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Elektrische Energie

Definition: Energie, die mit Elektrizität übertragen oder gespeichert wird

Englisch: electrical energy

Kategorien: elektrische Energie, Energieträger, physikalische Grundlagen

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Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 19.03.2010; letzte Änderung: 03.11.2018

Elektrische Energie, häufig ungenau als Strom oder Elektrizität 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. Sie stellt reine Exergie (arbeitsfähige Energie) dar. Ein weiterer Vorzug elektrischer Energie ist, dass sie sich sehr gut mit Kabeln übertragen lässt, auch über weite Strecken – mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung sogar über tausende von Kilometern mit moderaten Energieverlusten.

Erzeugung elektrischer Energie

In großen Mengen wird elektrische Energie in verschiedenen Arten von Kraftwerken gewonnen; man spricht kurz aber ungenau 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 Generatoren, 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 Freileitungen und 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 (mit Gleichrichtern) und umgekehrt (mit Wechselrichtern).

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, und später kann dieser Wasserstoff mit einer Brennstoffzelle wieder zur Stromerzeugung dienen. Hierbei sind die Energieverluste jedoch deutlich höher (häufig über 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 (→ Druckluftspeicherkraftwerk).

Der Artikel über Speicher für elektrische Energie enthält weitere Details.

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 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 unvorhergesehener 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. Für die Deckung längerfristiger Engpässe braucht man zudem Reservekraftwerke, z. B. in der Kaltreserve.

Kraftwerke mit verschiedenen Charakteristiken werden eingesetzt für die Deckung der Grundlast (konstanter Bedarf), Mittellast (mit täglichen und saisonalen Schwankungen) und Spitzenlast. Ein Teil der Last wird von nicht regelbaren Kraftwerken gedeckt; der Rest ist die Residuallast, die von regelbaren Kraftwerken (und teilweise von Energiespeichern) gedeckt werden muss. Viele Kraftwerke (v. a. Großkraftwerke) liefern zusätzlich zu den geplanten Strommengen auch Regelenergie.

Unterschiedlicher Wert von elektrischer Energie

Der ökonomische Wert elektrischer Energie z. B. aus einem Kraftwerk hängt von vielen Umständen ab – insbesondere auch davon, wie die Stromerzeugung zeitlich verläuft und inwieweit sie dem Bedarf angepasst werden kann.

Den höchsten Wert pro Kilowattstunde weist eine Stromerzeugung auf, die gezielt nach dem jeweiligen Bedarf erfolgen kann, bzw. zu Zeiten, in denen andere Kraftwerke weniger leisten. Solche Energie kann auf dem Strommarkt zur Spitzenlastdeckung oder als Regelenergie relativ teuer verkauft werden. Eine mittlere Wertigkeit hat Grundlaststrom, der gleichmäßig über lange Zeit anfällt – nicht am Bedarf orientiert, aber immerhin zuverlässig verfügbar. Einen noch niedrigeren Wert weist Strom auf, der sporadisch und unkontrolliert anfällt, wobei es noch eine Rolle spielt, ob er oft in Zeiten mit Verbrauchsspitzen geliefert wird (z. B. aus Photovoltaikanlagen zur Mittagszeit) oder eher zu Zeiten mit geringerem Bedarf.

Eine ähnliche Unterscheidung kann für verschiedene Arten des Strombedarfs gemacht werden. Die höchsten Kosten pro Kilowattstunde verursacht ein Strombedarf, der auf kurze Zeitintervalle beschränkt ist und womöglich noch gerade zu Zeiten der Spitzenlast auftritt. (Dies ist z. B. für Frostschutz-Elektroheizgeräte der Fall.) Deutlich günstiger kann ein gleichmäßiger Bedarf gedeckt werden, z. B. mit konstanter Leistung für Tag und Nacht, Sommer wie Winter. (Dies ist der Fall für den Standby-Verbrauch von Geräten.) Nochmals günstiger ist ein Bedarf, der nur zu Schwachlastzeiten erfolgt oder besser noch sich flexibel nach dem jeweiligen Stromangebot richten kann – im Idealfall mit Nutzung nur von zeitweiligen Überschüssen. Durch die Gestaltung der Stromtarife versucht man diese Unterschiede finanziell zu bewerten.

Es gibt technische Mittel, um den oben beschriebenen Wert von erzeugter elektrischer Energie zu erhöhen:

  • Große Gaskraftwerke und Kohlekraftwerke (v. a. mit Steinkohle) können gezielt tagsüber betrieben werden und im Winter mehr als im Sommer. Die Betreiber solcher Mittellastkraftwerke erzielen höhere Erlöse pro Kilowattstunde als für Grundlaststrom. Allerdings fallen die Investitions- und Kapitalkosten stärker ins Gewicht, wenn die Zahl der Volllaststunden pro Jahr geringer ist.
  • Große Wasser-Speicherkraftwerke sind mit starken Turbinen und Generatoren ausgestattet, für deren ganzjährigen Dauerbetrieb die verfügbaren Wassermengen nicht ausreichend wären. Sie werden hauptsächlich zu Zeiten hohen Strombedarfs eingesetzt, also vorwiegend im Winter und während der täglichen Verbrauchsspitzen, und produzieren zu anderen Zeiten gar nicht.
  • Pumpspeicherkraftwerke beziehen im Pumpbetrieb z. B. billigen Nachtstrom und erzeugen mit der gespeicherten Energie zu anderen Zeiten Strom, der zur Spitzenlastdeckung wesentlich teurer verkauft werden kann. Es entsteht also trotz eines gewissen Energieverlusts von z. B. 20 bis 25 % ein finanzieller Vorteil für den Betreiber, der den energiewirtschaftlich höheren Wert der Spitzenlast reflektiert. Dieses Verfahren wird als Stromveredelung bezeichnet.
  • Blockheizkraftwerke werden häufig rein wärmegeführt betrieben, ohne Berücksichtigung des Strombedarfs im öffentlichen Stromnetz. Dies führt immerhin zu vermehrter Produktion im Winter, wo der Strombedarf höher ist, aber häufig nicht zu einer optimal tageszeitlich verteilten Stromproduktion. Eine solche würde auch durch eine nicht zeitabhängige Einspeisevergütung nicht honoriert. Zukünftig wird man aber wohl finanzielle Anreize schaffen, um den energiewirtschaftlichen Wert der Stromproduktion durch gezielteren Einsatz zu erhöhen. Viele Betreiber werden dann ihre BHKW-Aggregate etwas stärker auslegen und mit Pufferspeichern versehen, um noch besser der schwankenden Stromnachfrage entsprechend zu können.
  • Speicher für elektrische Energie (die teils schon oben erwähnt wurden) können zeitweise überschüssige elektrische Energie aufnehmen und dann wieder abgeben, wenn sie am dringendsten benötigt werden. Wenn solche Speicher in großem Umfang zur Verfügung stünden, kostengünstig zu errichten und betreiben wären und zudem nur geringe Energieverluste verursachen würden, würde dies zu einer generellen Nivellierung von Strompreisen führen, weil es auf den zeitlichen Verlauf der Stromerzeugung kaum mehr ankäme. Zudem wäre der Bedarf für interregionale Stromnetze dann wesentlich geringer. Allerdings ist eine Speichertechnologie, die all die genannten Voraussetzungen erfüllen könnte, bisher nicht bekannt.
  • Starke interregionale Stromnetze – etwa in Form eines europäischen Supergrids – hätten ebenfalls die Wirkung, den zeitlichen Verlauf der Stromerzeugung viel weniger wichtig zu machen, da damit ein Ausgleich von Erzeugung und Bedarf in einem viel größeren Gebiet möglich wäre. Die dabei auftretenden Energieverluste und die Kosten wären ebenfalls ziemlich gering, und die dafür benötigte Technologie ist bereits verfügbar. Deswegen sind starke Stromnetze (im Gegensatz zu umfangreichen Energiespeichern) eine sehr realistische Option, um die Verwendbarkeit (damit auch den ökonomischen Wert) fluktuierender Stromeinspeisungen zu erhöhen und den Bedarf an Spitzenlasterzeugung zu reduzieren.

Auch der Ort der Erzeugung kann für den ökonomischen Wert wesentlich sein. Beispielsweise ist Strom, der an abgelegenen Standorten in großen Mengen produziert wird, weniger wert, da seine Nutzung nur durch aufwendigen Transport möglich wird. Entsprechend verursacht Stromverbrauch an entlegenen Orten höhere Kosten.

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.

Stromherkunft

Die meisten Stromverbraucher werden über das allgemeine Versorgungsnetz von Energieversorgungsunternehmen (EVU) mit elektrischer Energie versorgt. Physikalisch ist es dann unmöglich, einen bestimmten Verbrauch bzw. eine Energielieferung einem bestimmten Erzeuger zuzuordnen. Quasi buchhalterisch geschieht so eine Zuordnung trotzdem, so dass die Bezahlung für die elektrische Energie, die ein Verbraucher abruft, nicht etwa gleichmäßig auf alle Erzeuger verteilt wird, sondern allein seinem Energieversorgungsunternehmen zukommt. Dieses kann natürlich insgesamt nur so viel elektrische Energie verkaufen, wie es in das Netz einspeist oder von anderen Erzeugern oder Stromhändlern einkauft (abzüglich Netzverlusten von wenigen Prozent). Wenn sich ein Verbraucher für den Kauf von Ökostrom (Strom aus ökologisch günstigen Kraftwerken) entscheidet, wird das Geld also letztendlich den Betreibern ökologisch günstiger Kraftwerke zukommen und sollte den weiteren Ausbau entsprechender Erzeugungskapazitäten begünstigen. Deswegen hat die Wahl des Energieversorgers mittelfristig einen Einfluss auf die Stromerzeugung, auch wenn die Energieflüsse aus unterschiedlichen Kraftwerken physikalisch nicht mehr zu trennen sind.

Gemäß einer EU-Richtlinie sind die Energieversorgungsunternehmen verpflichtet, die Endverbraucher über die Art der Erzeugung der von ihnen gelieferten elektrischen Energie zu informieren (Pflicht zur Stromkennzeichnung). Auf dieser Basis können die Verbraucher entscheiden, ob sie Energie vom jeweiligen Unternehmen kaufen bzw. welches Stromprodukt sie auswählen.

Literatur

[1]Extra-Artikel: Wo kommt mein Strom her? – Überlegungen zu Stromherkunft, Ökostrom und dem Klimaschutzeffekt des Stromsparens
[2]Irrtümer und Propaganda zum Thema Stromerzeugung und Stromversorgung
[3]“Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen Energiesystem”, http://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/broschueren/studien/energie_2010.pdf, eine Studie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) (2010)
[4]K. Heuck, K.-D. Dettmann und D. Schulz, Elektrische Energieversorgung, 8. Auflage, Springer Vieweg (2010)
[5]Aktuelle Daten zu Stromerzeugung und -verbrauch in Deutschland, http://www.agora-energiewende.de/service/aktuelle-stromdaten/stromerzeugung-und-verbrauch/, von Agora Energiewende

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Energie, Elektrifizierung, elektrische Spannung, elektrische Stromstärke, Exergie, Kraftwerk, Kilowattstunde, Grundlast, Mittellast, Spitzenlast, Jahreshöchstlast, Strommarkt, Regelenergie, Ausgleichsenergie, gesicherte Kraftwerksleistung, Speicher für elektrische Energie, Energieversorgungsunternehmen, Versorgungssicherheit, Stromlücke, Stromausfall, Klimaschutz, Ökostrom, Strommix, Energieeffizienz, Lastmanagement, Verstromung, Stromanbieterwechsel, Elektromobilität
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Energieträger, physikalische Grundlagen

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