln der Energie geschieht im Heranwachsen von Pflanzen der Photosynthese (Synthese (Zusammensetzen)von Kohlehydrat (Zucker) aus Kohlenstoffdioxid undWasser unter Einwirken von Sonnenlicht (Energiestrahlender Sonne)). Auch Wind (bewegte Luft ⇒ Windrad)und Wasserkraft (Verdunsten Abregnen Aufstauen ⇒Wasserkraftwerk) entsteht letztlich aus der Sonnenstrahlung.Mit unterschiedlichem Sammeln entstehen unterschiedlicheVorräte aus Wasser, Pflanzen, Gas z. B. fürElektriziät. Mit dem Bevorraten ist zusätzlicher Aufwandan Energie, also über den derzeitigen Bedarf hinaus notwendig.Sei es z. B. nur die Schaffung von Gebäude zumBevorraten von Energieträgern oder die Verluste, diebeim Laden/Entladen von Vorräten (Batterien, Speichern)einhergehen.Bedarfe aus “Just in Time“ SpeicherDerzeit nutzen wir Menschen für unsere Bedarfe Energie,die hauptsächlich aus der Photosynthese in den fossilenBrennstoffen wie Öl, Kohle und Gas langfristig,über Jahrtausende hinweg konzentriert zusammengefasst(gespeichert) und eingelagert wurde. Mit dem Verzichtoder dem Ausfall dieser Speicher an Energie sindwir auf Sonne, Wind und Wasser “Nutzen wenn vorhanden“angewiesen. Aus unserem derzeitigen Verhaltengeht damit die Verwendung des Fassungsvermögenskurzfristigerer Speicher einher.Beispiel:Die Bedarfe müssen aus “Just in Time“ Speicherzur Verfügung stehen. Also aus dem was z. B.innerhalb eines Jahres an Pflanzen nachwächst,oder was akut aus Sonnenstrahlung genutzt, gesammeltwerden kann. So muss beispielsweiseder Bedarf an Gas innerhalb eines Jahres odertäglich der Bedarf an warmen Wassers zum Duschenaus dem Fassungsvermögen des jeweiligenkurzfristigen Speicher bereitstehen, wenn mannicht nur zu den Zeiten warm duschen will, wennEnergie aus Sonne, Wasser, Wind adhoc verfügbarist.Die Herausforderungen dabei sind:• Während wesentlich kürzerer Zeitdauern Energie zusammeln und für den Bedarf bereitzustellen als es derzeitmit den fossilen Brennstoffen geschieht.• Prozesse können nur dann (Just in Time) aktiv sein,wenn die Energiegeber (Sonne, Wasser, Wind) genügendLeistung für ebendiese Prozesse bereitstellen.• Ein rationeller Umgang mit EnergieAktuell nutzen wir schon “Just in Time“ Speicher umdem großen Schwanken des Bedarfs an Elektrizität e-bendiese effektiv bereitzustellen. Dies geschieht perkurzfristig an/abschaltbarer Gasturbinenkraftwerkeoder sogenannter “Pumpspeicherkraftwerke“.Es ist sehr unwirtschaftlich Kraftwerke, die fossile Energie inElektrizität umwandeln entsprechend kurzfritigem BedarfAn und Abzuschalten. Deshalb wird bei geringem Bedarfan Elektrizität überschüssige Elektrizität zum Antreiben vonWasserpumpen genutzt, die Wasser in “Speicherseen“ansammeln speichern. Bei großem Bedarf an Elektrizitätkann diese dann per Wasserkraft aus den Speicherseensehr schnell bereitgestellt werden.Verbrennen, VerbrennungVerbindet sich ein Stoff mit Sauerstoff wird dies auch als“Verbrennen“ bezeichnet. Dabei entsteht ein neuer Stoffund es wird Energie in Form von Wärme nutzbar.Beispiel:Verbindet sich Kohlenstoff (chemisch: C) mit Sauerstoff(O), “verbrennt“ der Kohlenstoff. Es entsteht Kohlenstoffdioxid(CO 2). Verbindet sich Wasserstoff (H) mitSauerstoff “verbrennt“ der Wasserstoff. Es entsteht Wasser(H 2O) in Form von Dampf. Mit diesen Verbrennungenwird Wärme (Energie) frei, letztlich der Atmosphärezugeführt: Nutzbar z. B. zum Heizen von Räumen, Erwärmen,Verdampfen von Wasser.Der Kohlenstoff und der Wasserstoff, die Verbrannt werdenkommen aus den fossilen Energieträgern Öl, Kohle,Gas oder aus einem kurzfristigen Speicher … einemnachwachsenden Rohstoff.nachwachsende Rohstoffe … derSpeicher vom Acker… hmmlecker,Zucker:C6H12O6Grundlegendes zur EinschätzungNachwachsende Rohstoffe entstehen durch Sammeln derSonnenenergie per Photosynthese in Form von Zucker.Der Gehalt an Zucker(C 6H 12O 6), Stärke (ein Mehrfachzucker(nach landwirtschaftlichenMaßstäben auchTM (Trockenmasse) bezeichnet)),letztlich die Menge anKohlenstoff (C) und Wasserstoff(H) in einem KilogrammBiomasse bestimmtmaßgeblich die Menge an CO 2(Kohlenstoffdioxid) und H 2O(Wasserdampf), die aus diesemKilogramm Biomasse entstehen kann. Oder besser: bestimmtdie Menge an Energie (Wärme), die bei der Verbrennungebengenau der Biomasse freigesetzt wird. 6Im Großen und Ganzen bestimmt also die Menge anTrockenmasse in einem Kilogramm Biomasse die Mengederen gespeicherter, verbrennungstechnisch nutzbarerEnergie. Unabhängig davon ob die Biomasse nun verkokt,fermentiert, direkt verbrennt oder als Pflanzenöl,als Biokraftstoff in Ethanol oder Biodiesel umgewandeltverbrannt wird. Unterschiedliche Pflanzen sammelnunterschiedliche Mengen an Energie. Die Pflanze Maissammelt reichhaltig Energie (C 6H 12O 6).50000 kWh Energie je ha und JahrReale Zusammenhänge:Aus einem ha (Hektar (Fläche eines Quadratesmit 100m Seitenlänge)) Mais lassen sich derzeitdurchschnittlich 5000 m3 Methan (CH 4) oder180.000 MJ (Mega Joule) oder 50.000 kWh E-nergie als Gas dem natürlichen Kreislauf Sonnenlicht,Photosynthese von Zucker aus CO 2 undWasser innerhalb eines Jahres abzweigen, sammeln.… für den Bedarf an Wärme50000 kWh Energie genügen, um den Bedarf von 4Haushalten (Wohnungen) für Wärme (Heizung, Aufbereitungwarmen Wassers lediglich durch Verbrennen desMethan) innerhalb eines Jahres bereitzustellen.Für den Rhein-Lahn-Kreis meine Heimat wären für63.000 Wohnungen 16.000 ha (160 km 2 , etwa die Hälfteder Ackerfläche des Rhein-Lahn-Kreis) notwendig diesesMethan per nachwachsender Rohstoffe bereitzustellen für RheinlandPfalz mit 2 Mio. Wohnungen 500.000 ha(5000km 2 ), etwa 2/3 der bisher landwirtschaftlich genutztenFläche von RheinlandPfalz. Oder zur besserenVorstellung: Um den 4 Mio. Einwohnern von RheinlandPfalzWärme für Heizen und Aufbereiten warmen6 Unberücksichtigt der Energie aus dem Verbinden zu weiteren chemischen Verbindungen wie z. B. NOx.copyright © Holger Neulen, November 2012! Unser Erbe Energie regenerativ ! Seite! 7! von!13


Beratung für EntwicklungphysicstoDot ®Wassers durch Verbrennen von Methan bereitzustellenist 1/4 der Fläche von RheinlandPfalz erforderlich fürden Anbau von Pflanzen, die 50.000 kWh je ha im Jahrbereitstellen. Für 80 Mio. Menschen der BundesrepublikDeutschland bei 40 Mio. Wohnungen müssen 10 Mio. ha(100.000 km 2 , etwa 5/8 der landwirtschaftlich genutzenFläche der BundesrepublikMehr als nur zum Wärmen,Deutschland) mit Energie aus nachwachsendendiesen Pflanzen Rohstoffen zum Bereitstellenbebaut werden,elektrischer Leistungdass ausreichendEnergie lediglich zum Heizen und für Warmwasser perVerbrennen des nachwachsenden Methan innerhalb einesJahres bereitgestellt werden kann.… für den Bedarf an ElektrizitätGemessen am derzeitigen Bedarf 7 von etwa 600 TWh(Tera (10 12 ) Watt Stunden) elektrischer Energie zur Bereitstellungder Bedarfe an Waren und Dienstleistungen denn dazu wird die Menge an Strom letztlich gebraucht von etwa 40 Mio. Haushalte, sind je Haushalt (Wohneinheit)durchschnittlich 1,7 kW elektrische Leistungerforderlich.… 50.000 kWh nachwachsende Energie … etwa 1/3lässt sich in elektrischen Strom umwandelnWie bei der Nutzung fossiler Ressourcen, steht dennachwachsenden Ressourcen deren Verbrennung demErzeugen vonProzesskette:technisch nutzbarerElektrizitätVerbrennen Antreiben Strom erzeugenvoran. Über eine Prozesskette aus Verbrennen und Antreibenwird in Kraftwerken beispielsweise in Biogasanlagen Strom erzeugt. Die mit der Verbrennungder Ressourcen entstehende Wärme wird dabei zumAntreiben von Generatoren, die dann Elektrizität erzeugengenutzt. Aus thermodynamischen 8 und mechanischenGründen kann bislang in den Brennstoffen enthalteneMenge an Energie zu etwa 1/3 in elektrische Leistunggewandelt werden.… 1/3 lässt sich dabei zum Heizen von Räumen undAufbereiten warmen Wassers nutzenWährend des Erzeugens von Strom kann 1/3 der imBrennstoff enthaltenen Energie zur KWK 9 (Heizen undAufbereiten warmen Wassers) verwendet werden.Für das Bereitstellen von Elektrizität unserem Bedarfan elektrischem Strom aus nachwachsenden Rohstoffenwird der Bedarf an Fläche sehr groß!Reale Zusammenhänge:Für den Bedarf von 1,7 kW elektrischer Leistungje Hauhalt ist bei 5000 m 3 /ha Methan, also180.000 MJ oder 50.000 kWh Energie je Hektarund Jahr aus dem nachwachsenden RohstoffMais, 1 ha Anbaufläche zum Sammeln von Energiein Form des Mais erforderlich.Für den Bedarf elektrischer Leistung der Menschenim RheinLahnKreis (63000 Wohnungen)von etwa 107 MW elektrische Leistung per Verbrennendes Methan in Biogasanlagen wären63000 ha oder 630 km 2 erforderlich, etwa 80%der Fläche des Rhein-Lahn-Kreis überhaupt.Für 2 Mio. Wohnungen in Rheinland-Pfalz müssten2000.000 ha (20.000 km 2 ) die Fläche vonRheinland-Pfalz ein Maisfeld sein um elektrischeEnergie per Biogas bereitstellen zu können!… für 80 Mio. Bundesbürger in 40 Mio. Wohnungen,also den derzeitigen Bedarf an elektrischerEnergie von 600 TWh im Jahr, wären 40 Mio. ha,also 400.000 km 2 Maisfeld erforderlich, … mehrals die Fläche der Bundesrepublik Deutschlandvon ca. 357.000 km 2 .Bei Nutzung der KWK (Generator Antreibens Abwärme)könnten 1,5 Wohnungen/ha (oder je 57kW Leistung/ha) mit Energie für Heizen undWarmwasser versorgt werden, ohne zusätzlichenBedarf an Fläche. Dennoch bliebe Deutschland einMaisfeld, um den Bedarf an elektrischer Leistungaus nachwachsenden Rohstoffen zu decken.nachwachsender Kraftstoff:Methan Ersatz für Benzin, DieselAus technischen Zusammenhängen lässt sich abschätzen:Ein Fahrzeug welches 7 Liter Benzin je 100 km gefahrenerStrecke verbraucht, kann mit etwa 8 m 3 Methandie gleiche Strecke vorangetrieben werden. Demnachkönnen aus 1 ha nachwachsendem Rohstoff Mais (5000m 3 Methan) diese Fahrzeuge etwa 65000 km vorangetriebenwerden. Bei etwa 40 mio. PKW Bundesweit undetwa 10000 km Strecke je Fahrzeug pro Jahr sind dannetwa 6,2 Mio. ha (62ooo km 2 ) also etwa 1/5 der gesamtenFläche der Bundesrepublik Deutschland für die Bereitstellungdes Methan zum Betreiben lediglich der Personenkraftwagenmit nachwachsenden Rohstoffen erforderlich.Bedarf zum Betreiben der AnlagenNicht zu vergessen sind bei nachwachsenden Rohstoffedie Bedarfe: zum Betreiben der Bio-Kraftwerke, Kraftstoff zum Bewirtschaften der Flächen, wozu etwa10% der zu bewirtschaftenden Fläche zusätzlich notwendigsind.VorratshaltungLetztlich ist die Versorgung per nachwachsender Rohstoffevon den jährlichen Erträgen an Pflanzen Biomasseje ha bewirtschafteter Fläche abhängig. Bei Ernteaufkommenwird in Silos eingelagert. Aus dieser Vorratshaltungwäre das Auskommen über ein Jahr bereitzustellen.Also eine Rationierung in der Verfügbarkeit über Energieaus der Abhängigkeit vom Pflanzenwuchs und damitvon klimatischen Bedingungen.Eine Rationierung in der Verfügbarkeit von Energiewürde mit dem Aufbrauchen fossiler Brennstoffe ohnehineinhergehen. Ein smarter Umgang mit Energie bleibtdamit erstrebenswert.Weitere nachwachsende RohstoffeMit dem Nutzen des jährlich absoluten Zuwachs an Holzvon etwa 8 m 3 /ha oder besser etwa 4000 kg/ha (damitetwa 64.000 MJ/ha Energie) wäre etwa die 3-Fache Flächegegenüber dem Anbau von Mais zum Erzeugen vonElektrizität aus nachwachsendem Holz erforderlich.7 der Menschen der Bundesrepublik Deutschland während eines Jahres8 Zusammenhänge des Nutzen könnens von Wärme und deren Übertragbarkeit9 KraftWärmeKopplung, Nutzen der Generator für Elektrizität treibenden Brennkraftmaschine Abwärme zum Heizen von Wohnungen, Aufbereiten warmenWassersSeite! 8! von!13 copyright © Holger Neulen, November 2012! Unser Erbe Energie regenerativ


Beratung für EntwicklungphysicstoDot ®Noch dazu: Holz für andere Arten dessen Nutzung (z. B.Möbel, Hausbau) wäre dann aufzugeben. Dennoch solltendie Potentiale von Holz aus Straßenfreischnitt, Restholzusw. soweit möglich genutzt werden.Um den Bedarf an Fläche zu verringern müssten Pflanzenschnell und ohne großen Aufwand nachwachsen.Meint in sehr kurzer Zeit in sehr viel Zucker (Trockenmasse)die Energie der Sonne speichern, wie z. B. diePflanze MiscanthusGiganteus.Beispiel:MiscanthusGiganteus, eine schnell wachsende Pflanze,die einen sehr hohem Gehalt an Energie speichert, lässtetwa 15 t TM, 240.000 MJ/(ha und Jahr gemittelt über 6Jahre) Energie bereitstellen. Dann wäre noch immer etwa75% der Fläche der BRD zum Anbau von Pflanzen zurBereitstellung von Elektrizität aus nachwachsendenRohstoffen erforderlich.Schnell wird klar die Flächen für Pflanzen reichen nichtaus, den Menschen der Bundesrepublik Deutschland pernachwachsender Rohstoffe den derzeitigen Bedarf anEnergie für Wärme bereitzustellen, sie mit Wärme,Elektrizität und Kraftstoff zu versorgen. Vordergründigsollten nachwachsende Rohstoffe eher zur Bereitstellungvon Energie zum Heizen und aufbereiten warmen Wassersverwendet werden. Die Bereitstellung von Elektrizitätsollte aus anderen regenerativen Ressourcen bewerkstelligtwerden.Energie aus dem WindWind kommt erheblich kurzfristiger vor als das Vorkommendes Erntens von Pflanzen. Ebenso kurzfristig istdas Ausbleiben von Wind. Kurzzeitig bietet Wind hohe/keine Verfügbarkeit von Energie. Damit schwankt dieVerfügbarkeit der Ressource Wind stärker gegenübernachwachsenden Rohstoffen. Dies erschwert das Einsammelnund Bereitstellen der Energie aus der RessourceWind. Kurzfristig hohe Verfügbarkeit von Energie ausdem Wind muss hier per hoher Leistung bevorratet, gespeichertwerden, um bei geringer Verfügbarkeit vonWind Energie aus dem Speicher kurzfristig bereitstellenzu können.Leistung der Ressource “Wind“Das Maß der (Verfügbarkeit von Energie) Leistung ausdem Wind (bewegte Luft) bestimmen die physikalischenEinflüsse:• Dichte der LuftDie Dichte der Luft wird mit zunehmender Höhe geringer.Die Geschwindigkeit der Luft variiert. An einem ortsfestenStandort wird die Dichte als konstant angenommen.• Richtung der Bewegung der LuftFür die Abschätzung wird von der bestmöglichen Nutzungder Richtung der Bewegung der Luft (Wind) ausgegangen.• Geschwindigkeit der Bewegung der Luft (Windgeschwindigkeit)Die Geschwindigkeit der Luft bestimmt nach denvorausgesetzten Annahmen hauptsächlich dieVerfügbarkeit von Leistung aus dem Wind.Anlage zur Bereitstellung der LeistungAls technisches Gerät zur Bereitstellung der Leistung ausdem Wind werden Strömungsmaschinen genutzt.Im Allgemeinen sind das z. B. Propeller (Schraube,Rotor), die dem Wind enthaltene Energie mechanischentziehen. In mechanischer Verbindung mit einem Generatorzum Erzeugen elektrischen Stroms (Elektrizität) werden diese als Windkraftanlagen, Windräder,Windenergieanlagen (WEA) bezeichnet. Direktes mechanischesAntreiben z. B. von Pumpen, Mühlen ist wegendes Weiterleiten der mechanischen Leistung vom Propellerzum Verbraucher zu aufwändig gegenüber “zwischengeschalteter“Umwandlung in Elektrizität.Anhand der Windgeschwindigkeit und den Abmessungendes Propellers ist das Maß bereitstellbarer Leistungaus dem Wind rechnerisch abschätzbar. 10!Mit:!Dichte der Luft:!! vom Propeller überstrichener Fläche:!!!! Windgeschwindigkeit:!! !Beiwert:Bei physikalisch bestmöglicher Nutzung der Energie einesLuftstromes mit einem Propeller (aus der Geschwindigkeitder Luft vor und nach dem Propeller).Der Verlauf der Leistung bewegter Luft in Abhängigkeit1. Diagramm:! Leistung aus dem Wind PW beispielhaft für DR=125 mbei den Windgeschwindigkeiten 6 oder 8 m/sder Windgeschwindigkeit zeigt die große Spanne, innerhalbwelcher die Ressource “Wind“ Leistung zur Verfügungstellen kann.Jeder Standort einer WEA sollte genügend Aufkommenan Wind haben und die Abstände einzelner WEA untereinandersollten so bestimmt sein, dass eine Anlage deranderen nicht den Wind nimmt, damit des Windes Energieeffizient, bei geringst möglichem Aufwand an Anlagenentnommen werden kann.Bevorraten der Energie aus dem WindBei ungenügender Menge Wind könnten die Prozesse fürunsere Bedarfe nicht vonstatten gehen. Bei hoher Verfügbarkeitvon Wind könnten unsere Kapazitäten an Prozessendie Möglichkeit des Windes Arbeit zu leisten nichtaufbrauchen. Also z. B. auf Lagerhaltung produzieren. Sobliebe Leistung aus der Ressource Wind ungenutzt, welchebei Windstille von Nöten wäre. Die häufige Verwendungvon Elektrizität für unsere Prozesse und das Bereitstehenvon Elektrizität aus einer WEA lassen die Energieaus dem Wind dazu verwenden sowohl zu versorgenals auch “Speicherkraftwerke“ zu betreiben. Bei hoherVerfügbarkeit von “Energie aus dem Wind“ kann dieseper Pumpspeicherkraftwerke angesammelt werden, um10 siehe FH-Koblenz/Maschinenbau: Prof. Dr.Ing. Lenck: Skript Strömungslehre/Formelsammlung/Windräder/ 1997copyright © Holger Neulen, November 2012! Unser Erbe Energie regenerativ ! Seite! 9! von!13


Beratung für EntwicklungphysicstoDot ®damit bei ungenügendem Wind per Wasserkraft aus SpeicherseenElektrizität bereitstellen zu können.Der Bedarf an VersorgungDer Bedarf und die Verfügbarkeit an Leistung müssen ineinem Wechselspiel der Versorgung gerecht werden. Ausder Verfügbarkeit der Leistung der Ressource in Zusammenhangmit einer WEA soll der Bedarf und dieBevorratung von Elektrizität sichergestellt sein.Annahmen für dieses Wechselspiel• Als übergeordneter Zeitraum für den Bedarf wird1 Jahr angenommen.• Es wird ein grundsätzlicher Bedarf an Leistungangenommen, der ständig gewährleistet sein muss(Grundbedarf).• Die nutzbare Leistung während des Zeitraumesist durch die Verfügbarkeit von Leistung aus derWindgeschwindigkeit der Ressource festgelegt.• Wird die Ressource dem Bedarf an Leistung nichtgerecht, muss der Vorrat bis zum Erfüllen desGrundbedarfs Leistung ergänzen.… für die Bevorratung:• Das Maß für die Zeitdauer der Versorgung ausder Bevorratung sei über ein Jahr verteilt (120Tage).• Orientiert am Aufkommen der Ressource Windwird angenommen, dass sie maximal zehn aufeinanderfolgende Tage während eines Monats nichtverfügbar ist.Eine “Bevorratung“ für 120 aufeinander folgende Tageerscheint als nicht möglich. Die Menge an Speicher bestimmtüber die Zuverlässigkeit der Sicherstellung unsererProzesse. Die Annahme von 10 aufeinander folgendenTagen Windstille oder unzureichender Windgeschwindigkeitsind dem unbedingten Verhindern des Ausbleibens vonVersorgung mit Elektrizität getragen. Sicherlich sind 5 aufeinanderfolgende Tage stabile Wetterlage im Hochsommeroder im Winter (Januar unserer Breite) und damit unzureichendeVerfügbarkeit der Ressource Wind keine Seltenheit.• Der Vorrat (Speicher) ist zu Beginn “gefüllt“.• Im Verlauf des betrachteten Zeitraums muss derVorrat (Speicher) mittels Leistung während derVerfügbarkeit der Ressource gefüllt werden.… Verfügbarkeit der Ressource.• Orientiert am Aufkommen der Ressource wird dieZeitdauer der Verfügbarkeit auf 20 Tage im Monat(240 Tage im Jahr) geschätzt:Für die Verfügbarkeit von Leistung aus der Ressource werdenfolgende physikalische Größen angenommen:• Windgeschwindigkeit, 6 m/s• Durchmesserdes Propellers der WEA, 125mDies entspricht etwa einer WEA, die baulich bedingt maximal7,5 MW (Megawatt) 11 Leistung aus der Ressource Windbereitstellen kann.Ausgehend vom Propeller kann nach dem Leistungsfluss(unter Berücksichtigung der Wirkungsgrade): Propeller,Welle (0,98), Generator (0,85) diese Anlage etwa 800 kWelektrische Leistung bereitstellen, woraus versorgt undgespeichert werden muss.Weil eine Flaute (Windstille, ungenügend viel Wind)nicht ausgeschlossen werden kann, muss die durchschnittlichbenötigte Leistung von 1,7 kW je Wohneinheitauch aus den Kapazitäten der Speicher bereitgestelltwerden können.Verfügbarkeit sichert Versorgung aktuellenBedarfs und Bevorratung.Die Verfügbarkeit muss also Leistung für Vorrat (Vorratsleistung)erbringen, wie auch aktuellen Bedarf (Bedarfsleistung)sicherstellen.Es wird angenommen, dass kontinuierlich Bedarf anLeistung gefordert ist, welcher die “Grundversorgung“sicherstellt. Dieser Bedarf an Leistung muss aus demVorrat sichergestellt sein. Nicht zu vermeiden ist dabeiüberschüssige Leistung bei vollends gefüllten Speichernund hoher Verfügbarkeit der Ressource. Die Herausforderungist das effiziente Bemessen der Speicherkapazitätenzum Sichern der Versorgung.Maß für den BedarfUnsere Prozesse sollten aus dem Vorrat über zehn aufeinanderfolgende Tage gewährleistet sein. Das “Leben“aus dem Vorrat bestimmt daher den Bedarf, der aus derVerfügbarkeit von Leistung zum “Selbsterhalt“ bereitgestelltwerden muss.Das bedeutet:! bei durchschnittlichem Aufkommen der Ressource“Wind“ mit 6 m/s kann mit einer WEA von 7,5MW maximaler Leistung der Bedarf von 400 kW Leistungsicher zur Verfügung gestellt werden. Diese Leistungwird hier als “vWEA“ (versorgende WEA) bezeichnet.Größe des Vorratsspeichers zur Sicherstellung des Bedarfsvon 400 kW für 10 Tage bei 150 m Höhenunterschied:250000 m 3 WasserBeispielsweise ein rundes Becken, 126 m Durchmesser und20 m tief.Als Kennwert für Einschätzungen der Anzahl von WEAfür Bedarfe von Leistung wird daher verwendet:400kW/vWEA oder 250000 m 3 Aq/vWEAEine Windkraftanlage mit 125 m Rotordurchmesserkann also bei 6m/s durchschnittlicher Windgeschwindigkeitin Kombination mit einer Speichereinheit235 Haushalten (Wohneinheiten) überdie Zeitdauer eines Jahres täglich 24 h dendurchschnittlichen Bedarf an Leistung von 1,7kW Elektrizität bereitstellen. Demnach wären170000 WEAs dieser Leistungsklasse und derenSpeichereinheiten erforderlich um den 40 mio.Hauhalte der Bundesrepublik Deutschland innerhalbeines Jahres 600 TWh Elektrizität bedarfsgerechtbereitzustellen. Bezogen auf dieFläche der Bundesrepublik Deutschland müsstendazu auf 2,1 km 2 Fläche je eine solche WEAsamt deren Speichereinheit bereitstehen.Jedoch ist nicht jeder Standort für eine Windkraftanlagesamt Speichereinheit geeignet. Es bedarf ausgewählterStandorte mit genügend Wind und naturbedingtem Höhenunterschiedfür Wasserkraftwerke. In Schleswig-Holstein, Niedersachsen, MecklenburgVorpommern,Brandenburg und weiten Teilen Nordrhein-Westfalens,Sachsens, SachsenAnhalts kann aufgrund deren topographischerGestalt der Höhenunterschied für Wasserkraftnur ungenügend realisiert werden. Da dort wohlausreichend Wind vorhanden wäre, müsste die Speicherkapazitätin den Mittelgebirgen angelegt werden.Zum Versorgen der Menschen (63000 Wohneinheiten)im RheinLahnKreis mit durchschnittlich1,7 kW Elektrizität sind 286 Windräder samteinem Speicherbecken für 70 mio. Kubikmeter(m 3 ) Wasser erforderlich: Ein Speichersee bei 2011 http://www.enercon.de/de-de/66.htmSeite! 10! von!13 copyright © Holger Neulen, November 2012! Unser Erbe Energie regenerativ


Beratung für EntwicklungphysicstoDot ®m Tiefe mit etwa 2 km Durchmesser auf etwa150 m Höhenunterschied zum Wasserkraftwerk. 12Für die 2 mio. Wohneinheiten in RheinlandPfalzwäre das 32Fache dieser Kapazität notwendig.Also 8568 Windräder und Speicherseen für 2,2mrd. Kubikmeter Wasser auf 150 m Höhenunterschied.Eine gute Gelegenheit für die strukturschwachen ländlichenGebiete von RheinlandPfalz aus natürlichen GegebenheitenNutzen für die Menschen dieser Region perWeltkulturerbe Energie regenerativ zu schaffen.Energie, Elektrizität per PhotovoltaiksammelnPer Photovoltaik (PV) lässt sich aus der Ressource “direktesSonnenlicht“ (Sonnenstrahlung) ohne Umwegeüber mechanische Vorgänge elektrische Leistung bereitstellen.Lediglich das Sonnenlicht bestimmter Wellenlängenin bestimmter Intensität ist dazu nutzbar. Das bedeutet:Direkt einstrahlendes Sonnenlicht auf PVElementeerzeugt die meiste Elektrizität. Bei Überschattung derPVElemente von Wolken oder Gegenständen erzeugendiese weniger Elektrizität, erheblich weniger bis nichtnutzbar bei geschlossener Wolkendecke bis schließlichNachts (keine Sonnenstrahlung auf die Elemente) keineElektrizität per PV erzeugt werden kann. Zur Nutzungder Photovoltaik sind also von Sonnenlicht direkt bestrahlteElemente und deren Ausrichten zur Sonne erforderlich.Ebenso wie bei der Ressource Wind wechselt der Ressource“direktes Sonnenlicht“ vorhandensein/nicht vorhandenseinoft kurzfristig. So müssen bei hoher/geringerVerfügbarkeit leistungsstarke Speicher/Kraftwerkezum kurzfristigen Sammeln/Versorgen vorhandensein.Wieviel Leistung an Elektrizität aus PV?Aus 10m 2 Fläche PVElemente sind etwa 1000 W (1 kW)elektrische Leistung aus der Energie je Zeiteinheit desSonnenlichtes maximal erzielbar.Man benötigt also direkte Sonnenstrahlung auf 20m 2 Flächeum einen Wasserkocher mit 2 kW Leistung betreiben zukönnen, das man 1 Liter Wasser in 3 min. zum Kochen zubringen kann. Zum “Kochen“ des Mittagessen, sagen wirKartoffeln und gebratene Hänchenbeine mit Salat für eine 4-köpfige Familie muss die Sonne 45 min. (die Zeit zum Garen)auf die 20m 2 Fläche einstrahlen.So lässt sich z. B. in Deutschlands geographischerBreite mit einem ha Fläche PVElemente bei idealen Voraussetzungen (Tageslicht, unbewölktenHimmels im Sommer etwa 6, im Winteretwa 3 Stunden) direkter Sonnenstrahlung1000 kW (1 MW) elektrische Leistung imSommer 6 Stunden, im Winter 3 Stunden bereitstellen.Die Bundesweit durchschnittlich benötigten1,7 kW elektrische Leistung je Haushaltwären also von etwa 700 mio. m 2 Fläche (700km 2 ) über 6(3) Stunden bereitstellbar.Wohl gemerkt, wenn die Sonne uneingeschränkt daraufeinstrahlt.Für die restliche Zeit der Bereitstellung der 1, 7kW und für Zeiten ungenügender Sonneneinstrahlungmuss vorgesorgt werden. Also zusätzlicheFläche mit PVElementen bereitstehen, derenerzeugte Elektrizität gespeichert werdenmuss, damit bei Nachlassen von Einstrahlung ausdiesen Speichern versorgt werden kann.Die Bereitstellung von Elektrizität per Photovoltaikmacht jede Nacht ein Versorgen aus einem kurzfristigenSpeicher erforderlich.Für einen Tag (24 h) wäre die 3 (7) fache Flächean PVElemente zusätzlich nötig um über die6(3) Stunden direkter Sonneneinstrahlung hinauskurzzeitig vorzusorgen, also insgesamt 2800(5600) km 2 . Für 10 Tage geschlossene Wolkendecke,also fehlender Sonneneinstrahlung also fehlenderElektrizität per PVElemente genügenetwa 28000 (56000) km 2 Fläche, um aus nur 6(3) Stunden Sonneneinstrahlung Vorrat an Elektrizitätfür 10 Tage anzulegen. Gegenüber demAufkommen von Windgeschwindigkeiten über 6m/s ist uneingeschränkte Sonneneinstrahlungwomöglich häufiger der Fall, womit das Sammelnvon Energie regenerativ per Photovoltaik sicherlichmit sehr geringem Aufwand betrieben werdenkann.Ebenso wie bei der Ressource Wind: Wenn vorhandenein enormes Potential an Leistungsfähigkeit, es fehlennur noch kurzzeitig leistungsfähige Speicher.Die fehlenden Speicher:“Pumpspeicherkraftwerke“Elektrizität aus WasserkraftNaturgegeben fließt Wasser von den Höhen der Gebirgezu den Meeren ab. Große Ansammlungen von Wasserbilden dabei Flüsse wie z. B. die Donau, den Neckar, denMain, die Lahn, die Mosel, die Ruhr, den Rhein. Aus denMengen bewegten Wassers kann Elektrizität erzeugtwerden.Mit dem Bewegen von Wasser von einer höher gelegenenStelle an eine tiefer gelegene Stelle (entlang eines Höhenunterschiedes)kann eine Strömungsmaschine (im einfachstenFalle ein “Wasserrad“) angetrieben werden. Mitdieser Strömungsmaschine kann z. B. ein Generator angetriebenwerden, der Elektrizität erzeugt.Voraussetzung für ElektrizitätDie Ressourcen aus Wasserkraft ist also Wasser,Wasser welches auf einem Gefälle inBewegung ist. Beispielsweiseund geschieht das in Laufwasserkraftwerkenan Flüssen. DabeiHöhenunterschiedbestimmt die Menge an bewegtemWasser und die Größe des Höhenunterschiedes dieLeistung (Energie je Zeiteinheit), die erzeugt werdenkann. Die stufenweise Aufstauungen der Flüsse Vordergründigzum Nutzen als Schifffahrtstraße , lassendie Kraft des jeweils an den stufenweise Höhenunterschiedenabfließenden Wassers der Staustufen zum Erzeugenvon Elektrizität nutzen.Die Menge des bewegten Wassers ist abhängig von derMenge an Niederschlag (Regen, Schnee, schmelze) undvariiert deshalb, weshalb auch die Leistung an Elektrizität,die aus der Kraft bewegten Wassers bereitgestelltwerden kann, naturgegeben variiert.Grundsätzlich ist also die (Menge an Energie je Zeiteinheit)Leistung, die ein Laufwasserkraftwerk bereitstellenkann von der Menge Wasser abhängig, welche in einemFluss je Sekunde fließt: von dessen Wasserführung.Wir sind also in unserem Verhalten zum Verbrauch vonElektrizität aus Wasserkraft auch eingeschränkt. Per Ansammeln,Speichern der Energie, die in bewegtem Was-12 Das entspricht etwa dem 40fachen Volumen an Wasser des Pumpspeicherkraftwerk Herdecke, “Koepchenwerk“ am Hengsteyseecopyright © Holger Neulen, November 2012! Unser Erbe Energie regenerativ ! Seite! 11! von!13


Beratung für EntwicklungphysicstoDot ®ser enthalten ist, können wir diese jedoch unseren Bedarfenvermehrt verfügbar halten.Für die Zeiten geringer Wasserführung oder hohen Bedarfsan Elektrizität muss also vorgesorgt werden. Wiedies aus dem Zusammenwirken von Bächlein, Mühlenteichund Wasserrad bekannt ist: Bewegtes Wasser wirdangestaut, damit es bei Bedarf entlang eines Höhenunterschiedesein Wasserrad antreiben kann.So wird zu Zeiten großer Wasserführung Wasser am abfließengehindert, welches dann bei geringen MengenNiederschlags damit einhergehender geringer Wasserführung dem Fluss zugeführt wird, sodass ausreichendWasserführung gegeben ist um Elektrizität bereitstellenzu können. Dies wird mit den stufenweise Aufstauungender Flüsse erreicht. 13Wo topografisch große Höhenunterschiede und ausreichendWasser für Speicherseen gegeben sind, wird Elektrizitätauch aus einzelnen Aufstauungen von Wasser, wieTalsperren gewonnen.Aus der Wasserführung 14 unserer Flüsse von etwa 7230m 3 /s und deren jeweiligen Aufstauungen werden jährlichetwa 20 TWh Strom bereitgestellt. Ein Anteil von3,3% an den 600 TWh Strom, die wir derzeit benötigenund die künftig per “Energie regenerativ“ bereitgestelltwerden sollen.Wasserkraft aus schwankender Verfügbarkeitvon Energie für unseren Bedarf anElektrizität “Pumpspeicherkraftwerk“Wie bereits erwähntschwankt unser Bedarf anelektrischer Leistung(Energie je Zeiteinheit):Ein Kühlgerät schaltetden Kühlgenerator (derMit der Kraft bewegtenWassers lässt sichEnergie bevorraten.Strom braucht) entsprechend des Bedarfs zum Kühlenselbsttätig an und aus. Unserem Verhalten entsprechendwird beispielsweise der Herd betrieben oder warmesWasser aufbereitet: zum Duschen, Spülen, Wäsche waschen.Daher gibt es unserem Verhalten entsprechendZeiträume sehr hohen und geringen Bedarfs an Elektrizität.Ideale Voraussetzungen also Energie für diese Bedarfeaus Energiegebern geringer Leistung anzusammeln,zu speichern, um während sehr hoher Bedarfe Energiebereitstellen zu können.Mit dem Nutzen fossiler und atomarer Brennstoffe wurdeeine Bereitstellung nahezu konstanter elektrischerLeistung aus Großanlagen aufgebaut. Die geringerenKosten des Bauens einer Großanlage gegenüber zweioder mehrerer Kleinanlagen haben dies wohl beeinflusst.Weil eine Großanlage den kurzzeitig geringen Bedarfenan Leistung schlecht angepasst werden kann, steht währendkurzzeitigen Zeiträumen geringen Bedarfs überschüssigLeistung bereit. Energie dieser Leistung wirdper “Pumpspeicherkraftwerk“ in der Kraft bewegtenWassers angesammelt, gespeichert, um wiederum mitdessen Abfließen elektrische Leistung bereitzustellen.Pumpspeicherkraftwerk:Wasser wird per elektrisch betriebener Pumpenan einen höher gelegenen Ort bewegt und aufgestaut,z. B. in einem Speichersee (Oberbecken).Elektrische Energie wird so in der Kraft desWassers gespeichert. Bei Bedarf an elektrischerLeistung wird dieses Wasser entlang eines Höhenunterschiedes(Gefälle) über Turbinen geleitet,die Generatoren antreiben, welche dann wiederelektrische Leistung bereitstellen. Eine bislangsehr effektive Art des Speicherns von Energieaus Elektrizität.Das Befüllen und Entleeren der Speicherseen per Pumpenbzw. über Wasserturbinen, also das Speichern bzw.Bereitstellen von Energie kann sehr kurzfristig ausgeführtwerden. Diese Eigenschaft lässt das Verhalten unbeständigerkurzzeitig schwankender Ressourcen fürunseren Bedarf an Energie Nutzen.Die diskontinuierliche Verfügbarkeit der Ressourcen“Wind“ und “direkte Sonneneinstrahlung“ erfordernebenbürtige Systeme: kurzzeitig leistungsfähiges Ansammelnoder Bereitstellen von Energie schnelle Verfügbarkeitbei diskontinuierlichem Potential der Ressource.Dieser Aufgabe scheinen “Pumpspeicherkraftwerke“wohl erfüllen.Dazu ist eine bestimmte Menge Wasser und Höhenunterschiednotwendig.Je größer der Höhenunterschied ist, desto mehr Energiewird entlang diesem bewegten Wassers bevorratet, kannmit dem bewegten Wasser elektrische Leistung bereitgestelltwerden.Beispielsweise stellt das PumpspeicherkraftwerkHerdecke “Koepchenwerk“, aus seinem Speicherseemit 1,5 mio. Kubikmeter Wasser auf etwa 150m Höhenunterschied bei 110m 3 /s (Kubikmeter jeSekunde) Wasserabfluss über 3,8 Stunden 153MW (Mega Watt) Leistung bereit. Also etwa 1,4MW je Kubikmeter in einer Sekunde abfließendem(bewegtem) Wassers.Das Pumpspeicherkraftwerk “Wehr“ stellt ausdem “Hornbergbecken“ mit 4,4 mio m 3 Wasserauf etwa 625 m Höhenunterschied bei 180m 3 /sWasserabfluss etwa 8 Stunden 910 MW elektrischeLeistung bereit. Also etwa 5 MW Leistungje Kubikmeter in einer Sekunde abfließendemWassers.Bei ungenügenden Ressourcen für elektrische Leistungaus Wind oder Photovoltaik müssten 75 Stück desPumpspeicherkraftwerkes “Wehr“ bereitstehen den 40mio. Wohneinheiten der Bundesrepublik Deutschland je1,7 kW also etwa 68000 MW (68 GW (Giga Watt)) elektrischeLeistung zu geben.10 mrd. Kubikmeter WasserFür das Bereitstellen von 68 GW elektrische Leistung über24 Stunden, müsste jeder der 75 Speichersseen 13,2 mio.m 3 Wasser fassen. Insgesamt wären etwa 1 mrd. m 3 Wasserauf 625 m Höhenunterschied zu speichern. Für 10aufeinander folgende Tage ungenügend verfügbaren Windesund Sonneneinstrahlung müssten 10 mrd. KubikmeterWasser (1/5 der Menge Wasser im Bodensee) so bevorratetsein .Zum Bereitstellen der 1,7 kW elektrischen Leistung jeWohneinheit per Pumpspeicherkraftwerke Typs “Wehr“,müssten insgesamt 13500 m 3 /s Wasser aus den Speicherseenabfließen.Das wäre die 5,5fache Menge an Wasser je Sekunde, dieim Rhein gewöhnlich mit 2500 m 3 /s in die Niederlandeabfließt. Oder die doppelte Menge an Wasser der FlüsseDonau, Rhein, Oder, Elbe, Weser, Ems von insgesamtdurchschnittlich 5800 m 3 /s Wasser aus Niederschlag, dasin die Meer abfließt.Zur Relation:13 Vordergründig zur Erhaltung der Schiffbarkeit per ausreichendem Wasserstand mit Vorrang gegenüber dem Gewinnen von Elektrizität.14 http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Flüssen_in_DeutschlandSeite! 12! von!13 copyright © Holger Neulen, November 2012! Unser Erbe Energie regenerativ


Beratung für EntwicklungphysicstoDot ®Im Durchschnitt besteht ein Aufkommen an Wasser ausNiederschlag (Regenwasser, Hagel Schnee, Graupel) überden Einzugsgebieten von Donau, Rhein, Oder, Elbe, Weser,Ems von geschätzt 700 L/m 2 im Jahr. Das wären aus Aufstauenund abfließen lassen über ein Jahr etwa 13000 m 3 /sWasser, nutzbar in der Bundesrepublik Deutschland. Gesammeltüber ein Jahr, die 8,5-fache Menge des Wassersim Bodensee von etwa 48 mrd. m 3 .Der Wasserabfluss aus den Speicherseen in naturgegebeneFlüsse brächte also die 3fache Wasserführung in dieFlüsse, wäre also kaum realisierbar (Hochwasser). Ebensowenigreicht die durchschnittliche Wasserführung vonetwa 5800 m 3 /s nicht aus die Speicherseen kurzfristig wie es bei sehr hoher Verfügbarkeit der RessourcenWind 15 oder Sonneneinstrahlung möglich wäre befüllenzu können.Relation:Es müsste das gesamte aus Niederschlag über den Einzugsgebietender Flüsse Donau, Rhein, Oder, Elbe, Weser,Ems von etwa 580000 km 2 in die Meere abfließende Wasservon durchschnittlich 5800 m 3 /s über 20 Tage in dieSpeicherseen geleitet werden, dass die Pumpseicherkraftwerkedie elektrische Leistung von 68 GW über 10 Tagebereitstellen können.Das Befüllen ist also aufgrund nicht ausreichender MengenNiederschlags sehr zeitaufwändig gegenüber unseremBedarf an Energie je Zeiteinheit.Zum schnelleren Befüllen der Speicherseen müssen jeweils“Unterbecken“ das aus den Speicherseen abfließendeWassers auffangen und bevorraten. So können beihoher Verfügbarkeit von Wind oder Sonneneinstrahlungdie Speicherseen wieder befüllt werden, ohne von derWasserführung der Flüsse abhängig zu sein, vorausgesetztdie Unterbecken sind gefüllt.Weltkulturerbe Mittelrheintal gibt Wasserund Höhenunterschied für PumpspeicherkraftwerkeDie Wasserführung des natürlichen Gewässers “Rhein“und die Steilhänge des Welterbe “Mittelrheintal“ geben2000 m 3 /s Wasser bzw. 200 m Höhenunterschied zumSpeichern von Energie aus Wind und Photovoltaik in derKraft bewegten Wassers Energie regenerativ.Zum Bereitstellen des Bedarfs an Energie je Zeitder Anrainer zum Mittelrheintal z. B. der Menschendes RheinLahnKreis von 107 MW ausden Ressourcen Windenergie oder Photovoltaikist deren Zusammenspiel mit einem Pumpspeicherkraftwerkerforderlich. So wäre Energie ausWind von 268 Windkraftanlagen oder aus 8 km 2PVElementen in einem Speichersee zu speichern,anzusammeln. Bei ungenügendem Windund fehlender Sonnenstrahlung können dann entlang200 m Höhenunterschied aus 60 m 3 /s Wasserabflussin den Rhein 107 MW elektrischeLeistung bereitstehen. Zum Versorgen über 10Tage müsste ein Speichersee dann 52 mio. m 3Wasser bereithalten. Ein runder See bei 20 mTiefe mit 1800 m Durchmesser.Zum Versorgen der 2 mio. Wohneinheiten in Rheinland-Pfalz bei Windstille und fehlender Sonneneinstrahlungper Wasserkraft aus 200 m Höhenunterschied hätte derRhein am Ende des Mittelrheintal bei Braubach durchWasserabfluss aus den Speicherseen von 1920 m 3 /s etwadie doppelte Wasserführung von 4000 m 3 /s, also Hochwasser.Zum Befüllen der Speicher würde der Rhein beiBraubach leergepumpt sein.Daher sollten die Höhenunterschiede am Rhein und dessenWasser effektiv genutzt werden.… 500 m HöhenunterschiedDas geplante Pumpspeicherkraftwerk Heimbacham Rhein, könnte aus dem Höhenunterschied von500 m und 160 m 3 /s Wasserabfluss 800 MWelektrische Leistung bereitstellen. Genügend fürdie 464000 Wohneinheiten der Anrainer Mainz-Bingen, Rheingau-Taunus-Kreis, Rhein-Hunsrück-Kreis, RheinLahnKreis, MayenKoblenz, Koblenz.Zum Versorgen über 10 Tage müsste einemSpeichersee 140 mio. Kubikmeter Wasser (einrunder See bei 50 m Tiefe von 2100 m Durchmesser,etwa 330 ha Fläche) auf 500 m Höhenunterschiedbereithalten. Das nicht Kosten ohneNutzen aufkommen, z. B. bei ungenügender Bevorratungkeine elektrische Leistung, kein Strom.Dazu fehlen noch 3160(1972) Windräder mit je 2,5(7,5)MW Nennleistung oder 64 km 2 PV-Elemente zum Befüllenund Betreiben des Pumpseicherkraftwerk per Energieregenerativ im Einklang gewöhnlichen Bedarfs an elektrischerLeistung. Darüber hinaus dürften die 160 m 3 /szusätzliche Wasserführung oder z. B. 320 m 3 /s Wasserentnahmeüber 5 Tage zum Befüllen des Speichersee beietwa 1,6 GW regenerativ elektrischer Leistung mit derWasserführung des Rhein täglich verträglich sein.Ebenso effektiv könnten die Hochebenen auf etwa 300 mHöhenunterschied zwischen Kaub und Weisel zum Speichernvon Wasserkraft genutzt werden.Unser Erbe Energie regenerativ“Das Bereitstellen elektrischer Leistung regenerativ ausSonne, Wind und Wassers kurzzeitiger Leistung verlangtnaturgegebenen die jeweils vollständige Leistungsfähigkeitaus jeder Ressource und deren ausgeglichenes Zusammenspielzu Lasten jeweiligen Aufwandes gegeneinanderund gegen konventionelle (fossile als auch atomare)Energieträger. “Energie regenerativ“ ist nur mitdem Bereitstehen ausreichender Speicherkapazitätenmachbar.Die Reform des EEG (Eneuerbare Energien Gesetz) mussdaher zum Vorteil der Stromverbraucher (ausgenommender Energie zum Betreiben der Wasserpumpen vonPumpspeicherkraftwerken) den Ausbau von Speicherkapazitätenaus dem monetären Umsatz von konventionellbereitgestellter Leistung bewirken. Sei es zum Bauvon Pumpspeicherkraftwerken oder zur Wasserstoffproduktionoder insbesondere für den Aufwand an Energiezur Gewinnung von “Shale OiL“.Mit ErreichenIm Versuch in Altentreptow Energie der vollständigenVersor-in Form von Wasserstoff zu speichernkosten 300 mio. kWh jährlicheEnergie aus Wind bei 220 mio. nergie regenegungper E-Euro Invest etwa 4 cent je kWh, rativ, dürftenwenn die Anlagen 20 Jahre halten. dann ausschließlichdieAnlagenkosten den Preis für Energie bestimmen.So bleibt das Erbe, Energie je Zeiteinheit akut aus demWirken der Sonne langfristig bereitszustellen die Herausforderungfür Technik und Mensch, im Einklang mit derNatur zu bestehen.Montag, 19. November 2012Text: Holger Neulen15 Bei baulich bedingten etwa 300 GW, berechnet aus 170000 Windenergieanlagen Typ 7,5 MW unter Vollast, oder 5600 GW aus 56000 km 2 PV-Elemente.copyright © Holger Neulen, November 2012! Unser Erbe Energie regenerativ ! Seite! 13! von!13

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