Elektrischer Strom (eBook)

Herbert Niederhausen absolvierte zwei Vollstudiengänge in den Ingenieurwissenschaften: Elektrische Energietechnik, Allgemeine Elektrotechnik/Mess-, Steuer- und Regelungstechnik. Tätigkeit als Diplomingenieur in der industriellen Forschung und Entwicklung und in der Inbetriebsetzung im Fachbereich Leittechnik bei Groß- und Industriekraftwerksneubau.Andreas Burkert studierte Elektrotechnik mit Schwerpunkt Hochfrequenztechnik. Tätigkeit als Diplomingenieur in der Kabelforschung bei Siemens. Heute arbeitet er als Journalist und Fachautor.

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
Teil I Vorbetrachtungen 18
Teil II Themen 24
1 Was ist Energie? 25
1.1 Energie – Das Phänomen 28
1.2 Energie – Alles in Ordnung? 29
1.3 Temperatur ist keine Wärme 32
2 Elektroenergie 33
2.1 Elektroenergiesysteme 33
2.1.1 Struktur der Drehstromnetze 34
2.1.2 Das elektrische Verbundsystem 38
2.2 Transport und Übertragung elektrischer Energie 40
2.2.1 Hochspannungs-Drehstromübertragung 40
2.2.2 Freileitungen versus Erdkabel 41
2.2.3 Hochspannungs-Gleichstromübertragung 54
2.2.4 Blindleistungskompensation 63
2.2.5 Versorgungszuverlässigkeit, -Sicherheit und Verfügbarkeit 68
2.2.6 Technische Sicherheit der Kernkraftwerke in Deutschland 106
2.2.7 Versorgungssicherheit mit Kernbrennstoffen 118
2.2.8 100 % Strom aus „Erneuerbaren“ – Vision oder Fiktion? 125
3 Stromeinspeisung 133
3.1 Alles vernetzt 133
3.2 Smart Grid, Smart Meter, Smart Home und virtuelles Kraftwerk 138
3.2.1 Definition des Begriffs „Smart Grid“ 138
3.3 Hierarchie der Smarten 141
3.3.1 Supersmart Grid 141
3.3.2 Supergrid 143
3.3.3 Smart Grid 144
3.3.4 Smart Meter und Smart Home 144
3.3.5 Smart Grain 149
3.3.6 Virtuelles Kraftwerk 150
3.3.7 Hybridkraftwerk 151
3.3.8 Smarts und Virtuelle 153
3.3.9 Digitalsignalzeitalter und Datenmenge 156
3.4 Erneuerbare: Gibt es einen Plan B für die Versorgungssicherheit? 156
4 Energiespeicherung 159
4.1 Pumpspeicherkraftwerke 159
4.1.1 Strom von der Sohle, Strom vom Turm 163
4.1.2 Strom von der Halde 164
4.1.3 Strom von der Kante 164
4.1.4 Strom von der Wasserstraße 164
4.1.5 Strom aus dem Pool 165
4.1.6 Strom vom Poller 168
4.1.7 Strom vom Pressluftballon 169
4.1.8 Strom vom Dampfspeicher 170
4.2 Kosten der Speicherung 170
4.3 Derzeit technische Möglichkeiten der Elektro-Energiespeicherung 172
4.3.1 Die chemischen Elemente 173
4.3.2 Etwas zur Speicherkapazität 176
4.3.3 Redox-Flow-Akku 177
4.3.4 Doppelschichtkondensator 178
5 Elektromobilität 179
5.1 Ladekonzepte 180
5.2 Oberleitung über der Autobahn 181
5.3 Kleiner Rückblick in die Historie der E-Mobilität 182
5.4 Lithium-Ionen-Akku – Spannnung aus Salzen 185
5.4.1 Polymerer Zinn-Schwefel-Lithiumionen-Akku 187
5.4.2 Lithium-Luft-Akku 187
5.5 H2-Speicherung und mehr 187
5.6 Schlaglöcher – Die induzierenden Energiequellen 189
6 Szenarien und Prognosen für unsere Elektro-Energieversorgung 190
6.1 Szenarien im EU-Energiefahrplan 2050 191
6.2 Die ethische Komponente des „Atomausstiegs“ 192
7 Nachhaltigkeit der elektrischen Energieversorgung 196
7.1 Perspektiven der Solar- und Windenergie für eine nachhaltige Energieversorgungin Deutschland 196
7.1.1 Anforderungen an nachhaltige Energiesysteme 196
7.1.2 Nachhaltigkeit verschiedener Stromerzeugungssysteme 198
7.2 Kumulierter Energieaufwand 199
7.2.1 Materialaufwand 200
7.2.2 Kumulierte Emissionen 201
7.3 Gesundheitsrisiken 202
7.4 Gesamtwirtschaftliche Kosten 203
8 Daseinsvorsorge im Dilemma 206
8.1 Arbeitsplätze – Das Totschlagargument 209
8.2 Statistikeffekt: Energieeffizienzziel erreicht 212
9 Die CO2- bzw. Klimaneutralität für die Atmosphäre 213
9.1 Diskriminierung passée 219
9.2 Die Klimakontroverse 221
9.2.1 %, ‰, ppm, ppb, ppt und CO2-Gehalt im Vergleich 223
9.3 Kein Recht auf billige Energie 225
9.4 Wetterrekorde und Klimawandel 225
10 Die Bürde der Kohle – oder … ? 227
10.1 Das Kreuz mit den CO2-Emissionen 227
10.2 „Schmutziger“ Strom – Heiß begehrt 228
10.3 Ein Kreuz mit der Kohle – …? Oder? 229
10.4 Inkohlung 231
10.5 Kunststoff aus CO2? 232
11 Die alten „Erneuerbaren“ 233
11.1 Wasserkraftwerke 233
11.1.1 Wasserkraft, die Rauschende 233
11.1.2 Wasserkraftwerke im Öko-Blickpunkt 236
11.2 Energie aus Fließwasser 237
11.2.1 Laufwasserkraftwerke 237
11.2.2 Flusswasser-Kraftwerk alias Schiffmühle 238
11.2.3 Senkkasten-Kraftwerk 240
11.2.4 Drallströmungs-Wasserrad 241
11.3 Turbinenbauarten – Kleine Typenkunde 242
11.3.1 Kaplanturbine 242
11.3.2 Francisturbine 242
11.3.3 Peltonturbine 243
11.3.4 Ossberger-Turbine 244
11.3.5 Cink-Banki-Turbine 244
11.3.6 Dériaz-Turbine 244
11.3.7 Turgo-Turbine 245
12 Die neuen „Erneuerbaren“ 246
12.1 Energie aus Unterwasser-Strömung 246
12.1.1 Energie aus gleichbleibender Strömungsrichtung –Strom aus der Strömung 246
12.1.2 Energie aus reversierender Strömung 248
12.1.3 Energie aus Wasserwellen 252
12.2 Solarenergieanlagen: Solarkraft, die Elektrisierende 270
12.2.1 Photovoltaikanlagen: Alternativ, additiv, subtraktiv? 270
12.3 Sonnenstrom aus der Wüste 300
12.3.1 DESERTEC? – War was? 307
12.3.2 DESERTEC? – Ist doch was? 309
12.3.3 Desert Power 2050 310
12.4 Die Nutzung des Windes 313
12.4.1 Evolution 313
12.4.2 Energie und Leistung im Wind 316
12.4.3 Effizienz einer Windenergieanlage 319
12.4.4 Energiegenerierung 323
12.4.5 Rechnerische Abschätzung des Energieertrages 323
12.4.6 Energie weggeblasen 325
12.4.7 Von Growian zu Berwian 331
12.4.8 Aus Verlust zu Gewinn durch Faktor 10 – Gewinn aus Verlust 332
12.4.9 Aufwindkraftwerke – Strom aus dem Kamin 332
12.4.10 Fallwindkraftwerke – Strom fällt vom Himmel 334
12.4.11 Fliegende Kraftwerke –Strom durch Drachen,Strom vom Aeroplane 336
12.5 Windenergieanlagen (WEA) – Daten, Fakten 2011 338
12.5.1 Statistik 338
12.5.2 Windenergieanlagen (WEA) – Daten, Fakten 2012 352
12.5.3 Die externen Kosten, Vermeidungsgrenzkosten,Grenzschadenskosten 352
12.5.4 Subventionierungplus 353
12.5.5 „Windstrom“ ist weniger wertvoll 355
12.5.6 Umweltschutz, Ressourcenschutz 357
12.5.7 Hölzerne Riesen 359
12.5.8 Recycling der Rotorblätter 359
12.5.9 Onshore-Windenergieanlage (WEA) versus Braunkohlekraftwerk (BKW) – Eine vergleichende Betrachtung 360
12.5.10 Offshore-Windenergieanlage (WEA) versus Braunkohlekraftwerk (BKW) – Eine vergleichende Betrachtung 361
12.5.11 WEA: Materialmasse, Investitions- und Rückbaukosten,Erntefaktor 363
12.5.12 Energetische Amortisation auf der Basis des BIP 365
12.5.13 Exkurs: Offshore-Windpark 367
12.5.14 Leistungskredit der WE-Anlagen 382
12.5.15 Seltene Erden – Seltenerdmetalle 383
12.5.16 Neodym – Aus der Tiefe in die Höhe 386
12.6 Der Paradigmenwechsel – Von der Windenergieanlagehin zum Windenergie-Kraftwerk 389
12.6.1 Das Getriebeproblem 396
12.6.2 Zweiblattrotoren im Windenergieanlagen-Bouquet 405
12.6.3 Einblattrotoren – Die Minimalisten 406
12.7 Geothermie-Kraftwerke 407
12.7.1 Erdwärme – hydrothermal und petrothermal erschlossen 407
12.7.2 Erdwärme und Rankine-Prozess 409
12.7.3 Erdwärme und Kalina-Prozess 410
12.7.4 Kraft-Wärme-Kopplung 412
12.7.5 Kraft-Wärme-, Wärme-Kraft-Kopplung und Dampfexpansionsmotor 413
12.8 Biomasse-Kraftwerke 416
12.8.1 Biomasse 416
12.8.2 Die CO2-Neutralität der Biomasse – Eine zeitgemäße schöne Mär 418
12.8.3 Strom mit virtuellem Wasser – Betrachtungen zu Biomasseund Biomüll 420
13 Die Etablierten 424
13.1 Kohlekraftwerke 424
13.1.1 Kraftwerk mit Kohleverbrennung 424
13.1.2 Kohlevergasung statt Kohleverbrennung 427
13.1.3 CO2-Abtrennung und -Sequestrierung 429
13.2 Gaskraftwerke 436
13.3 GuD-Kraftwerke 437
14 Auf Bewährung 442
14.1 Brennstoffzelle – Der Edelstein 442
14.2 Brennstoffzellen-Typen 444
14.3 Etwas zur Historie der Brennstoffzelle 446
14.4 Die Brennstoffzellen in Gegenwart und Zukunft 446
14.4.1 Gut Ding will Weile haben 447
14.5 Stirling-Motor 448
15 Nuklearkraftwerke 450
15.1 KKW-Generationen und Technologieentwicklungen 450
15.1.1 Globale Brückentechnologie 452
15.1.2 Technisch fortschrittliche Nuklearkraftwerkstechnologien 453
15.1.3 Zukunft der Kernkraftwerke 460
15.1.4 Lange Restlaufzeit nach dem Ausstieg 465
15.2 Leichtwasserreaktoren 469
15.2.1 Spalten, solange die Kette hält 469
15.2.2 Naturreaktor von Oklo 470
15.2.3 Die Kernspaltung 471
15.2.4 Die natürliche Kontrolle: Der Moderator Wasser 472
15.2.5 Die technische Kontrolle: Leistungsregelung beim SWR 472
15.3 Uran – Der Kernspaltstoff 474
15.3.1 Urangestehung 474
15.3.2 Anreicherung von Uran-235 474
15.3.3 Herstellung von Brennelementen 475
15.3.4 Stoffflusskette 475
15.4 Betrachtungen zu Energiegehalten 477
15.4.1 Nachwärme 478
15.5 Transmutationsreaktor 479
15.5.1 Transmutation 479
15.6 Partitionierung 482
15.6.1 Kernspaltung ohne selbsterhaltende Kettenreaktion – Der Einstieg 483
15.7 Spallation 484
15.7.1 Funktionsprinzip der Spallation 485
15.8 Fusionsreaktoren 485
15.8.1 ITER 488
15.8.2 Stellarator 490
15.8.3 Kernfusion im Reaktor im Zeitraffer 491
15.9 Brennstoffbedarf eines 1.000-MW-Kraftwerks pro Jahr 492
16 Radioaktivität 493
16.1 Alles kommt raus 493
16.1.1 Die Dosis macht's 495
16.2 Radiologie 497
16.2.1 Die verunsichernde Vielfalt 497
16.2.2 Zur Begrifflichkeit DOSIS 497
16.2.3 q-FAKTOR 499
16.2.4 Ionisierende Strahlung – Becquerel und Verwandtschaft 499
16.3 Unser Leben mit der Radioaktivität 500
16.4 Strahlen-Exposition 504
16.5 Radioaktiver Zerfall, Zerfallskonstante, Halbwertszeit 505
17 Entsorgungssicherheit – Lagerung von radioaktiven Produkten 509
17.1 Konditionierung 513
17.2 Nukleares Recycling 514
17.3 CASTOREN und ihr Innenleben 516
17.4 Spezialisten für alle Fälle 517
17.5 „Endlagerung“ in Salz, Granit oder Ton? 518
17.5.1 Schaufensterpolitik 521
17.5.2 „Endlagerung“ im Salz 522
17.6 „Endlager“? Unnötig! 526
18 Erdbeben – eine Abschätzung der seismischen Energie 527
19 Die „Energiewende“ – fünf Betrachtungen 530
20 Nachhaltige Energiewirtschaft 549
20.1 Stromwirtschaft versus Wasserstoffwirtschaft 549
20.2 Wasserstoffwirtschaft versus Stromwirtschaft 550
20.3 Echt und unecht in der Gegenüberstellung 552
20.4 Die Energie-Effizienzen im Vergleich 552
20.5 Wende? – Woran hapert's? 553
20.6 Ausblick 554
21 Energetische Autarkie 555
21.1 Wirkungsgrad, Erntefaktor, Nutzengrad 555
21.2 Windenergieanlage (WEA) versus Kernkraftwerk (KKW) 556
Teil III Nachbetrachtung 558
Teil IV Anhang 562
A1 Physikalische Größen 563
A2 Umrechnungstabelle einiger Energie-Maßeinheiten 565
A3 Griechisches Alphabet 566
A4 Zehnerpotenzen und Vorsatzsilben 567
A5 Energieformen 568
A6 Die Axiome der Thermodynamik 571
A7 Konversionstabelle (basierend auf IEA-Umrechnungsfaktoren) 577
A8 Konversionsfaktoren in der Gaswirtschaft 577
A9 Eigenschaften gasförmiger Energieträger 578
A10 Kraftstoffe für Fahrzeuge 578
A11 Kennwerte flüssiger Kraftstoffe 580
A12 Standard-Umrechnungsfaktoren für Rohöl 580
A13 Eigenschaften von Erdöl und Erdölprodukten 581
A14 Eigenschaften von Festbrennstoffen 581
A15 Heizwerte der Brennstoffe für die Wärmeerzeugung undStromgestehung in Kraftwerken 582
A16 Spezifische CO2-Emissionen der Stromgestehung 583
A17 CO2-Äquivalent 583
A18 SO2-Äquivalent 587
A19 Radioaktivität von 100 Tonnen Reaktorbrennstoff 588
A20 FAME (Fatty Acid Methyl Ester)/Biodiesel 589
A21 Energiebereitstellung aus Biomasse 590
A22 Luftüberschusszahl (Luftüberschuss) 592
A23 Alles Bio, Öko sowie auch klima- und CO2-neutral? 595
A24 Windenergieanlage (WEA): Energie-, Leistung oder Strom? 595
A25 WEA: Anström-Windgeschwindigkeit (v) und Windleistung (PW) 601
A26 Windleistung (PW)max und Rotorleistung (PR)theor bzw.Betriebsleistung (PB)real einer 2,3-MW-WEA 602
A27 Eisbildungs- bzw. Eisablagerungsbedingungen an einer WEA 603
A28 Können Eissensoren eine WEA-Rotorblattvereisung detektieren? 606
A29 Eiswurf von Windenergieanlagen (WEA) 609
A30 Mathematische Formulierung der WEA-Eiswurfweite 612
A31 WEA-Rotorblatt(teil)abriss 616
A32 WEA: Umgekippt 617
A33 Windenergieanlagen suchen Nähe 618
A34 Windenergieanlagen-(WEA-)Abstand 619
A35 Schalldruckpegel 622
A36 Wasserstoff und Methan im Datenvergleich 624
A37 Eis: Wärmespender und -speicher 624
Teil V Erläuterungen 628
Zu Kapitel 1: Was ist Energie? 629
Zu Kapitel 2: Elektroenergie 637
Zu Kapitel 3: Stromeinspeisung 661
Zu Kapitel 4: Energiespeicherung 664
Zu Kapitel 12: Die neuen „Erneuerbaren“ 673
Zu Kapitel 19: Die „Energiewende“ – fünf Betrachtungen 689
Begriffserklärungen 746
Verwendetes Schrifttum 752
Literaturhinweise 760
Sachwortverzeichnis 762
Personenverzeichnis 782