Stromzeitalter

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Anteil erneuerbarer Energien am Primärenergieverbrauch in der EU (mit Island, Norwegen, Schweiz und Türkei) im Jahr 2013
Aufgrund der technischen Innovationen im Bereich der Stromwirtschaft wird das Erdölzeitalter durch das Stromzeitalter (bezogen auf Energie) abgelöst werden. Durch die Tatsache, dass der eigentliche Kulturtreiber die Informationstechnologie ist, wird unser Zeitalter aber als Informationszeitalter in die Geschichte eingehen.

1 Definition

Nach der aktuellen gängigen geschichtlichen Gliederungsschema zufolge wird unsere Epoche nach der Frühgeschichte, Altertum und Mittelalter als Neuzeit bezeichnet. Werden die Epochen aber nach der dominierenden Technik definiert, befinden wir uns nach dem Eisenzeitalter gegenwärtig im Zeitalter der fossilen Energien, das auch als Erdölzeitalter bezeichnet werden kann. Das immense Wirtschaftswachstum in den letzten 200 Jahren war nur durch die Erschließung der fossilen Energieträger möglich. Im Gegensatz zum 19. Jahrhundert ist das schwarze Gold nicht Kohle sondern Erdöl. Obwohl das Erdölzeitalter durch Technologien aus der Stromwirtschaft beendet wird, wird das folgende Zeitalter nicht als Stromzeitalter bezeichnet werden. Der Grund ist, dass die kulturelle Entwicklung der Menschheit durch die Informationstechnologie bestimmt wird.

2 Das Ende des Erdölzeitalters in 21. Jahrhundert

Golfkrieg 1991, brennende Ölquelle und austretendes Erdöl im Burgan-Ölfeld, Kuwait

Bereits in den 1970er Jahren zeichnete sich ab, dass zunehmend Kriege um Erdöl und Erdgas geführt werden. Als Lösung dieses Problems wurde angesichts der wachsenden Erdbevölkerung zunächst die Atomenergie als Lösung angesehen. Diese Technik wurde von staatlicher Seite stark gefördert, hat jedoch einige Risiken, deren Ausmaß z.T. falsch eingeschätzt wurde. Andererseits sank der Anteil der Kernenergie beim elektrischen Strom von 1993 bis 2011[1] Die in Kernkraftwerken erzeugte Strommenge erreichte 2006 ein historisches Hoch.[1] Zugleich wurden erneuerbare Energieträger weiterentwickelt und erzeugten bald mehr Strom als die Kernkraftwerke. Elektrische Energie ist bisher die einzige Form, um Energie über weite Strecken zu transportieren. Ein Ende der Epoche zeichnet sich ab, in der noch weitere konventionelle Erdölquellen erschlossen werden, und das Maximum der Förderung ist wahrscheinlich schon erreicht.[2] Zudem spricht der Klimawandel für eine Abkehr von den fossilen Energieträgern.

3 Stromerzeugung

3.1 Stromerzeugung mit Photovoltaik

Aufgrund der Massenproduktion bei der Photovoltaik sind die Preise stark gesunken, so dass diese Technologie international stark im Wachstum begriffen ist. 1973 kostete ein Bauelement mit der Leistung von 1 Watt rund 400 DM, 30 Jahre später jedoch nur noch 1 DM.[3] Bei Photovoltaik-Modulen lag der Herstellerpreis in China pro Watt bei einer kristallinen Solarzelle 2016 nur noch bei 41,4 Eurocent.[4][5] Es gibt Weiterentwicklungen zum Beispiel in Form einer organischen Solarzelle.

Inzwischen ist der Aufbau eines dezentralen Stromverteilnetzes mit elektrischem Strom aus der Photovoltaik in Schwellenländern und Entwicklungsländern günstiger als die Versorgung durch ein zentrales Stromverteilnetz mit thermischen Kraftwerken oder Diesel-Generatoren.

3.2 Windenergie

Durch die technische Entwicklung ist die Windenergie zu einer wichtigen Energiequelle geworden. 2014 lieferten die weltweit installierten Anlagen rund 3 % des weltweiten Strombedarfs.[6] Die bis 2015 installierten Windkraftanlagen waren in der Lage, etwa 3,7 % des weltweiten Strombedarfs zu decken.[7] Dies entspricht einer Steigerung um mehr als 20 % innerhalb eines Jahres. Auf günstigen Standorten sind die Stromgestehungskosten von Windkraftanlagen mittlerweile geringer als die von neuen Kohle- und Kernkraftwerken.[8] Spätestens seit 2016 ist absehbar, dass sie ohne staatliche Förderung auskommen kann.

3.3 Wasserkraft

Ähnlich wie die Windenergie wurde die Wasserkraft zunächst rein mechanisch genutzt. Im Laufe des 20. Jahrhunderts erfolgte auch hier die Umstellung auf die Erzeugung elektrischen Stroms. Der Ausbau in diesem Sektor erfolgte zeitlich parallel zur Atomenergie. Im Jahr 2012 lieferte die Wasserkraft 16,5 % des Weltbedarfes an elektrischer Energie und rund 3/4 der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen, die 21,7 % des Weltstrombedarfes deckten.[9] Norwegen deckt fast seinen gesamten Elektrizitätsbedarf mit Wasserkraft, Brasilien rund 80 %. In Österreich beträgt die Wasserkraftquote rund 55 % an der gesamten Stromproduktion, in der Schweiz sind es rund 60 %.

4 Stromspeicherung

4.1 Hochleistungsbatterien

Die Kosten zur Stromspeicherung werden sich ähnlich, wie bei den Solarzellen deutlich reduzieren. Der Preise für Lithium-Batterien lagen 2007 noch bei 1.000 US-Dollar pro Kilowattstunde (kWh). Bis zum Jahre 2014 konnte der Preis um mehr als zwei Drittel, auf 300 Dollar/kWh, reduziert werden. Nach Verlautbarungen lagen Ende 2016 beim "Chevrolet Bolt" die Kosten nur noch bei 145 Dollar/kWh. Bis zum Jahre 2022 soll der Preis durch die zunehmende Massenproduktion auf 100 Dollar pro Kilowattstunde fallen.[10][11]

4.2 Niederleistungsbatterien

Die Kosten zur Stromspeicherung durch Hochleistungsbatterien von PV-Strom liegen noch ca. 35% oberhalb der Kosten der Stromspeicherung mit Blei-Batterien. Angegeben werden die Kosten der Stromspeicherung in der BRD, bei extrem geringen Stückzahlen, zurzeit mit 900 bis 1.350 € pro kWh. [12]

4.3 Flusszell-Batterien

Schema einer Redox-Flusszelle (Redox Flow Cell) mit den dazugehörigen Elektrolytbehältern und Pumpen. Die chemische Umwandlung in der Zelle ist durch den Farbverlauf angedeutet.

Eine Flusszell-Batterie (Redox-Flow-Batterie (RFB)) ist eine Batterie, die Strom chemisch speichert. Zwei energiespeichernde Elektrolyten zirkulieren in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der galvanischen Zelle mittels einer Membran der Ionenaustausch erfolgt. In der Zelle werden dabei die gelösten Stoffe chemisch reduziert bzw. oxidiert, wobei elektrische Energie als chemische Energie gespeichert wird oder wieder in elektrische Energie gewandelt wird. Der Vorteil einer Flusszell-Batterie ist, dass diese mehrerer Megawatt speichern kann. Zudem der extrem hohe Wirkungsgrad sowie eine extrem lange Laufzeit. Außerdem können Selbstentladungen aufgrund des speziellen Aufbaus fast komplett vermieden werden. Es sind mehr als 10.000 Ladezyklen möglich, die dann Lebensdauern von 20 Jahren und mehr garantieren. Aufgrund der zu geringen Stückzahlen können aktuell moderne Fluss-Batterien preislich und aufgrund ihrer Größe noch nicht mit den etablierten PV-Stromspeichern mit Hochleistungs- und Niederleistungsbatterien konkurrieren. Wie hoch die Herstellungskosten zurzeit sind, könnte nicht recherchiert werden.

5 Sektorkoppelung

Der Begriff Sektorkoppelung beschreibt Technologien, die es erlauben überschüssigen Strom nicht als Strom zu speichern, sondern in eine anderen nutzbaren Energieform zu wandeln.

5.1 Power-to-Gas

Als Power-to-Gas wird ein chemischer Prozess bezeichnet, bei dem mit vor allem durch erneuerbare Energien erzeugtem Überschuss-Strom 1) mittels Wasserelektrolyse Wasserstoff hergestellt wird, aus welchem 2) unter Einsatz spezieller Bakterien Methangas in einem Bioreaktor hergestellt wird. Das so hergestellte Gas kann in das öffentliche Gasnetz eingespeist, in Speichern zwischengespeichert oder wieder zur Stromerzeugung (in Gaskraftwerken oder mit dezentraler Wärme-Kraft-Kopplung, WKK) genutzt werden. Es besteht so die Möglichkeit, die unregelmässig anfallenden erneuerbaren Energien Solar und Wind für den jeweils erst später anfallenden Bedarf zu speichern.

Daneben existieren auch Konzepte für integrierte Speicherkraftwerke auf Basis von reversiblen Brennstoffzellen, eine mittlerweile in den Markt eingeführte Technologie. Diese Technologie kann aber nicht ohne Add on Kosten Strom in Gas wandeln.

5.2 Power-to-Gas and Heat

Power-to-Gas and Heat

Bei Power-to-Gas and Heat wird in Zeiten mit überschüssigen Strom Nutzwärme nur mit einer Wärmepumpe erzeugt. Zudem noch Strom in ein brennbares Gas gewandelt. In Zeit einer Knappheit von Strom wird die Nutzwärme durch eine Gasheizung erzeugt. Der Vorteil dieses Konzeptes ist, dass das vorhandene Gasnetz zur Speicherung von Gas genutzt werden kann.

5.3 Power-to-Heat

Unter Power-to-Heat versteht man die Erzeugung von Wärme unter dem Einsatz von Strom. Dieses sollte wenn möglich nicht über Elektroheizungen erfolgen, sondern nur über Wärmepumpenheizungen. Power-to-Heat ist eine Möglichkeit Stromüberschüsse aus erneuerbaren Energien durch Kopplung von Strom- und Wärmesektor für die Wärmebereitstellung besonders vorteilhaft zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit ist die Wandlung von überschüssigen Strom in Wärme mittels einer Magnetheizung. Im Gegensatz zu einer Wärmepumpe liegt die Effizienz übers ganze Jahr bei mindestens 4 (COP).

5.4 Power-to-Cool and Heat

Die Kalte Nahwärme beruht darauf, dass niederkalorische Wärme (0°C bis 20°C) von einem Absorber (>0°C), aus einem Eisspeicher (<0°C) oder einer niederkalorische Quelle mit Abwärme (<15°C) über eine Wärmeleitung, in der Wasser gefördert wird, versorgt wird. Beim Wärmeabnehmer wird die Wärme mit einer Wärmepumpe auf ein für den Wärmeabnehmer nutzbares Niveau gefördert. Aufgrund der Tatsache, dass mit dieser Technologie Strom in Kälte und Wärme gewandelt wird, ist die Wirtschaftlichkeit geben.

5.5 Power-to-Compressed Air and Heat

Projekt Chance-MV, Wandlung von überschüssigen Strom in Druckluft und Wärme sowie Regelleistung

Eine Möglichkeit ist die Wandlung von überschüssigen Strom in Druckluft bei gleichzeitiger dezentraler Nutzung der Abwärme zum beheizen von Gebäuden.[13][14] Der Nachteil dieser Technologie ist, dass zur Nutzung von Power-to-Compressed Air in ein flächendeckendes Druckluftverteilnetz investiert werden muss. Simulationen zeigen, dass die Wirtschaftlichkeit geben sein kann, aber nach der Simulation des Projektes Power-to-Compressed Air wurde das Projekt eingestellt.

5.6 Power-to-Liquid

Unter dem Begriff Power-to-Liquid versteht man unterschiedliche technische Prozesse, die alle die Herstellung flüssiger Kraftstoffe zum Ziel haben. Diese Technologie kann aber nicht ohne Add on Kosten Strom in Erdöl wandeln.

5.7 Power-to-Ammonia

Das Power-to-Ammonia-Verfahren hat zum Ziel, Energie aus erneuerbaren Energiequellen transportier- und speicherfähig zu machen, indem man Energie chemisch in Form von Ammoniak speichert. Ob diese Sektorkoppelung ohne Add on Kosten Strom wandeln kann, war nicht zu recherchieren

6 Virtueller Stromspeicher

Ausbilanzierung des Stromnetzes mit Regelleistung übber Regelkraftwerke bei 50 Hz

Der Begriff virtueller Stromspeicher beschreibt Technologien, die es erlauben überschüssigen Strom nicht als Strom zu speichern oder in eine andere nutzbare Energieform zu wandeln, sondern durch eine gezieltes zu- und abschalten von Stromerzeuger die Stromerzeugung mit dem Stromverbrauch auszugleichen.

Die Idee ist, durch virtuelle Stromspeicher, bzw. einer virtuellen Regelleistung, einen Black out [15] zu verhindern in dem Stromverbraucher zu- und abgeschaltet werden.

Insbesondere durch die Nachfrageanpassung von Stromverbraucher besteht die Möglichkeit besonders wirtschaftlich das Stromnetz auszubilanzieren. Gut geeignet sind insbesondere Wärme- und Kältemaschinen wie Kühlschränke, Kühlhäuser, Wärmepumpenheizungen usw. Aber auch Boiler, die Brauchwasser mit Strom erwärmen. Des weiteren die E-Mobilität (Power-to-Drive). Mit Einschränkungen bieten sich aber auch energieintensive industrielle Prozesse wie die Aluminiumherstellung per Elektrolyse, die Elektrostahlherstellung und der Betrieb von Zementmühlen und Lüftungsanlagen für Lastverschiebungen an. In den Auswirkungen erzielt die Lastverschiebung die gleiche Effekte wie der Einsatz von Speicherkraftwerken (Regelleistung) zur Angebotsanpassung: Die Lasterhöhung (Zuschalten der Last bei Stromüberschüssen) entspricht der Ladung eines Speichers, die spätere Lastminderung der Speicherentladung; daher fungiert Lastverschiebung als "virtuelles Regelkraftwerk".[16]

Die Nachfrageanpassung kann durch die Smart Grid Technologie oder der Easy Smart Grid Technologie realisiert werden.

6.1 Smart Grid Technologie

Smart Grid Technologie (Intelligentes Stromnetz ohne Regenerative)

Als Smart Grid Technologie wird eine Technologie beschrieben, die mit dem Begriff Intelligentes Stromnetz zu fassen ist. Die Smart Grid Technologie beruht darauf, dass über eine kommunikative Vernetzung von Stromverbraucher mit Stromerzeugern das Netz ausbilanziert wird. Die Ausbilanzierung geschieht primär durch eine zeitliche Lastverschiebungen von Stromverbraucher. Ein Nachteil dieser Technologie ist die Vernetzung sämtlicher Akteure über ein Datennetz sowie die Notwendigkeit über Großrechner zu berechnen, welcher Stromerzeuger oder Stromverbraucher zu- oder abgeschaltet wird. Bei einem Ausfall der Datenkommunikation, z. B. durch einen Hackerangriff, muss auf eine Ausbilanzierung durch Smart Grid verzichtet werden.

6.2 Easy Smart Grid Technologie

Easy Smart Grid Technologie (Ausbilanzierung über die Netzfrequenz)

Im Gegensatz zu Smart Grid werden bei der Easy Smart Grid Technologie Stromerzeuger und Stromverbraucher über die Führungsgröße Netzfrequenz des Stromnetzes zu- und abgeschaltet. Aufgrund der Tatsache, dass bei einer zu hohen Einspeisung von Strom die Netzfrequenz steigt und bei einer zu geringen Stromeinspeisung die Netzfrequenz sinkt, erlaubt die Netzfrequenz sehr gut Stromerzeuger bzw. Stromverbraucher zu- und abzuschalten. Eine technische Herausforderung bei der Easy Smart Technologie ist aber die Entflechtung des heutigen Stromnetzes. Die Technologie setzt Netzinseln voraus. Der Grund ist, dass jede Netzinsel mit einer anderen Frequenz ausbilanziert wird. Aus technischer Sicht ist die Netztrennung in Netzinseln kein technisches Problem, sondern nur ein regulatorisches Problem.

7 Fazit

Die Frage, ob im 21. Jahrhundert ein Zeitalter des Erdöl wird oder des Stromes ist weniger eine Frage der Technik als eine Frage der geopolitischen Interessen. Im Gegensatz zu den geopolitischen Interessen der westlichen Staaten, die ein Interesse an der Fortschreibung des Erdölzeitalters haben, liegen die geopolitischen Interessen von Schwellenländern bzw. Entwicklungsländern, wie z. B. China, darin, dass Erdölzeitalter zu beenden. Aufgrund des internationalen Wissenaustausches über das Internet, muss man davon ausgehen, dass das 21. Jahrhundert des Zeitalter des Stromes sein wird.

Aufgrund der sehr geringen Wertschöpfung der BRD im Bereich der Erdölindustie sowie die Kosten die die BRD trägt, zur Aufrechtverhaltung des Erdölzeitalters, durch die NATO und dass die BRD eine Technologiemacht ist, kann es nicht im geoploitischen Interesse der BRD liegen, sich dem Stromzeitalter zu versperren. Der Grund ist, dass die Technologiemacht BRD die Technologien für des Stromzeitalters entwickelt hat bzw. noch entwickeln kann.

8 Literatur

9 Weblinks

10 Videos

11 Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 Spiegel Online: Atomenergie verliert weltweit an Bedeutung vom 6. Juli 2012
  2. Wikipedia: Globales Ölfördermaximum
  3. Laut Angaben der Firma Siemens, 2003 veröffentlicht auf der Seite http://www.weserstrom-genossenschaft.de
  4. IHS-Studie: Chinesische PV-Hersteller produzieren 22 Prozent günstiger als europäische[1] PV MAGAZINE, 19. APRIL 2016
  5. Modulpreise für Photovoltaik Anlagen[2] solaranlagen-portal. abgerufen am 26. Mai 2017
  6. Statistical Review of World Energy 2015. Website von BP
  7. Renewables 2016. Global Status Report
  8. Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz: Elektrische Energieversorgung: Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie für Studium und Praxis. 9. Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2013, Seite 43.
  9. Renewables 2013. Global Status Report (PDF; 6,9 MB)
  10. Die Batterie entscheidet[3] MDR, abgerufen am 26. Mai 2017
  11. Kostenfalle E-Mobilität: Keine Batterien vom „Leitanbieter“[4] Peter Trechow, VDI-Nachrichten, 24. April 2015
  12. Solar-Akku: Preise, Kosten und Wirtschaftlichkeit[5] solaranlagen-portal.de, abgerufen am 26. Mai 2017
  13. Konzept zum unlimitierten Ausbau von Windenergie in MV[6] Dr. Gerhard Heymel und Dipl.-Ing. Robert Brockmann, abgerufen am 26. Mai 2017
  14. Power-to-Compressed Air and Heat[7] Dr. Gerhard Heymel, Dipl.-Ing. Robert Brockmann, researchgate, abgerufen am 26. Mai 2017
  15. Vereinfachung, ist aber zulässig, um den Leser zu verdeutlichen, was eine zu hohe Einspeisung von Strom bedeutet.
  16. Wikipedia: Intelligentes Stromnetz [8] textliche Übernahme

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