Elektrische Energie | <<< | >>> | Feedback |
Definition: Energie, die mit Elektrizität übertragen oder gespeichert wird
Elektrische Energie, häufig ungenau als Strom bezeichnet, spielt in der modernen Energietechnik eine sehr wichtige Rolle. Sie kann zwar nur in relativ geringen Mengen direkt gespeichert werden (insbesondere in Kondensatoren), jedoch lässt sie sich mit häufig hohen Wirkungsgraden in diverse andere Energieformen umwandeln und umgekehrt (mit häufig geringeren Wirkungsgraden) aus anderen Energieformen gewinnen. Ein weiterer Vorzug elektrischer Energie ist, dass sie sich sehr gut mit Kabeln übertragen lässt, auch über weite Strecken.
Erzeugung elektrischer Energie
In großem Mengen wird elektrische Energie in verschiedenen Arten von Kraftwerken gewonnen; man spricht kurz von Stromerzeugung. In den meisten Fällen wird hierbei mechanische Energie mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt, was mit sehr hohem Wirkungsgrad (häufig deutlich über 90 %) möglich ist. Die mechanische Energie wird entweder direkt der Natur entnommen (meist als Wasserkraft oder Windenergie) oder aus Wärmeenergie in Wärmekraftmaschinen gewonnen. Im letzteren Fall erfolgt die Umwandlung mit mäßigen Wirkungsgraden (oft zwischen 30 % und 50 %), die durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt sind, in der Praxis aber noch deutlich unter dieser Grenze liegen können. Höhere Gesamt-Nutzungsgrade können mit Kraft-Wärme-Kopplung erreicht werden, d. h. mit gleichzeitiger Nutzung der Abwärme.
Heute noch weniger verbreitete Methoden sind die Photovoltaik (direkte Gewinnung elektrischer Energie aus Sonnenlicht) sowie die Verwendung von Brennstoffzellen zur direkten Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Ebenfalls gibt es thermoelektrische Energiewandler, die direkt Wärme in elektrische Energie umwandeln können, wobei genauso wie bei Wärmekraftmaschinen ein Temperaturgefälle benötigt wird und der Umwandlungswirkungsgrad begrenzt ist.
Übertragung elektrischer Energie
Elektrische Energie lässt sich in Form elektrischen Stroms mit Kabeln übertragen. Hierbei ist die elektrische Leistung (Energiemenge pro Zeiteinheit) das Produkt der Stromstärke und der elektrischen Spannung. Beispielsweise führt eine Stromstärke von 3 A (Ampere) bei einer Spannung von 12 V (Volt) zu einer Leistung von 3 A · 12 V = 36 W (Watt), und innerhalb von 2 Stunden wird eine Energiemenge von 72 Wh (Wattstunden) übertragen. Elektrische Energiemengen werden häufig in Kilowattstunden (= 1000 Wattstunden) gemessen, bei größeren Mengen auch in Megawatt-, Gigawatt und Terawattstunden.
Da elektrische Leitungen umso höhere Leistungsverluste aufweisen, je höher die Stromstärke ist, werden hohe Leistungen mit mäßigen Stromstärken, dafür aber sehr hohen Spannungen mit Hochspannungsleitungen übertragen. Die verwendeten Spannungen liegen meist bei hunderten von Kilovolt (kV), teils sogar über einem Megavolt (MV).
Am gebräuchlichsten ist die Übertragung von Wechselstrom, bei dem Stromstärke und Spannung mit einer Frequenz von z. B. 50 Hz oszillieren. (Man hat dann 50 Schwingungen von Stromstärke und Spannung pro Sekunde.) Gegenüber dem Gleichstrom hat Wechselstrom den Vorteil, dass sich mit Hilfe von Transformatoren die Spannung relativ einfach auf ein höheres oder tieferes Niveau gebracht werden kann. Die Hochspannungs-Gleichstromübertragung gewinnt jedoch zunehmend an Bedeutung, vor allem für hohe Leistungen und weite Strecken, da sie geringere Übertragungsverluste ermöglicht, insbesondere auch mit Unterwasserkabeln. Moderne Leistungselektronik kann Wechselstrom mit sehr geringen Verlusten in Gleichstrom umwandeln und umgekehrt.
Speicherung elektrischer Energie
Elektrische Energie lässt sich nur in geringen Mengen in Kondensatoren speichern. Sogenannte Superkondensatoren (Super-Caps) können z. B. in einem Elektroauto beim Bremsen zurückgewonnene Energie speichern (→ Rekuperation) und beim Beschleunigen wieder abgeben.
Für die Speicherung größerer Energiemengen sind diverse andere Verfahren im Einsatz, bei denen die elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt werden muss:
- Akkumulatoren (aufladbare Batterien) speichern Energie in chemischer Form – mit häufig hohen Wirkungsgraden in der Größenordnung von 90 %, aber in recht begrenzten Mengen: Die Energiedichte von Akkumulatoren liegt z. B. weit unterhalb der von Benzin.
- Mit Elektrolyse lässt sich z. B. Wasserstoff mit elektrischer Energie gewinnen, der später wieder mit einer Brennstoffzelle wieder zur Stromerzeugung dienen kann. Hierbei sind die Verluste jedoch deutlich höher (häufig in der Größenordnung von 50 %.).
- Elektrische Energie lässt sich mit Elektromotoren und Generatoren leicht und fast vollständig in mechanische Energie umwandeln und umgekehrt. Mechanische Energie lässt sich beispielsweise in Schwungrädern oder als potenzielle Energie (Lageenergie) speichern. Die letztere Methode kommt in Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken zum Einsatz, bei denen Wasser in einem hoch gelegenen Reservoir gespeichert und bei Bedarf “turbiniert” (zur Stromerzeugung in einer Turbine) genutzt wird. Eine andere Möglichkeit bieten Druckspeicher, z. B. in Form von großen unterirdischen Speichern für Druckluft.
Anpassung von Stromerzeugung und -nachfrage
Da elektrische Leitungsnetze praktisch keinerlei elektrische Energie zwischenspeichern, muss die insgesamt erzeugte elektrische Leistung jederzeit an den momentanen Verbrauch (ergänzt durch gewisse Leitungsverluste) angepasst werden. Dies ist aus mehreren Gründen nicht ganz einfach:
- Der Bedarf an Leistung kann rasch schwanken, und diese Schwankungen sind nur eingeschränkt vorhersehbar.
- Wenn ein Kraftwerk z. B. durch einen Defekt ausfällt, kann u. U. ohne jede Vorwarnung plötzlich eine große Leistung fehlen. Ähnliche Probleme können bei plötzlichem Ausfall von großen Fernleitungen entstehen.
- Insbesondere Windenergieanlagen und Solarkraftwerke liefern schwankende Leistungen, je nach Wind- und Sonnenverhältnissen, die nur teilweise vorhersehbar sind.
Für den Ausgleich solcher Schwankungen wird Regelenergie benötigt, entweder in der Form von Energiespeichern oder von schnell regelbaren Erzeugungskapazitäten. Der Bedarf an (oft teurer) Regelenergie lässt sich mit verschiedenen Methoden erheblich reduzieren, die im Artikel über Regelenergie diskutiert werden.
Kraftwerke mit verschiedenen Charakteristiken werden eingesetzt für die Deckung der Grundlast (konstanter Bedarf), Mittellast (mit vor allem saisonalen Schwankungen) und Spitzenlast (für Regelenergie).
Elektrische Energie und Klimaschutz
Die Erzeugung elektrischer Energie erfolgt vielfach auf stark klimaschädliche Weise. Besonders hohe Kohlendioxid-Emissionen entstehen weltweit in einer großen Zahl von Kohlekraftwerken, die ca. 42 % der weltweiten Stromerzeugung decken (Stand 2007). Wegen der hohen Umwandlungsverluste in Kraftwerken ist die Erzeugung einer Kilowattstunde elektrischer Energie häufig mit wesentlich höheren Emissionen von Treibhausgasen verbunden als bei der Erzeugung der gleichen Menge von Wärme in einem Heizkessel. Die wohl klimaschädlichste Art der Beheizung von Gebäuden ist die Elektroheizung mit Kohlestrom.
Trotzdem dürfte die elektrische Energie in Zukunft eine wesentliche Rolle spielen bei der Bemühung, die gesamte Energieversorgung weniger klimaschädlich und weniger abhängig von begrenzt verfügbaren fossilen Energieträgern zu machen. Diverse Quellen erneuerbarer Energie (insbesondere Wasserkraft, Windenergie, Photovoltaik und Biogas) können zur fast CO2-freien oder CO2-neutralen Stromerzeugung herangezogen werden. Dasselbe gilt für die Kernenergie, gegen die allerdings diverse ernste Bedenken vorliegen. Sogar wenn vorübergehend noch fossile Energie in den Kraftwerken eingesetzt wird, erlaubt beispielsweise die Wärmeerzeugung über Elektrowärmepumpen in Verbindung mit der Stromerzeugung in hoch effizienten Gaskraftwerken eine deutlich CO2-ärmere Erzeugung von Heizwärme als die Verwendung von fossil befeuerten Heizkesseln – selbst in Fällen ohne Abwärmenutzung (Kraft-Wärme-Kopplung) im Kraftwerk. Die Umstellung auf Ökostrom oder zumindest einen verbesserten Strommix kann dann die CO2-Emissionen nochmals stark reduzieren. Aus solchen Gründen kann die weitere Elektrifizierung im Wärme- und auch im Transportsektor durchaus eine effektive Strategie des Klimaschutzes sein, wenn in diesem Rahmen ausreichende Anstrengungen für eine energieeffizientere und klimaverträglichere Stromerzeugung ergriffen werden.
Literatur
| [1] | "Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen Energiesystem", eine Studie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) (2010) |
| [2] | Aberglauben, Halbwahrheiten und Propaganda zum Thema Stromerzeugung und Stromversorgung |
Siehe auch: Energie, elektrische Spannung, elektrische Stromstärke, Exergie, Kraftwerk, Kilowattstunde, Grundlast, Mittellast, Spitzenlast, Regelenergie, Versorgungssicherheit, Stromausfall, Klimaschutz, Ökostrom, Strommix, Energieeffizienz, Lastmanagement, Verstromung