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STROM

In diesem Sachbuch STROM - Die Gigawatt-Revolution wird die Entwicklung der elektrischen Energieversorgung dargestellt. Besondere Sorgfalt wird der sachgerechten Einordnung der deutschen Energiewende und ihrer wichtigsten Perspektiven gewidmet. Strom ist längst der wertvollste technische Energieträger und wird auch in ferner Zukunft völlig unverzichtbar bleiben. Der weltweite Strombedarf wächst ständig. In diesem Buch wird die Entwicklung der elektrischen Energieversorgung dargestellt, wobei auch die gesellschaftlichen und technischen Hintergründe Berücksichtigung finden. Besondere Sorgfalt wird der sachgerechten Einordnung der deutschen Energiewende und ihrer wichtigsten Perspektiven gewidmet. STROM erläutert auch die wirtschaftlichen Konsequenzen, bietet eine neutrale Darstellung der gegenwärtigen Situation in Deutschland und eine anregende optimistische Reise in die Zukunft. (228 Seiten, 18,5 x 22,5 cm, 4-farbig; ISBN 978-3-942658-17-7)

In diesem Sachbuch STROM - Die Gigawatt-Revolution wird die Entwicklung der elektrischen Energieversorgung dargestellt. Besondere Sorgfalt wird der sachgerechten Einordnung der deutschen Energiewende und ihrer wichtigsten Perspektiven gewidmet. Strom ist längst der wertvollste technische Energieträger und wird auch in ferner Zukunft völlig unverzichtbar bleiben. Der weltweite Strombedarf wächst ständig. In diesem Buch wird die Entwicklung der elektrischen Energieversorgung dargestellt, wobei auch die gesellschaftlichen und technischen Hintergründe Berücksichtigung finden. Besondere Sorgfalt wird der sachgerechten Einordnung der deutschen Energiewende und ihrer wichtigsten Perspektiven gewidmet. STROM erläutert auch die wirtschaftlichen Konsequenzen, bietet eine neutrale Darstellung der gegenwärtigen Situation in Deutschland und eine anregende optimistische Reise in die Zukunft. (228 Seiten, 18,5 x 22,5 cm, 4-farbig; ISBN 978-3-942658-17-7)

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Christoph Buchal,

Patrick Wittenberg, Dieter Oesterwind

STROMGeschichte

Die Gigawatt-Revolution

Energiewende

Technik

Markt

Zukunft

Mit einem Vorwort von

Peter Grünberg, Nobelpreis für Physik


Jede Generation muss Straßen bauen,

auf denen die nächste fahren kann.

(Chinesisches Sprichwort)

Die allgemeine Elektrifizierung hat weit über ein Jahrhundert benötigt.

Der Umbau der Stromversorgung auf „Erneuerbare Energien“ unter weitgehendem

Verzicht auf fossile Energieträger ist eine vergleichbar große Aufgabe und bedarf großer

Sachkenntnis, gewaltiger Anstrengungen, der Fortentwicklung von Speichertechniken

sowie Ausdauer und pragmatischer Vernunft.

Christoph Buchal,

Patrick Wittenberg, Dieter Oesterwind

STROM

Die Gigawatt-Revolution


Inhalt

Einleitung. ........................................10

1.1 Prolog ........................................12

1.2 Globale Trends. .................................16

1.3 Ein ganz normaler Tag in Deutschland ...............20

Eine Reise in die Vergangenheit ..................30

2.1 Frühe Experimente ..............................32

2.2 Telegraphie: Die Elektrizität macht sich nützlich .......36

2.3 Die Starkstromzeit bricht an .......................40

2.4 Der Streit um Wechselstrom oder Gleichstrom .........48

Grundlagen der Technik ..........................56

3.1 Gleichstrom, Wechselstrom, Drehstrom, Blindstrom. ....58

3.2 Strom aus Wärme ...............................72

3.3 Wärme: Wertvoll, wandelbar - und schließlich Abfall ....83

4.4 Eine einzige Generatorwelle von Portugal bis Polen ...114

4.5 Sammeln, Ausgleichen und Verteilen –

die Verteilungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.6 Börse und Handel – die andere Welt

der Energieversorgung ..........................122

4.7 Die Verletzlichkeit der Industriegesellschaft: Blackout ..129

Entwicklungen. ..................................134

5.1 Vielfältige Speicher – für Strom und Energie .........136

5.2 Ein Paradigmenwechsel eröffnet neue Perspektiven

für die Speicherung. ............................146

5.3 Zukünftige Netze – flexibel und intelligent . . . . . . . . . . . 154

5.4 Der kluge Stromkunde und sein Elektro-Auto. ........160

Pläne und ferne Ziele ............................166

6.1 Überraschungen und Umbrüche ...................168

6.2 Eine Zeitreise durch zehn deutsche Orte. ............170

Auf dem Weg in die Zukunft .....................180

7.1 Fakten, Beobachtungen und Gedanken. .............182

7.2 Die Vierte Revolution. ...........................193

Die Welt des Stroms heute. .......................92

4.1 Eine „Feuerwehr“ unter den Kraftwerken. ............94

4.2 Windenergie – kraftvoll, doch schwankend ...........98

4.3 Die erstaunliche Welt der Photovoltaik. .............106

XXXXX ..........................................220

Literaturverzeichnis ...............................221

Stichwortverzeichnis ..............................222

Danksagung .....................................225


Vorwort von

Nobelpreisträger

Peter Grünberg

Energiewende –

hinter dieser Überschrift verstecken sich enorme Herausforderungen, vor

denen wir stehen, wenn wir in den kommenden Jahrzehnten eine Energieund

Stromversorgung realisieren wollen, die auf fossile Brennstoffe und

Kernkraftwerke verzichtet. Langfristig wird daran mit Sicherheit kein Weg

vorbei führen, doch gegenwärtig befinden wir uns noch in einer aufregenden

Phase des intensiven Planens, Streitens, Suchens und Experimentierens.

Dazu zählen auch wesentliche Verbesserungen bei den Materialien, die für

die Energietechnik wichtig sind. Im Verkehrssektor sind leichte und stabile

Werkstoffe entscheidend. Das gilt auch für die Bahn, bei der gewaltige Massen

mit Hilfe von Strom auf den Schienen bewegt werden. Mit besonderer Sorge

sehe ich den Luftverkehr, wo täglich über 100.000 Flüge stattfinden. Auch

wenn der Treibstoffbedarf nur 3 Liter pro Passagier und 100 km beträgt, so ist

der Gesamtbedarf dennoch überwältigend. Das benötigte Kerosin wird aus

Erdöl hergestellt und ist, realistisch betrachtet, durch nichts zu ersetzen. Man

könnte über Biotreibstoff, etwa Alkohol aus Zuckerrohr, spekulieren, doch ist

der Biotreibstoff nicht einmal ausreichend für die zahllosen Fahrzeuge.

Bei der Stromversorgung wünscht sich die Mehrheit der Bürger in Deutschland,

dass vor allem die unerschöpflichen Energien von Sonne, Wind und

Wasser genutzt werden. Doch obwohl Sonnenenergie auf der Erde kostenlos

und in fast unbegrenztem Maß zur Verfügung steht, wird eine solare Stromversorgung

zunächst deutlich teurer und wesentlich komplizierter werden,

obendrein ständig schwankend und damit unsicherer. Weil alle Bürger von

diesen Entwicklungen betroffen sind, bedürfen sie sorgfältiger und verständlicher

Erläuterungen.

In der aktuellen und für viele Menschen recht verwirrenden Situation ist es

höchst verdienstvoll, wenn sich unabhängige Wissenschaftler darum bemühen,

einer interessierten Leserschaft die Zusammenhänge und die gegenwärtige

Faktenlage ehrlich, verständlich, fair und sachgerecht darzustellen.

Vor allem denke ich hierbei an die junge Generation. Sie muss ihren Weg

durch das 21. Jahrhundert gehen und den Wandel tatsächlich vollziehen.

Nutzen Sie die Gelegenheit und informieren Sie sich sorgfältig, damit auch

Sie die gegenwärtigen Entwicklungen verstehen und einen guten Weg in die

Zukunft finden können. Mit der „Gigawatt-Revolution“ sind nämlich viele

hochinteressante Aufgaben, Chancen und Berufe in den weiten und wichtigen

Feldern der Energietechnik und Energieforschung verbunden.

Peter Grünberg

Nobelpreis für Physik 2007

7


Prof. J. Treusch

WE Heraeus-Stiftung

Dr.-Ing. Thomas Aubel

TÜV Rheinland

Liebe Leserin, lieber Leser,

in unserem Land sind Stromerzeugung und Strompreis ein heiß diskutiertes

Thema. Da ist es hilfreich, wenn man zuverlässige, verständliche und unparteiische

Informationen zur Hand hat. Der TÜV Rheinland und die Wilhelm

und Else Heraeus-Stiftung zur Förderung der Naturwissenschaften möchten

Ihnen mit diesem Buch eine Wissensbasis bieten, die das Verständnis der

Zusammenhänge erleichtert.

In einer modernen Industriegesellschaft spielt die Stromversorgung eine

Schlüsselrolle für Wirtschaft, Lebensstandard, Bildung und Information. Seit

zehn Jahren sind auf diesem Gebiet große Umwälzungen zu beobachten.

Dieser Prozess ist keineswegs abgeschlossen. Die Europäische Union drängt

auf einen grenzüberschreitenden liberalisierten Strommarkt. Viele Bürger

möchten sowohl die Kernkraftwerke wie auch die Kohlekraftwerke weitgehend

durch Windenergie und Photovoltaik ersetzen. Die großen Energieversorger-Konzerne

wurden in ihre Sparten aufgeteilt und entflochten, um den

marktwirtschaftlichen Wettbewerb zu befördern. An vielen Orten bilden sich

Bürgerinitiativen zur Stromerzeugung mit privaten Kleinkraftwerken für Windund

Sonnenenergie. Die organisatorische und technische Welt des Stroms ist

im Umbruch und wird ständig vielfältiger und bunter.

eine kostspielige und anspruchsvolle Großtechnik, die nur von finanzstarken

Unternehmen geschultert werden kann. Allein der Netzanschluss für diese

Windparks kann für den zuständigen Netzbetreiber zu einer unüberwindlichen

Hürde werden, doch darf sich ein Stromproduzent nicht in die Belange

der Netzbetreiber einmischen. Netzbetreiber müssen völlig unabhängig sein

von den Stromproduzenten. Als „Natürliche Monopolisten“ stehen sie unter

der strengen Aufsicht der Bundesnetzagentur.

Photovoltaik-Anlagen sind perfekt für private Investoren. Ihre Eigentümer

treten dann, je nach Sonnenstand, entweder als Stromproduzenten oder als

Stromkunden auf. Jede einzelne Hausanlage trägt nur wenig zur elektrischen

Gesamtbilanz bei, doch in ihrer Summe sind die deutschen Windkraft- und

Photovoltaik-Anlagen demnächst so leistungsfähig, dass sie zeitweise fast

den gesamten Bedarf decken können, falls Sonne und Wind mitspielen. Sie

bilden dabei ein landesweites Team, das gemeinsam arbeitet oder zusammen

Pause macht. Wesentliche Ausgleichsfunktionen sind deshalb bei einem

„Generalstreik“ auch durch verbesserte Netze nicht zu erzielen. Statt dessen

muss zur Wahrung der Netzstabilität, vor allem bei Dunkelheit und Flaute,

ein kompletter zweiter Kraftwerkspark für sie einspringen. Leider gibt es in

unserem Land noch keine ausreichenden Speichermöglichkeiten für Strom,

um Versorgungslücken zu überbrücken.

Die Stromerzeugung eignet sich besonders gut, um die wechselseitigen

Zusammenhänge von Wirtschaft und Technik, Politik und Gesellschaft,

von nationalen Programmen und internationalen Beziehungen, von den

geschichtlichen Entwicklungen der Industrialisierung und den zukünftigen

Zielen der vierten industriellen Revolution zu ergründen und zu verstehen.

Der vorliegende Text bietet dazu nicht nur die notwendige Faktenbasis,

sondern auch einen anschaulichen Blick hinter die Kulissen und einen verständlichen

Einblick in Technik und Wirtschaft. Dabei ergeben sich zahlreiche

Anregungen für Ausbildung und Beruf.

Wir wünschen Ihnen Freude und nützliche Erkenntnisse bei der Lektüre.

9

Die gesellschaftlichen Fragen nach den Vor- und Nachteilen der großen Firmen

im Vergleich zu den zahlreichen kleinen privaten Initiativen sind oft eng

verknüpft mit technischen Gegebenheiten. Beispielsweise bieten Windparks

auf hoher See besonders hohe Stromausbeuten. Zugleich repräsentieren sie

Prof. Dr. Dr. hc. mult.

Joachim Treusch

Dr.-Ing. Thomas Aubel

TÜV Rheinland


Einleitung 1


1.1 PRolog

Noch ist elektrische Energie nicht überall in gleichem Maße verfügbar.

Der erfahrene Baggerführer war falsch informiert,

als er seine mächtige Schaufel tief in

die Erde senkte, um den Graben für eine neue

Abwasserleitung auszuheben. Er bemerkte nur

einen kleinen Ruck und einen hellen Blitz. In

der zwei Kilometer entfernten Ortsnetzstation,

am Ende der Hauptstraße, flogen einige der

dicken Sicherungen mit einem lauten Knall heraus.

Der kräftige Kurzschluss-Strom hatte zur

Abschaltung geführt. Die Leitung wurde sofort

spannungsfrei und ungefährlich. Fünf Sekunden

später sah der Baggerführer das Unheil in Form

eines dicken Kabels, das mit der Schaufel ans

Tageslicht kam. Schweißperlen standen auf seiner

Stirn, als er den Arm seiner Maschine ganz

langsam wieder ausfuhr, um das Kabel vorsichtig

wieder in die Grube zurückgleiten zu lassen.

Rückwärtsgang, erst einmal ein paar Meter weg

von der vermeintlichen Gefahr. Er holte tief Luft,

stieß einige Verwünschungen aus, holte sein

Handy aus der Jackentasche und rief den Chef an.

Im gesamten Neubaugebiet war der Strom weg.

Kein Licht, keine Heizung, kein Kühlschrank,

kein Radio. Auch die Waschmaschine und der

Küchenherd legten eine Pause ein.

Auf der Baustelle stoppte der schöne neue Kran

abrupt in seiner Bewegung und der Betonmischer

gab schlagartig Ruhe. Nur der Kübel

mit dem frischen Beton schwang hoch in der

Luft hin und her und erzeugte ein sanftes Quietschen.

Die Maurer schauten sich entsetzt an:

„Hoffentlich kommt der Strom bald wieder – die

Decke ist noch nicht fertig und der Beton bindet

jetzt dort ab, wo er das auf keinen Fall soll. In

der Mischmaschine. Im Kübel. In der unfertigen

Decke …“

Die Meldung vom Stromausfall erreichte zuerst

die Feuerwehr, denn die Handys funktionierten

noch einwandfrei, weil die Mobilfunkstationen

bei Stromausfällen noch eine Zeit lang mit Hilfe

von Batterien versorgt werden. Dagegen erwies

sich die restliche wunderschöne Kommunikationswelt,

vom Küchenradio bis zum Internet,

als weniger nützlich. Die modernen Telefone

schwiegen leider auch, denn sie benutzen

inzwischen fast alle einen Hausanschluss mit

einem Router, der zugleich für das Internet

zuständig ist. Auch so ein Router hält strikte

Betriebsruhe, wenn seine Stromversorgung

unterbrochen ist – nicht nur die Basisstationen

der schnurlosen Komfort-Telefone.

Die Feuerwehr verständigte umgehend den örtlichen

Netzbetreiber. Sein Entstörungstrupp war

schnell vor Ort und konnte bald eine Ersatzleitung

schalten. Nur die Häuser direkt an der betroffenen

Straße waren für einige Stunden ohne

Strom. Danach war auch dort der Spuk vorüber.

Allein der Baggerfahrer war noch etwas länger

geknickt, denn der Schaden hatte seine Ehre

als umsichtigen Profi angekratzt.

Strom ist für uns selbstverständlich

und unentbehrlich

Schon ein paar Stunden ohne Strom im Fahrstuhl,

in der U-Bahn oder im ICE auf freier

Strecke können sehr stressig werden. Nach

wenigen Wintertagen ohne Strom wird es vielerorts

unangenehm, vielleicht sogar bedrohlich. In

den Städten ist die Abhängigkeit von einer zuverlässigen

Stromversorgung sogar existentiell.

Ohne Strom bricht in Großstädten Chaos aus.

Selbst auf dem Campingplatz, wo vor allem die

Nähe zur Natur zählt, will fast niemand auf eine

Steckdose verzichten. Doch die Welt hinter der

Steckdose war nur wichtig für Fachleute und

nicht von allgemeinem Interesse. Hier vollzieht

sich nun ein Wandel. Inzwischen berichten die

Medien immer häufiger über Umweltschutz und

Emissionen der Stromerzeugung. Überall sieht

man zahllose neue Photovoltaik-Anlagen, Windräder

und Mais-Monokulturen für die Biostrom-

Erzeugung.

Der Umweltminister bezeichnete den Umbau

der Stromversorgung sogar als ein entscheidendes

Zukunftsprojekt, vergleichbar mit dem

Programm der ersten Mondlandung. Das war

in den sechziger Jahren ein äußerst anspruchsvolles,

riskantes und aufregendes Vorhaben und

wurde zu einem Meilenstein in der Technik- und

Menschheitsgeschichte. Wenn man die sehr

langfristigen Ziele der Energiewende betrachtet,

dann ist der Vergleich durchaus passend, doch

gegenwärtig müssen wir erst einmal verstehen,

was hinter den oft verwirrenden und paradoxen

Meldungen steckt. Zum Beispiel:

„Deutschland exportiert immer mehr Strom –

und trotzdem wird unser Strom knapp!“

„Der Börsenpreis für Strom fällt – doch die

Preise für Endkunden steigen!“

„Die Sonne schickt keine Rechnung – aber der

Solarstrom führt zu höheren Abgaben!“

Rundfunk und Fernsehen meldeten mehrfach:

„Betriebe, die mehr als zehn Gigawatt Strom

benötigen, können sich von der Umlage nach

dem Erneuerbare-Energien-Gesetz befreien

lassen!“ Diese Meldung war genau genommen

absurd, denn es gibt mit Sicherheit keinen

Betrieb in Deutschland, der einen so enormen

Leistungsbedarf hat. Zehn Gigawatt bedeuten

eine gewaltige Leistung, mit der mehr als

13


14

zehn Millionen Deutsche auskommen. Offensichtlich

kann selbst eine professionelle

Nachrichtenredaktion unbemerkt elektrische

Leistung mit Energie, Gigawatt mit Gigawatt-

Stunden verwechseln. „Zehn Gigawattstunden

pro Jahr“ wäre übrigens die richtige Information

gewesen, und 10 Gigawattstunden pro Jahr

entsprechen einer mittleren Leistung von

1,1 Megawatt. Das ist nur ein Zehntausendstel

des gemeldeten Wertes.

Derzeit werden weit reichende Entscheidungen

gefällt, die uns alle betreffen. Deshalb haben

wir ein informatives Sachbuch verfasst, das

keinerlei Lobbyarbeit für Politik, Wirtschaft oder

Umweltverbände betreibt. Uns hat allein der

Stand von Wissenschaft und Technik geleitet.

Manche Kapitel sind leicht zu verstehen,

während andere tiefer auf technische oder

wirtschaftliche Zusammenhänge eingehen.

Gemeinsam erläutern sie viele Aspekte der

Stromversorgung, von den Grundlagen und

der historischen Entwicklung bis hin zu den

aktuellen Fragen von Technik, Netzsicherheit

und Strompreis. Die kursiven Einleitungen

am Beginn der Kapitel sollen die Orientierung

erleichtern. Vor allem die Kapitel 1 und 7 bieten

allgemeine Übersichten. Der wichtigste Problemkreis

einer zukünftigen Stromversorgung

wird in Kapitel 5 erläutert.

Vom unheimlichen Fluidum zum

wertvollsten Energieträger

Vor 130 Jahren wurde das erste Elektrizitätswerk

in New York eröffnet. Davor lag ein langer

und mühevoller Weg, denn die grundlegenden

Kenntnisse über diese unsichtbare und doch

heftig spürbare Energieform hatten sich im Laufe

vieler Jahrzehnte nur schrittweise offenbart.

Von Anfang an waren die Menschen überall

fasziniert von diesem ungreifbaren und unheimlichen

Fluidum. Sie erkannten darin sowohl die

gewaltigen Kräfte der himmlischen Blitze wie

auch das Wirken der Gedanken und Nerven, die

unsere Muskeln steuern. Elektrizität, Lebendigkeit

und die biologischen Lebenskräfte erschienen

auf geheimnisvolle Weise eng miteinander

verbunden.

Technisch betrachtet gilt Strom als untergeordneter,

„sekundärer“ Energieträger, weil er nicht

direkt in der Natur vorkommt, sondern mit Hilfe

von primären Energieträgern wie Kohle, Gas, Öl,

Wind, Wasserkraft oder der Strahlungsenergie

der Sonne produziert werden muss, doch hat

er sich im Laufe der Jahrzehnte eine solche

Sonderrolle erarbeitet, dass er inzwischen alle

anderen Energieträger an Bedeutung übertrifft.

Nur elektrische Energie wird mühelos, lautlos,

sauber und nahezu mit Lichtgeschwindigkeit

auf Kabeln und Freileitungen transportiert. Mit

Strom kann man fast alle Maschinen und Fahrzeuge

antreiben. Die einzigartigen und genialen

Errungenschaften der Elektrizität kennt jeder:

Die Beleuchtung und das Telefon, Funk und

Radar, Radio und Fernsehen, die Computer und

das Internet.

Von den Lebensmitteln abgesehen kann Strom

alle anderen Energieträger relativ leicht ersetzen.

Nur ein Handicap hat der Strom bisher nicht

überwinden können: Elektrische Energie lässt

sich nicht effektiv in größerem Umfang speichern.

Wenn wir in Kapitel 7.2 über die fernere Zukunft

sprechen, in der die Ölquellen versiegen und

Erdgas knapp wird, dann wird die Stromproduktion

mit Hilfe von Wind und Sonne und vielleicht

auch mit der Wärme aus dem Erdinneren

sogar noch wesentlich anwachsen müssen.

Ein Energieträger wird zum

„Kulturträger“

Wenn jemandem in Deutschland der Strom

abgeschaltet wird, so wird dies als Bestrafung

empfunden. Wenn Menschen in Entwicklungsländern

überhaupt keine Stromversorgung

zur Verfügung haben, werden sie um wichtige

Zukunftschancen gebracht.

Deshalb kann man den Zugang zu Strom fast

als ein Bürgerrecht bezeichnen.

Erst die Verfügbarkeit von Strom ermöglicht

eine gute Ausbildung, die allgemeine Bildung

sowie die Teilhabe am kulturellen Leben, und oft

auch eine angemessene Arbeit und die medizinische

Betreuung. Längst werden diese Errungenschaften

als „Menschenrechte der Zweiten

Generation“ bezeichnet. Für die Recherchen zu

diesem Buch haben wir große und kleine Kraftwerke

und Stromerzeuger, Netzleitzentralen,

die Energiebörse, Solarzellen-Hersteller und

Forschungsstätten besucht und waren erstaunt,

wie offen und ehrlich überall auf unsere Fragen

geantwortet wurde. Dabei haben wir bei vielen

Fachleuten auch eine ernste Besorgnis gespürt,

weil sich einige Konsequenzen der Energiewende

als unerwartet ungünstig und widersprüchlich

erweisen. Bei allen, die ihr Wissen und ihre Einschätzungen

mit uns geteilt haben, bedanken

wir uns auch an dieser Stelle sehr herzlich.

Bei sorgfältiger Betrachtung erweisen sich die

langfristigen Herausforderungen der Energiewende

als so vielfältig und komplex, dass alle

derzeit vorgeschlagenen Lösungswege noch

mehr oder weniger große Mängel oder Nachteile

aufweisen. Das ist ein ernstes Dilemma,

das gegenwärtig leider akzeptiert werden muss.

Es sollte unbedingt als Ansporn für die kreativen

Kräfte im Lande dienen, konstruktiv an der

Energiewende mitzuwirken.

Energie, Klima

und Strom

Welt-Energieversorgung, Energietechnik, Elektrotechnik

sowie die Atmosphärenphysik, das Weltklima

und die Klimaforschung sind jeweils eigenständige

Themen, zwischen denen es zahlreiche

Zusammenhänge gibt. Vor allem die Emission

von CO 2

in die Atmosphäre ist für die menschengemachte

(anthropogene) Klimabeeinflussung

bedeutsam. Deshalb werden Energieversorgung,

Stromerzeugung und Klimaänderungen oft gemeinsam

diskutiert.

Das vorliegende Buch konzentriert sich auf die

Stromversorgung. Die Atmosphäre und das Klima

der Erde sowie die Einflüsse durch die Nutzung

von Kohle, Öl und Gas werden sorgfältig in KLIMA

(Ref.1) und in KLIMA, MENSCH, ENERGIE (Ref.2)

dargestellt. ENERGIE (Ref. 3) erläutert die Bedeutung

der Energie im Alltag sowie die technischen

Aspekte der Energieversorgung und Nutzung. Weil

der Einfluss der Emissionen auf die Atmosphäre

im 6. Kapitel von Ref.1 bereits sorgfältig analysiert

wurde, wiederholen wir diese Ausführungen nicht.

Auch in diesem Buch möchten wir uns mit Fachworten

zurückhalten und dennoch eine klare

Sprache verwenden. Der Begriff „Strom“ hat sich

fest eingebürgert für „Elektrische Energie“. Sehr

weit verbreitet sind „Energieverbrauch“, „Stromverbrauch“

und inzwischen auch „Energiewende“.

Energie kann nur umgewandelt, aber nicht verbraucht,

erneuert oder gar gewendet werden.

Bessere Ausdrücke wären „Energiebedarf“,

„Strombedarf“ und der „Umbau der Energieversorgung“.

Die „Erneuerbaren Energien“ sollten

besser „Unerschöpfliche Energien“ genannt

werden. Allerdings haben sich die Erneuerbaren

Energien (EE) und die Energiewende so fest im

Sprachgebrauch etabliert, dass wir diese Ausdrücke

ebenfalls verwenden.


1.2 Globale Trends

Wenn man nur den kurzen Zeitraum bis zur Mitte dieses Jahrhunderts betrachtet, können einige

Trends als relativ gesichert bezeichnet werden.

Staudämme bieten eine optimale Möglichkeit, Strom zu erzeugen oder Energie zu

speichern. Erdwärme hat ebenfalls ein hohes Potenzial, ist aber bisher nur extrem

aufwendig für die Stromerzeugung zu erschließen.

Das unaufhaltsame Wachstum der

Städte

Die Weltbevölkerung beträgt derzeit 7 Milliarden

Menschen und wächst um ca. 80 Millionen pro

Jahr. In wenigen Jahrzehnten werden 9 bis

10 Milliarden Menschen auf der Erde leben. Von

ihnen werden mehr als 6 Milliarden in Megastädten

und riesigen Ballungsräumen arbeiten

und wohnen. Die Zahl der Menschen, die in

Städten wohnen werden, entspricht dann der

gesamten Weltbevölkerung des Jahres 2000.

Das Nebeneinander von Innenstädten mit Wolkenkratzern,

ausufernden Vorstädten und sich

oft wild und planlos entwickelnden Slums ist

schon jetzt zu beobachten. Weil die Städte trotz

allem oft bessere Entwicklungsmöglichkeiten

bieten als ein Leben auf dem Lande, wachsen

sie ständig. Die damit verbundenen Herausforderungen

für die Städteplaner sind gewaltig.

Besonders die fernöstlichen Megastädte, wie

Shanghai oder Mumbai, führen anschaulich

vor Augen, dass die Energie- und Wasserversorgung,

Transportsysteme und Verkehrsinfrastruktur

sowie eine umweltverträgliche

Entsorgung nicht Schritt halten können mit dem

enormen Wachstum.

Steigender Energie- und Strombedarf

Der ungebrochene Trend der weltweit steigenden

Energiepreise führt dazu, dass bei den

meisten Neubauten zunehmend Wert auf Energieeffizienz

gelegt wird. Das gilt besonders für

den Energiebedarf für Beheizung und Kühlung,

aber auch für die Beleuchtung. Hier sind schon

jetzt wesentliche Fortschritte zu erkennen.

Überall, in den Städten wie auf dem Land, wird

eine ausreichende und möglichst verlässliche

Stromversorgung benötigt. Der weltweite

Nachhol- und Modernisierungsbedarf auf dem

Sektor der Elektrizitätsversorgung ist enorm.

Deshalb werden in den Schwellenländern derzeit

viele neue Kraftwerke gebaut, wobei allein

der jährliche Zubau an Kohlekraftwerken die

gesamte in Deutschland existierende Kapazität

übertrifft.

Die Kohlekraftwerke machen den Löwenanteil

aus, weil Kohle ausreichend verfügbar ist und

weil Kohlekraftwerke mit großen Leistungen

in recht kurzer Zeit errichtet und in Betrieb

genommen werden können. Neben den wenigen

großen neuen Staudammprojekten wie

dem Drei-Schluchten-Damm in China sind

Großkraftwerke für die Stromversorgung der

Ballungsräume derzeit die einzig realistische

Lösung.

Deshalb sind sich auch alle Fachleute sicher,

dass sich die Welt-Kohleförderung in wenigen

Jahrzehnten noch einmal verdoppeln

wird. Zusätzlich wird sich auch der Bedarf an

Kraftstoffen weltweit verdoppeln, so dass man

weiterhin ansteigende Preise auf den Energiemärkten

erwartet. Falls die Versorgung mit

Erdöl den Kraftstoffbedarf nicht mehr decken

kann, wird eine verstärkte Nutzung von Erdgas

erwartet. Erdgas kann direkt als Motorkraftstoff

dienen oder zu Flüssigkraftstoffen umgewandelt

werden.

Der erwartete ständige Preisanstieg wird zwar

automatisch den Trend zu Einsparungen und

effizienter Nutzung stärken, doch wegen des

Nachholbedarfs in den besonders bevölkerungsreichen

Ländern wird der globale Energiebedarf

nicht sinken.

Auch die Förderung neuer Energieträger, wie

von „unkonventionellem“ Erdgas („Schiefergas“),

wird den Anstieg der Energiepreise und

die weltweite Nutzung der Kohle langfristig vermutlich

nicht entscheidend verändern. Gegenwärtig

ist Schiefergas allerdings zu einem bedeutenden

Mitspieler auf dem amerikanischen

Energiemarkt geworden. Es hat bereits bewirkt,

dass der Erdgaspreis in den USA nur noch ein

Viertel des deutschen Gaspreises beträgt und

dass die USA unabhängig von Gasimporten

geworden sind. Stattdessen werden Anlagen

zur Gasverflüssigung für den Export gebaut. Es

wird prognostiziert, dass die amerikanischen

Vorräte an Schiefergas für sehr viele Jahrzehnte

ausreichen und den Importbedarf für Erdöl

weiter verringern. Der Einsatz von Schiefergas

für die Stromerzeugung wächst, denn derzeit

werden in den USA viele alte Kohlekraftwerke

durch Gaskraftwerke ersetzt.

Auch in Europa werden große Schiefergas-

Vorräte vermutet. Ihre Ausbeutung mit Hilfe von

Bohrungen und Hochdruck-Injektionen („Fracking“)

zur Lockerung von Gesteinsschichten

stößt vielerorts auf den Widerstand von den

Verfechtern Erneuerbarer Energien und von

Umweltgruppen, die eine Belastung des Grundwassers

befürchten.

Die Vielfalt nimmt zu

Auf dem Gebiet der Stromversorgung deutet

alles darauf hin, dass die elektrische Energie

in Zukunft immer mehr Aufgaben übernimmt

und dass sich eine erstaunliche Vielfalt von

Systemen und Möglichkeiten nebeneinander

entwickelt:

17


18

Großkraftwerke, Windparks auf hoher See,

Solarkraftwerke in der Wüste und ausgedehnte

Netze sind großtechnische Anlagen, die am

effizientesten von großen Firmen und Verbünden

realisiert werden können.

In eine ganz andere Richtung laufen die

Planungen für eine Vielzahl von kleinen, dezentralen

Stromerzeugern, die mit Hilfe von

Photovoltaik-Anlagen, Kraft-Wärme-Kopplungs-

Aggregaten (KWK) oder mit Biogasanlagen

Strom bereitstellen wollen. Auf diesem Sektor

sind derzeit besonders viele Projekte, Initiativen

und Neugründungen von Interessensgemeinschaften

zu verzeichnen.

Ein einheitlicher globaler „Königsweg“ ist nicht

zu erkennen und aus technischen Gründen

auch unwahrscheinlich. In der Zeit nach dem

zweiten Weltkrieg war das anders, denn damals

konnten sich viele Menschen durchaus vorstellen,

dass die neu entdeckte Kernenergie langfristig

alle Energieprobleme lösen würde. Die

Medien schwärmten davon, dass nicht nur die

Kraftwerke und Fabriken, sondern auch Schiffe,

Flugzeuge, Raketen und Weltraumstationen mit

„Atomenergie“ betrieben werden könnten. Diese

Euphorie ist längst einer Ernüchterung oder

sogar einer vehementen Ablehnung gewichen.

Man könnte daraus lernen, generell vorsichtig

auf allzu optimistische Vorhersagen zu reagieren.

Weil es keinen einheitlichen Entwicklungspfad

gibt, werden sich für jede Region ganz unterschiedliche

Trends und Prioritäten anbieten.

Beispielsweise können die Alpenländer die

Staudämme ausbauen, um Strom zu erzeugen

und den schwankenden Bedarf mit Hilfe von

Pumpspeicherkraftwerken auszugleichen.

Dagegen stehen in den südlichen Ländern um

das Mittelmeer besonders viele Stunden mit

kräftiger Sonneneinstrahlung zur Verfügung.

Dort kann man vor allem auf solare Wärme und

Photovoltaik setzen.

Küstenregionen bieten überall auf der Welt

Chancen zur Nutzung der Windenergie und leistungsfähige

Netze können dazu beitragen, eine

regional unterschiedlich schwankende Stromerzeugung

auszugleichen.

Megastädte und industrielle Zentren benötigen

eine leistungsfähige und zuverlässige Stromversorgung

und bleiben auch zukünftig überwiegend

auf Großkraftwerke angewiesen. Dazu

zählen natürlich auch Wasserkraftwerke.

Ländliche Regionen können einen vielfältigen

Mix von Techniken innerhalb eines weit verzweigten

Netzes vereinen.

Es gibt bisher nur wenige Gegenden, in denen

die Wärme aus dem Erdinneren in größerem

Umfang genutzt wird. Der technische Aufwand

zur Erschließung ist derzeit meistens noch zu

hoch, obwohl hier prinzipiell ein unerschöpfliches

Energieangebot vorliegt, das obendrein

nicht dynamisch fluktuiert. Natürlich darf man

nicht einfach ignorieren, dass als tiefere Ursache

für leicht erreichbare Erdwärme in der Regel

eine Schwachstelle in der Erdkruste vorliegt.

Leider ist damit auch eine gewisse Bedrohung

durch Erdbeben oder Vulkanismus gegeben.

Ein herausragendes Beispiel für eine umweltfreundliche

Stromerzeugung bietet Island. Die

heißen Quellen beheizen die Gebäude und

Straßen(!) und erbringen ein Viertel der Stromproduktion.

Der restliche Strom wird aus der

reichlich verfügbaren Wasserkraft gewonnen.

Island könnte Kontinentaleuropa mit bedeutenden

Strommengen beliefern, doch das

benötigte Gleichstrom-Seekabel muss bis zur

schottischen Küste 1200 km überbrücken. Dafür

fallen Kosten von einer Million Euro an – pro

Kilometer.

Wie langfristig kann man planen

und investieren?

Es ist wahrscheinlich, dass die fossilen Energieträger

im Laufe der nächsten 50 bis 200 Jahre

knapper und teurer werden, auch wenn die

Förderung von unkonventionellem Gas (Schiefergas)

derzeit wieder neue Vorräte erschließt.

Noch immer steigt die Nachfrage nach fossilen

Energien an. Nie zuvor wurde so viel Öl gefördert

wie in der Gegenwart. Dabei wird das Öl

fast komplett verarbeitet und anschließend „energetisch

genutzt“, also verbrannt. Nur etwa 2%

werden zur Herstellung von Kunststoffen oder

anderen langlebigen Produkten eingesetzt.

Wenn Erdöl knapp wird, wird man sich verstärkt

an das noch reichlich vorhandene Erdgas

halten. Weil Erdgas ein besonders sauberer und

vielseitiger Energieträger ist, wird es überall

vollständig erschlossen werden. Wenn auch

das Erdgas zu Ende geht, muss mit der Kohle

die letzte der preiswerten Kohlenstoffquellen

ausgebeutet werden, denn die Kohlevorräte

sind größer als die von Öl und Gas zusammen.

Doch irgendwann ist mit Sicherheit auch damit

Schluss. Daran kann niemand ernsthaft zweifeln.

Für die Konsequenzen spielt es auch keine

Rolle, ob die Vorräte dann erschöpft sind oder

ob man bereits früher beschließt, aus Umweltschutzgründen

auf eine Förderung zu verzichten.

Das zukünftige Ende der fossilen Energieträger

motiviert die Erforschung und Entwicklung der

Nutzung unerschöpflicher Quellen, doch steht

man dabei immer vor einem technischen und

wirtschaftlichen Spagat.

Einerseits wäre es günstig, sich als erfolgreicher

Vorreiter der Nutzung der Sonnenenergie und

ihrer Abkömmlinge, der Wind- und Wasserkraft,

schrittweise aus dem heiß umkämpften

Abb. 1.1: Wärmepumpen sind geeignet, um

Heizungswärme aus der Luft oder dem Wasser in

unterschiedlichen Schichten zu entnehmen.

Markt der fossilen Energieträger ausklinken zu

können, weil man bereits andere Möglichkeiten

der Energieversorgung zur Verfügung hat. In

diesem Sinne wäre es eine große Chance für

unsere Industrie, wenn sie frühzeitig ökologisch

akzeptable und zugleich auch wirtschaftlich

rentable neue Technologien entwickeln und

demonstrieren könnte.

Andererseits kann eine forcierte Vorreiterrolle

sehr kostspielig und unter Umständen sogar

ruinös werden. Wer sich zu früh und einseitig

festlegt und seine finanziellen Mittel überwiegend

in eine noch unausgereifte Technologie

investiert, kann die nachfolgenden Erfindungen

und Verbesserungen nicht mehr nutzen. Vorsichtige

Investoren fördern vielseitige eigene

Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, um

Know-how und technische Führerschaft nicht

zu verlieren, und verfolgen die weltweiten Erkenntnisse

und Entwicklungen vorurteilsfrei und

sehr aufmerksam. Über massive Investitionen

entscheiden sie erst, wenn sich herauskristallisiert

hat, welche der vielfältigen Technologien

die besten Resultate liefern.

19


1.3 Ein ganz normaler Tag

in Deutschland

Wie sieht die gegenwärtige Stromversorgung in Deutschland an einem Werktag aus? Welche

Leistungen stehen pro Kopf zur Verfügung? Zur Vereinfachung ignorieren wir zuerst die großen

tages- und jahreszeitlichen Schwankungen. Stattdessen nehmen wir die Jahressummen der

Stromproduktion (in Kilowattstunden, kWh) und teilen sie durch die 8760 Stunden eines Jahres.

Dann erhalten wir anschauliche mittlere Leistungswerte für die Stromversorgung.

1.000.000 kW 8.000 kW

Es könnte ein Werktag im Frühling sein, mit nur

schwachem Wind und bedecktem Himmel. Der

deutsche Leistungsbedarf soll 71 GW (Gigawatt)

betragen, ein typischer Wert. Die Gesamtleistung

von 71 GW muss in der Summe von den

Kraftwerken und allen dezentralen Erzeugern

geliefert werden, um den Bedarf von Wirtschaft,

Industrie, allen öffentlichen Einrichtungen,

Schulen und allen Privathaushalten zu decken.

Um die Leistung von 71 GW zu veranschaulichen,

verteilen wir sie auf alle 82 Millionen

Bundesbürger. Pro Person ergeben sich dann

0,9 kW oder 900 Watt. Der private Bedarf ist geringer

und beträgt nur 0,3 kW pro Person – aber

auch die Straßenbeleuchtung, die elektrischen

Bahnen, die Läden und Schulen, die Industriewerke

und Fabriken müssen mit Strom versorgt

werden.

Der deutsche Pro-Kopf-Wert von 0,9 kW

(Gesamt-Leistungsbedarf, inklusive des öffentlichen

und Industriestroms) ist typisch für eine

moderne Industriegesellschaft und beträgt

derzeit das 2,5fache des globalen Durchschnittswertes.

Offensichtlich gibt es in vielen

Ländern noch einen großen Nachholbedarf bei

der Elektrifizierung.

0,9 kW oder 71 GW:

1/3 für Haushalte,

2/3 für Industrie und Allgemeinheit

1.000 Mann unter der Haube!

900 Watt an elektrischer Leistung pro Kopf, ist

das nun viel oder wenig?

900 Watt können in Motoren effizient in Arbeitsleistung

verwandelt werden. Wenn man bedenkt,

dass ein kräftiger Arbeiter eine Leistung

von ca. 100 Watt bieten kann, dann beschäftigt

jeder von uns statistisch betrachtet neun

fleißige Arbeiter, die Tag und Nacht für ihn

schuften. So gut ging es früher nur den Fürsten.

Tagsüber sind sogar noch mehr Arbeiter nötig.

Dafür dürfen nachts einige von ihnen ruhen,

weil dann weniger Leistung gefordert ist. Falls

ein PC nachts durchläuft, muss dafür „extra ein

Mann abgestellt“ werden, denn der PC benötigt

rund 100 Watt.

In der Küche werden oft noch viel größere

Leistungen umgesetzt als bei der „Denkmaschine

PC“. Ein Mikrowellenherd benötigt 1.000

Watt, also 10 Mann – allerdings meistens nur für

wenige Minuten. Der Elektroherd dagegen ist

ein besonders hungriger „Stromfresser“, denn

er verlangt oft mehr als 5.000 Watt (5 kW). Wer

auf einem Herd mit mehreren Platten brät und

kocht, der darf sich gern 50 kräftige Sportler

vorstellen, die auf Fahrrädern mit kleinen Generatoren

sitzen und mit aller Kraft strampeln und

schwitzen, nur um den Bedarf des Herdes zu

decken. Auch bei einer Waschmaschine oder

dem Wäschetrockner muss mächtig gestrampelt

werden.

Nun können 50 Sportler bereits eine Menge

leisten – aber oft reicht selbst das nicht aus.

Besonders viel Leistung wird im Verkehr verlangt.

Eine Motorleistung von 100 kW entspricht

136 PS. Um im Bild zu bleiben: Ein Mittelklassewagen

mit 140 PS hat „140 Pferde vorgespannt“

- oder aber mehr als „1.000 Kraftprotze“ sind

unter seiner Motorhaube am Werk. Erstaunlich.

Bereits bei einem Auto werden die Grenzen

unserer Vorstellungskraft erreicht. Pferde waren

für Jahrhunderte bewährte Arbeitstiere und

Transportmittel. Die meisten wiegen 500 - 700 kg

und bieten bekanntlich eine Leistung von 1 PS.

Das Leistungsgewicht von Motoren ist rund

500fach günstiger. Viele Automotoren von rund

200 kg Gewicht leisten 200 PS, entsprechend

1 kg/PS. Flugzeugturbinen erreichen sogar bis

zu 0,1 kg/PS.

Das Leistungsangebot der Technik ist überwältigend.

Darin liegt ein entscheidender Grund für

viele Annehmlichkeiten, die uns längst selbstverständlich

geworden sind. Schauen wir uns in

der Wohnung um. An einer normalen Steckdose

können bis zu 16 Ampere fließen. Im Haus sind

die meisten Leitungen mit 16 Ampere abgesichert,

weil sie sich bei stärkerer Belastung

überhitzen würden. Die Stromstärke von

16 Ampere bei einer Spannung von 230 Volt

entspricht einer Leistung von 3,7 kW: „Da warten

hinter den Steckdosen in unserem Wohnzimmer

bis zu 37 durchtrainierte Radler, um auf

unseren Befehl hin in die Pedale zu treten…!“

Natürlich warten die 37 Helfer nicht direkt hinter

der Steckdose, sondern im Kraftwerk. Falls es

sich dabei um ein 1 GW-Großkraftwerk handelt,

sind sie dort zusammen mit zehn Millionen fleißigen

Kollegen im Dienst. In diesem Bild werden

die 82 Millionen Menschen in Deutschland von

insgesamt 710 Millionen „elektrischen Dienern“

versorgt.

Strom-Erzeugung

Hinter der Steckdose beginnt eine geheimnisvolle

Welt. Cola sprudelt aus der Dose, sobald

wir sie aufreißen. Ganz ähnlich wartet auch der

Strom „im Netz“ hinter der Steckdose, bis wir

ihn anzapfen – oder etwa nicht?

Nein, es gibt keinen Stromvorrat, der darauf

wartet, abgerufen zu werden! In jeder Sekunde

muss exakt so viel Strom erzeugt werden wie

die Kunden benötigen. Bei der Stromproduktion

ist der Kunde König, denn die Kraftwerke

müssen ihre Leistung ständig seinem Bedarf

anpassen. Als Speicher stehen den Kraftwerken

nur ihre Brennstoffvorräte zur Verfügung.

21


Leistung und

Energie

Leistungsgrößen:

1 W = 1 Watt (Taschenlampe)

100 W kurzzeitige Leistungsabgabe eines

Menschen, typ. Leistungsbedarf eines PC

1 kW = 1.000 W (Kilowatt, Leistungsbedarf einer

kleinen Herdplatte)

1 kW = 1,36 PS

1 MW= 1.000 kW = 1.360 PS (Windkraftanlage,

Schiffsmaschine)

1 GW = 1.000 MW = 1 Million kW (Großkraftwerk)

Energie:

1 Ws = 1 J (Wattsekunde, Joule)

1 kWh = 3.600 kJ (1 Kilowattstunde = 860 kcal

“Kilokalorien”)

1 kWh erwärmt 10 Liter Wasser um 86 °C (= 86 K)

10 kWh Energieinhalt von 1 Liter Diesel oder

100 kg Li-Ionen-Batterie (voll geladen)

Durchschnittlicher Pro-Kopf-Strombedarf in

Deutschland:

0,9 kW x 24 Stunden = 22 kWh Tagesbedarf oder

7.900 kWh pro Jahr

Der Energieinhalt (Heizwert, Verbrennungswärme)

von einem Liter Heizöl, Diesel oder Speiseöl und

1 m³ Erdgas beträgt jeweils ca. 10 kWh. Wenn der

bei einer Verbrennung entstehende Wasserdampf

kondensiert wird, können zusätzlich circa 5% an

Wärme gewonnen werden („Brennwert“).

Täglicher Energiebedarf an Nahrungsmitteln

für einen Menschen von 70 kg:

Bei Büroarbeit: ca. 2.400 kcal/d ~ 10.000 kJ/d ~

2,8 kWh/d (Energiebedarf pro 24 Stunden).

Diese Energie pro Tag (24 h) entspricht einer

mittleren Leistung von 117 Watt.

Bei Schwerarbeit, hartem Training:

3.500 kcal/d ~ 14.700 kJ/d ~ 4 kWh/d

Das entspricht einer über 24 h gemittelten

Leistung von 167 Watt.

Die Großkraftwerke sind derzeit noch die wichtigsten

Produzenten von elektrischer Energie in

Deutschland. Ein Großkraftwerk kann mehr als

ein Gigawatt (1 GW) elektrischer Leistung in

das Höchstspannungsnetz einspeisen.

1 GW entspricht 1.000.000 kW, also 1 Million

Kilowatt. Damit deckt ein Großkraftwerk den

mittleren Bedarf von mehr als einer Million

Bürgern. In Deutschland gibt es über 120 Kraftwerke,

die fossile Energieträger, also Kohle und

Gas nutzen. Darunter sind ca. zwanzig mit einer

Leistung über 1 GW.

Bisher ist es mit dieser Technik auch bestens

gelungen, die Wünsche der Kunden zu befriedigen.

Strom ist für die Endkunden eine

besonders saubere Energieform, ohne Schmutz

und Abgase, doch ist die umweltfreundliche

Produktion von Strom eine sehr komplexe

Aufgabe. Inzwischen wird das gesamte System

umgebaut, weil viele Kunden fordern, dass ihr

Strom möglichst ökologisch produziert werden

soll. Dabei darf die zuverlässige Verfügbarkeit

natürlich nicht in Frage gestellt werden.

1 Esslöffel Kohle pro Minute und

Person

Wer das Lebensmittel Rapsöl als

Biosprit einsetzt, tankt mit einer Tankfüllung

von 56 Litern (560 kWh) so viel

Energie, dass man damit den gesamten

energetischen Tagesbedarf von

200 Menschen decken könnte.

Die beste Steinkohle hat einen Wärme-Energieinhalt

von 8 Kilowattstunden pro Kilogramm

(8 kWh/kg). Ein Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad

von 40% kann daraus etwa 3,2 kWh an

elektrischer Energie erzeugen. Eine kleine

Rechnung zeigt: Wenn ein Kraftwerk 1 GW

elektrische Leistung ans Netz abgibt, muss es

in jeder Minute rund 5.000 kg Kohle (fein gemahlen)

verfeuern. Weil solch ein Großkraftwerk

über eine Million Menschen mit Strom versorgen

kann, sind das pro Kopf nur

erstaunlich winzige 5 Gramm Kohle

pro Minute (1 Esslöffel).

Es bereitet Schwierigkeiten, Faktoren

wie „1 Million“ oder „1 Milliarde“

in ihrer Bedeutung zu begreifen. Leider

ist ein Verständnis der Energieversorgung

ohne sie nicht möglich.

Ein eindrucksvolles Bild bieten die

gigantischen Braunkohlebagger

im Rheinischen Revier mit ihren

riesigen Schaufelrädern, bei denen

jede Schaufel größer als eine PKW-

Garage ist. Wer sie in Betrieb sieht

und sich vergegenwärtigt, dass

solch ein Ungetüm notwendig ist,

um ein Kraftwerk zu füttern, kann

sich die Dimensionen der großen Kraftwerke

gut veranschaulichen. Einige Millionen Menschen

verlangen pro Kopf mindestens einen

„Esslöffel Kohle pro Minute“ – und das wird bei

der weniger energiereichen Braunkohle dann

schnell zu „einer Garage voll Kohle“, und zwar

alle paar Sekunden!

Zu den zahlreichen Kohlekraftwerken kamen

in Deutschland für viele Jahrzehnte 17 große

Kernkraftwerke mit elektrischen Leistungen im

Gigawatt-Bereich. Derzeit sind noch neun in

Betrieb.

Das Höchstspannungsnetz,

380 oder 220 kV, 36.000 km

5.000 kW

Das Stromnetz spielt eine Schlüsselrolle, denn

es bringt Erzeuger und Kunden zusammen. Es

ist in eine klare Hierarchie gegliedert. Die oberste

und bestüberwachte Ebene ist das Höchstspannungs-

oder Übertragungsnetz. Es verbindet

die großen Stromerzeuger, die Großkraftwerke

und die großen Wasserkraftwerke sowie

einige Zusammenschlüsse leistungsstarker

Windkraftanlagen. Das Übertragungsnetz wurde

vor allem errichtet, um die deutschen Kraftwerke

zu verknüpfen und um Produktions- und

Bedarfsschwankungen ausgleichen zu können.

Außerdem ermöglichte es durch einige grenzüberschreitende

Verbindungen eine internationale

Zusammenarbeit sowie Unterstützung bei

Kraftwerksausfällen (Verbund-Aushilfe).

Inzwischen ist seine Bedeutung wesentlich

gewachsen, denn es dient auch dem länderübergreifenden

Handel mit elektrischer Energie

innerhalb Europas, so dass man von einem europäischen

Übertragungsnetz sprechen kann.

Das Höchstspannungsnetz besteht fast ausschließlich

aus Freileitungen. Man erkennt es an

den bis zu 90 m hohen, riesigen Masten und den

vier Meter langen Isolatoren, an denen die Leiterseile

hängen. Es wird bei einer Spannung von

380 kV betrieben, ältere Verbindungen auch mit

220 kV. Mit den hohen Spannungen und Stromstärken

von bis zu 2720 Ampere pro Leiterseil-

Viererbündel kann man sehr hohe Leistungen

übertragen. Die maximale Stromstärke ergibt

sich jeweils aus der zulässigen Erwärmung der

23


Abb. 1.2: Netzebenen

Ausland

24

KWK

Leitungen und ist wegen der besseren Kühlung

im Winter etwas höher als im Sommer.

Das deutsche Höchstspannungs-Übertragungsnetz

hat eine Gesamtlänge von 36.000 km

mit zahlreichen Verbindungspunkten, so dass

sich viele „Maschen“ ergeben. Der Strom kann

dann über verschiedene Verbindungen zu den

Abnehmern geleitet werden. Das ermöglicht die

Abschaltung einzelner Trassen für Reparaturen

und Wartungsarbeiten. Außerdem wird die

Zuverlässigkeit und Übertragungssicherheit

entscheidend vergrößert.

„N minus Eins“ – Sicherheit

T

T

M G M G

PV

M

G

Bio

HöS

HS

Bio

MS

NS

M: Motor, G: Generator

T: Turbine für Wasserkraft

„n-1“-Sicherheit ist ein Schlüsselbegriff für

den Betrieb der Stromversorgung. Von den

zahlreichen Systemkomponenten (deren Anzahl

sei n), also von den vielen Kraftwerken, Schaltstationen

und Leitungen muss eine beliebig

wählbare Komponente ohne Probleme für die

Gesamtversorgung ausfallen dürfen. Entsprechend

ist die Struktur des Netzes aufgebaut

und die Verfügbarkeit an Kraftwerken gesichert.

Der Ausfall einer Leitung oder aber eines Kraftwerks

kann gegenwärtig ohne Einschränkungen

ausgeglichen werden.

Warum ist das wichtig? Wenn durch den Ausfall

eines Kraftwerks oder einer einzigen Leitung

andere Leitungen überlastet würden, so käme

es in einem vermaschten Netz zu sich ausbreitenden

automatischen Abschaltungen.

Dieser „Domino-Effekt“ kann zu einem flächendeckenden

„Blackout“ führen. Das „n-1“-

Konzept hat dafür gesorgt, dass großräumige

schwere Störungen in Deutschland bisher sehr

selten waren.

Wenn man bedenkt, dass man von Nord- nach

Süddeutschland maximal 1.000 km überbrücken

muss, dann erscheint die Gesamtlänge von

36.000 km als ausreichend, um regionale

Leistungsdefizite auszugleichen. Wenn man

sich jedoch klar macht, dass jede Verbindung

nur wenige GW an Leistung übertragen kann,

dann erkennt man die Notwendigkeit, die

großen Windparks im Norden mit den Verbrauchszentren

im Süden durch neue Trassen zu

verknüpfen.

Die gestaffelten Verteilnetze

Wie erwähnt, gibt es nur ein einziges, einheitliches

Höchstspannungsnetz für den Ferntransport

von elektrischer Energie in Europa. In den

tiefer liegenden Spannungsebenen ist diese

Einheitlichkeit aufgehoben, denn dort existieren

zahlreiche unterschiedliche regionale Verteilnetze.

Sie werden von vielen Gesellschaften

und Stadtwerken betrieben und sind in drei

Spannungsebenen gegliedert. Der große Vorteil

des Wechselstroms, seine Transformierbarkeit

zwischen den verschiedenen Spannungen, wird

dabei voll ausgenutzt.

Das Hochspannungsnetz,

110 kV, 76.000 km

Die zahlreichen überregionalen Verteilnetze mit

einer Spannung von 110 kV, die „Hochspannungsnetze“,

umfassen insgesamt 76.000 km

Leitungslänge, die ebenfalls überwiegend als

Freileitungen ausgeführt sind. Auf der „Hochspannungsebene“

werden Großabnehmer wie

Industrieanlagen bedient und kleinere Kraftwerke

angeschlossen. Vor allem versorgen die

Hochspannungsnetze die vielen Umspannwerke

überall im Lande.

Das Mittelspannungsnetz,

10 kV oder 20 kV, 507.000 km

Diese Umspannstationen versorgen ihrerseits

die Mittelspannungsnetze. Jedes Mittelspannungsnetz

ist bereits ein recht feingliedriges

Netz mit einer Ausdehnung von insgesamt

507.000 km. Hier werden Großkunden wie

Industriebetriebe, Krankenhäuser oder Flugplätze

angeschlossen. Die Leitungen sind oft

als Erdkabel verlegt und nutzen meistens eine

Spannung von 10 oder 20 kV. Die zahllosen Trafostationen

(Ortsnetzstationen) in allen Stadtteilen

werden von den Mittelspannungsnetzen

versorgt.

Das Niederspannungsnetz,

230/400 Volt, über 1 Million km Kabel

Meistens führen Erdkabel die vertraute Netzspannung

von 230 V in Form von Dreileiter-

Drehstrom (400 V) von den Transformatoren

der Ortsnetzstationen bis in die Häuser. Diese

„letzte Meile“ folgt den Straßenzügen und ist

relativ kurz, aber besonders weit verzweigt.

Das bedingt eine gewaltige Verkabelungslänge

von insgesamt 1.160.000 km. Auf jeden der ca.

40 Millionen Haushalte kommen damit ca. 30 m

Niederspannungs-Anschlussleitungen.

Die feingliedrige Verteilung benötigt zahlreiche

Transformatoren. Gegenwärtig verbinden über

550.000 „Trafos“ die unterschiedlichen Spannungsebenen.

Autobahnen und Sackgassen

Man kann diese Hierarchie des Stromnetzes mit

dem Straßennetz vergleichen:

Das Übertragungsnetz entspricht den Autobahnen.

Es verbindet die Hauptproduzenten

und das Ausland, die „Fahrtrichtung“ ist frei

wählbar. Dazu kommen Fernstraßen, Durchgangsstraßen

und am Schluss entspricht das

Niederspannungsnetz den zahllosen Straßen

in den Wohngebieten, die bisweilen auch als

Sackgassen ausgeführt sind.

Auf den Stromstraßen herrschte früher eine

Verkehrsregelung mit klarer Vorgabe für die

Fahrtrichtung (d.h. für den Energietransport,

„Lastfluss“ genannt): Wer die Autobahnen mit

ihren zwei Fahrtrichtungen verließ, konnte seine

Ware über Fern- und Durchgangsstraßen bis

zu jedem Haus in den Vororten transportieren

- aber nicht umgekehrt. Der Energiestrom

verlief früher nur aus dem Übertragungsnetz

heraus „auf Einbahnstraßen“ bis zum Haus des

Kunden. Der gegenwärtige Umbau der Ener-

25


15 kW 1.000 kW 100 kW

26

gieversorgung mit dem Ziel, auch viele kleine

Stromproduzenten ans Netz anzuschließen, hat

die „Einbahnstraßenregelung“ völlig aufgehoben.

Der Lastfluss verändert häufig seine

Richtung. Inzwischen fließt die Energie auf allen

Netzebenen in beide Richtungen.

Windparks

Im Jahr 2012 waren in Deutschland über 23.000

Windenergieanlagen (WEA) mit einer erstaunlichen

maximalen Gesamtleistung von über

30 GWpeak installiert. Sie soll durch den Aufbau

von Off-Shore-Windparks in der Nordsee noch

wesentlich vergrößert werden. Weil der Wind

nur ungleichmäßig weht, steht die Gesamtleistung

von 30 GW nur selten zur Verfügung.

Derzeit rechnet man mit etwa 20% als zeitlichem

Mittelwert, so dass die Windkraft in einer

statistischen Betrachtung mit einer Einspeisung

von maximal 6 GW erscheinen kann.

Die zahlreichen WEA bilden ein weiträumiges

Team. Falls der Wind überall kräftig pustet, können

bis zu 30 GW eingespeist werden, aber bei

ruhiger Wetterlage und Flaute sind viele WEA

gemeinsam betroffen.

Große Windparks bedingen so hohe Anschlussleistungen

wie ein Kraftwerk und werden an das

Hochspannungsnetz oder sogar direkt an das

Übertragungsnetz angeschlossen.

Sonnenstrom

Die meisten Photovoltaik-Anlagen sind relativ

kleine Dachanlagen, die nur einige kW an elektrischer

Leistung abgeben können. Die Photovoltaik

(PV) hat in Deutschland einen unglaublichen

Boom erlebt. In den Jahren 2010 bis 2012

wurden jeweils über 7,5 GW an neuen Anlagen

hinzugebaut. Deshalb können nun bei landesweit

schönem Wetter über 33 GW an Solarstrom

eingespeist werden. In der maximal möglichen

Leistung entspricht das 33 Großkraftwerken.

In der Summe bedeckten die Paneelen der

deutschen PV-Anlagen im Januar 2013 bereits

die Fläche einer Großstadt, nämlich über 200 km²,

also beispielsweise 10 km x 20 km.

Sie sind überwiegend weit verstreut und deshalb

meistens in das Niederspannungsnetz

eingebunden. In den Verteilungsnetzen ergibt

sich inzwischen tagsüber oft die oben erwähnte

Lastumkehr, denn der eingespeiste PV-Strom

kann an sonnigen Tagen nicht in der Umgebung

der Produzenten abgenommen werden. Stattdessen

wird er aus dem Niederspannungsnetz

in das Mittelspannungsnetz oder sogar ins

Hochspannungsnetz zurückgespeist. Eine

solche Lastumkehr bewirkt keine prinzipiellen

Probleme, sofern die Technik ausgebaut wird.

Eine wesentlich größere Herausforderung

stellen die starken und bisweilen sehr schnellen

Schwankungen der Produktion dar. Auch die

weit verteilten PV-Anlagen bilden ein gemeinsames

Team. Bei Dunkelheit fällt der PV-Strom

aus, bei niedrigem Sonnenstand im Winter oder

bei starker Bewölkung ist er nur schwach. Deswegen

steht der PV-Strom noch viel ungleichmäßiger

als die Windenergie zur Verfügung.

Eine nach Süden ausgerichtete Dachanlage von

100 m² Fläche kann bei voller Einstrahlung 10

bis 15 kW elektrische Leistung abgeben. Das

ist die so genannte Peak-Leistung. Die über ein

Jahr aufsummierte Gesamtenergie entspricht

aber nur einer fiktiven Dauerleistung von 1 bis

1,5 kW bei ununterbrochener, gleichmäßiger

Stromabgabe (etwa 10% des Maximalwerts).

Dabei ist die Ausbeute in Süddeutschland

günstiger als im Norden und im sonnigen

Mittelmeerraum kann man sogar mit etwa 20%

rechnen.

Die Windenergie wird ausführlich im Kapitel 4.2

dargestellt, die Photovoltaik in Kapitel 4.3.

Fehlende Speicherung

Eine Zwischenspeicherung von elektrischer

Energie im Stromnetz ist nicht möglich. Nur in

einem sehr geringen Umfang ergibt sich ein

selbststabilisierender Effekt: Steigt der Bedarf

plötzlich an, sinkt die Netzspannung und in der

Folge geht auch die Drehzahl der Generatoren

in den Kraftwerken etwas zurück, weil sie sich

„mehr anstrengen müssen“. Entsprechend sinkt

die Netzfrequenz etwas unter 50 Hertz ab. Beide

Effekte führen dazu, dass die Verbraucher

weniger Leistung entnehmen und ihre Motoren

geringfügig langsamer laufen. Weil dieser Effekt

unerwünscht ist, haben die Stromproduzenten

und Netzbetreiber ihre Anlagen so ausgelegt,

dass sie Laständerungen möglichst schnell

ausregeln können. Mehr dazu erfahren wir

von den Mitarbeitern der Überwachungs- und

Schaltzentralen (Kap.4.4 und 4.5).

27

0,1 kW


Abb. 1.3: Aufteilung der Stromproduktion 2012 (vereinfacht)

Der Zauber

der Netze

Was sind ein silbernes Handy ohne Empfang,

ein goldener Wasserhahn ohne Rohranschluss,

ein grünes WC ohne Anschluss an das Abwassernetz

und ein schneeweißer ICE ohne

Oberleitung? Nutzlos!

Wir alle sind von zahlreichen Netzen umgeben,

und in ihrer Vielfalt eröffnen sie erstaunliche

Möglichkeiten.

den zahlreichen dezentralen Erzeugern über das

Niederspannungs- und Mittelspannungsnetz,

sogar bis in das Hoch- und Höchstspannungsnetz.

Die Netze sind damit zu einem ausgleichenden

Vermittler in einem weit ausgedehnten räumlichen

und komplizierten zeitlichen Puzzle von

Anbietern und Abnehmern geworden.

Kernkraftwerke

16,0 %

Steinkohlekraftwerke

19,1 %

Erdgaskraftwerke

11,3 %

Braunkohlekraftwerke

25,6 %

Windkraftanlagen

7,3 %

Biomasse und Müll

6,6 %

Heizöl und sonstige

6,2 %

Photovoltaik

4,6 %

Wasserkraftwerke

3,3 %

Jahresproduktion ca. 620 TWh

28

Sie ermöglichen Informationsfluss, Energieströme,

Warentransport, persönliche Verbindungen und

soziale Kontakte. Denken wir an Telefon und

Internet, aber auch an das Straßennetz und die

anderen Verkehrsnetze für Schiffe, Bahnen und

Flugzeuge.

Die technischen Versorgungsnetze spielen in

unserem Alltag eine große Rolle: Sie liefern

uns Wasser, Erdgas und Strom, aber auch die

neuesten Nachrichten über das Sendernetz

von Radio und Fernsehen. Solche „Verteilnetze“

sind für eine Transportrichtung erstellt: vom

Lieferanten zum Kunden, vom Sender zum

Radio oder zum Fernseher.

Übrigens ist jeder von uns auch persönlich von

Netzen durchzogen. Das Netz der Blutgefäße ist

ähnlich hierarchisch aufgebaut wie ein technisches

Versorgungsnetz. Die Länge der großen

Arterien und Venen ist überschaubar und

beträgt insgesamt nur einige Meter. Dagegen ist

die Gesamtlänge aller Blutgefäße total überwältigend.

Weil die feinen Kapillaren nur noch

Durchmesser von weniger als 10 µm besitzen,

müssen sie unvorstellbar zahlreich sein. Ihre

Gesamtlänge schätzt man mit mehr als

10.000 Kilometern(!) ab.

Nach diesem ersten Überblick über die Struktur

der Stromversorgung und der Energieströme

(„Lastflüsse“) möchten wir die „durchschnittliche

Stromproduktion“ möglichst einfach statistisch

zusammenfassen. Dabei gehen wir von

der Annahme aus, dass keine Kraftwerksausfälle

und kein Stromhandel mit den Nachbarländern

zu berücksichtigen sind. Die Aufstellung

beruht auf den Jahresmittelwerten von 2012.

Dann teilt sich die Gesamtproduktion statistisch

so auf, wie die Grafik oben zeigt.

Quelle: AG Energiebilanzen

Um den stets notwendigen Ausgleich zwischen

Produktion und Bedarf zu erzielen, müssen die

regelbaren Kraftwerke eine enorme Dynamik

bewältigen.

Wind, Biomasse, Photovoltaik und Wasserkraft

gelten als umweltschonende und unerschöpfliche

„Erneuerbare Energien“ und machen

derzeit ca. 22% der Stromproduktion aus. Es ist

eine der politischen Zielvorgaben, ihren Anteil

bis zum Jahr 2050 auf 80% zu steigern.

29

Nur das Abwassernetz ist als ein „Sammelnetz“

für die Richtung von den Einzelkunden zu

einem gemeinsamen Klärwerk konstruiert.

Telefon, Internet und Wegenetze waren von

Anfang an offen für beide Richtungen.

Unser Stromversorgungssystem befindet sich

derzeit in einem erstaunlichen Wandel. Geplant

und gebaut für einen gerichteten Lastfluss von

den Kraftwerken zum Verbraucher, müssen die

Netze zunehmend ungerichtete Lastflüsse aufnehmen.

Oft fließt die Energie „rückwärts“ von

Im menschlichen Gehirn sind über

100 Milliarden Zellen ohne eine erkennbare

Hierarchie miteinander vernetzt.

Man darf diese Langzeit-Mittelwerte der Stromproduktion

keinesfalls als konstante oder

stabile Betriebsverhältnisse interpretieren. Das

wäre völlig falsch. Im Laufe eines jeden Tages

variieren sowohl der momentane Bedarf als

auch die jeweiligen Einspeisungen sehr stark.

So schwankt die Produktion der Photovoltaik

unregelmäßig zwischen Null und einem Maximalwert,

der im Sommer auf bis zu 33 GW ansteigen

kann. Das führt zu einem „statistischen

Jahresmittel“ von nur 3,3 GW. Entsprechende

Bedingungen ergeben sich auch für den Wind.

Derzeit wird der Bedarf durch installierte Anlagen

mit diesen Maximalleistungen gedeckt

(gerundete Summen):

ca. 125 Gas- und Kohlekraftwerke: 67 GW,

Photovoltaik: 33 GWpeak,

Wind: 30 GWpeak,

9 Kernkraftwerke: 12,6 GW,

ca. 30 größere Wasserkraftwerke: 7,0 GW,

ca. 50 Biomasse-Kraftwerke: 0,4 GW,

über 110 kleinere Wasserkraftwerke und eine

Vielzahl von Müllverbrennungsanlagen und

kleiner dezentraler Erzeuger.

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