…die Wende zum Guten?

Nicht nur aus Hobby Gründen habe ich mich in den letzten zwei Jahren mit diesem Buch beschäftigt:

von Dr. Bernd Michael Bucholz und Professor Zbigniew Styczynski. Das Buch ist sehr gut richtet sich aber im Stil und Inhalt an Experten. Die Definition des Begriffs Smart Grid macht aber auch nicht Energieexperten die große Aufgabe deutlich vor der wir stehen:

Ein Smart Grid ist ein elektrisches Netz, das die Aktionen aller seiner Nutzer – Erzeuger, Verbraucher und Speicher – intelligent integriert,  um die effiziente, nachhaltige, wirtschaftliche und sichere Energieversorgung zu gewährleisten.

Die Hauptkomponenten eines Stromnetzes, ob intelligent oder nicht, bleiben:

• die Stromquellen
• die Hochspannungsübertragungsnetze 250kV bis 65kV
• Die lokalen Verteilnetze im Spannungsbereich 65KV bis 220V
• und last not least der Stromverbraucher (sorry -verbraucher*in). Wobei man mal ganz grob die Verbraucher in private Haushalte, Industrie und Diensleistungsgewerbe aufteilen kann.

Das sah dann ungefähr so bis zum Ende der 90ziger des letzen Jahrhunderts so aus:

Dass wir auf den Tripp der Elektroenergieversorgung kamen, haben wir sehr stark einem Engländer, Michael Faraday, und dem Schotten James Clerk Maxwell zu verdanken. Faraday entdeckte bzw. entwarf die Grundkonzepte des Elektromagnetismus. Er war der Elon Musk des 19. Jahrhunderts nur nicht so durchgeknallt wie dieser. Auf die Frage des britischen Premiers, was man denn mit diesem Elektromagnetismus anfangen könne, antwortete er weitblickend: “Das wisse er auch nicht aber er sei sicher, dass er (der Premier) mal sehr viel Steuern darauf erheben werden könne.” Er sollte recht behalten.

Ende des 19. Anfang des 20. Jahrhunderts enstanden die ersten Produkte aus Farradays Erkenntnissen: Der elektrische Wechselstrom- bzw. Spannungsgenerator. Durch Rotation eines permanent Magneten in einer metallischen Spulenleiteranordnung erzeugt das rotierende magnetische Wechselfeld ein zeitlich versetztes elektrisches Wechselfeld. Dazu konnte man das Know How aus der Entwicklung der Dampfmaschinen bestens nutzen, die den permament Magneten durch ein Getriebe in Rotation brachten. Man experimentierte zunächst mit einer Frequenz von 20-30Hz. Das gefiel einem Walter Edison aber gar nicht denn bei dieser Frequenz flackerte seine neueste Erfindung: “Die Glühlampe” und so einigte man sich auf 50Hz. Bei dieser Frequenz bekommt kein menschliches Auge den Nulldurchgang der Sinuswelle mit.  Dass das elektrische Licht der erste Mega Anwendungsfall des elektrischen Netzes werden würde, da war man sich sicher und das weitere folgen würde, war auch deutlich abzusehen. So verschwanden die Gaslichter immer mehr in den Städten nur die Düsseldorfer Jonges wehren sich bis heute dagegen (https://rp-online.de/nrw/staedte/duesseldorf/stadtrat-duesseldorf-gruenes-licht-fuer-gaslaternen_aid-50421349).

Von nun an sollten die 50Hz den Pulsschlag der Menschheit bestimmen. Dieser pathetische Satz ist durchaus wörtlich zu nehmen. Die Netzfrequenz darf nur in einem Bereich von:

+/- 200 milli Hz

schwanken. Schwankt die Netzfrequenz darüber hinaus droht Ungemach. Aber warum schwankt die Netzfrequenz überhaupt, kann man die Generatoren nicht ausreichend auf diese Drehfrequenz regeln? Doch das kann man aber die Änderung der Netzfrequenz wird durch Energieschwankungen im Netz im Zusammenspiel zwischen Erzeuger und Verbraucher verursacht. Man kann das sehr gut mit dem Fahrradfahren vergleichen. Will man eine konstante Geschwindigkeit auf einer ebenen Fläche erreichen, muss man eine kontinuierliche Kraft und damit Energie auf die Pedalen einwirken lassen. Wenn dann Gegenwind kommt und man trotzdem die gleiche Geschwindigkeit halten will, dann muss man mehr Energie aufwenden und umgekehrt bei Rückenwind muss mit weniger Kraft in die Pedale getreten werden. So ergeht es auch dem Generator, er “spürt“, dass ihm Energie entzogen wird, dass also Gegenwind herrscht und dementsprechend nimmt seine Drehfrequenz ab. Dabei hilft die Physik dem Generator ungemein seine Drefrequenz zu erhalten durch den Drehimpulserhaltungssatz. Aber ab einer gewissen Entnahme der Energie aus dem Netz, das Netz selber kann keine Energie speichern, nimmt die Rotationsfrequenz ab bzw. sie steigt, wenn zuviel Energie in das Netz “gepumpt” wird, weil gar nicht genug Energienachfrage da ist. Woher weiß nun ein Generator, ob Gegenwind oder Fahrtwind ihm “droht“? Es ist die Statistik, die ihm das sagt. Ein jeder größerer Energieerzeuger weiß auf jede Viertelstunde des Jahres schon im voraus genau, was er an Energie zu liefern hat. Der Mensch ist halt ein Gewohnheitstier und das kommt den Energieversorgern sehr zu gute. Prinzipiell könnten auch höheren Frequenzschwankungen verkraftet werden, wenn es nur einen Generator und einen Verbraucher gäbe aber das ist natürlich nicht der Fall. So kann ein Auseinanderlaufen der Netzfrequenz zwischen verschiedenen Erzeuger und Verbraucher sich zu Überspannungen und Kurzschlussströmen aufschaukeln, die im schlimmsten Fall einen Blackout einläuten können. Damit das eben nicht passiert muss man dem Stromnetz geeignet eine Regelleistung zufügen, so dass der Generator kräftiger und leichter in die Pedalen tritt. Üblicherweise benutzt man dazu Gaskraftwerke, weil sie schnell in der Leistung hoch und runter gefahren werden können. Doch Gas ist dieses Jahr ganz schlecht und so müssen leider wieder mehr Kohlekraftwerke ans Netz. Übrigens Kernkraftwerke eignen sich zur Steuerung von schnell schwankender Regelleistung ganz schlecht.

Sehr sachlich aber auch mit einer prise “Spannung” erzählt das folgende Video der “illwerke vkw” aus Bregenz am Bodensee die Geschichte um den Pulsschlag 50Hz unserer Gesellschaft.

Nun könnte man meinen, ok, das ist eine etablierte Technik, die letzlich schon seit 100 Jahren existiert, ist das ganze noch erwähnenswert?

Nun zum einen, fossile Rohstoffe sind endlich bzw. man muss schon sehr lange warten bis sie sich erneut bilden. Wer näheres dazu wissen will, sollte mal unter dem Stichtwort das Zeitalter des Carbonium nachschauen. Doch wir verhalten uns eher wie eine süchtige Partygesellschaft, die den Ausgang der Party nicht findet und denkt, sollen doch zukünftige Generationen einfach wieder 100 Millionen Jahre warten bis Kohl, Öl und Gas wieder da sind. Aber durch den Klimawandel haben wir uns noch eine ganz besondere Problematiik eingehandelt von der ich schon oft geschrieben habe. Besonders von Wüsten umgebene Gebiete wir der Irak und Iran, die das einst fruchtbare Zweistromland mit Euphrat und Tigris bildeten, sind dem Untergang geweiht. Dass dies keine übertriebene Prognose ist, zeigt der unten gespeicherte Bericht vom ZDF Auslandsjournal, ausgestrahlt am 09.11.2022.

Tja und jetzt ist guter Rat im wahrsten Sinne des Wortes teuer. Die Lösung heißt regenerative Energien, die uns zurückbringen zu unserem Ursprung unserem Zentralgestirn: “Die Sonne”. Das ist nicht ganz richtig denn die Erde ist, wie die anderen Planeten des Sonnensystems und die Sonne selber, Ergebnis einer Super Nova eines erloschenen Sternes. Am Ende eines Sonnenlebenszyklus, wenn nicht mehr genug Wasserstoff zu Helium fusioniert werden kann, bricht eine Sonne unter Ihrem Eigengewicht zusammen, dabei entstehen dermassen hohe Drücke, dass eben nicht nur Helium sondern auch Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, eben die über 100 Elemente des Periodensystems erzeugt werden (um uns später damit in der Schule zu quälen), die im Finale der Super Nova in den interstellaren Raum geschossen werden. Das passiert aber mit unserer Sonne erst in fünf Milliarden Jahren. Die Menschheit hat also genug Zeit bis dahin Raumschiff Enterprise zu bauen, sollte aber jetzt sich schleunigs um die Energiewende kümmern als da wären:

• Solarthermie (nicht geeignet für Deutschland aber z.B. Afrika), Quelle: die Sonne
• Photovoltaik (Quelle: die Sonne)
• Windkraft (Quelle: die Sonne denn Winde entstehen durch die Thermik der Sonne)
• Wasserkraft (Quelle: Das Wasser zwischen Höhen und Tiefen)
• Geothermie (Quelle: Die Vorgänger Sonne (siehe oben))

Es gibt also Alternativen zu den fossilen Brennstoffen aber sie haben mindestens zwei Nachteile:

• Die regenerativen Energiequellen brauchen viel mehr Platz, da sie über große Flächen die Sonnenergie einfangen müssen. Bei Kohle, Gas und Öl hat über mehrer Millionen Jahre die Natur “für uns“, die in den abgestorbenen Pflanzen enthaltene Energie, die übrigens auch von der Sonne kam, zusammengepresst, gefaltet und wieder zusammengepresst, so dass wir sie seit 1775 munter wieder zu CO₂ auseinanderbröseln mit den oben geschilderten Auswirkungen. Der Vorteil eine hochkonzentierte Energiequelle auszunutzen hat sich leider ins Gegenteil verkehrt und daher müssen wir großflächig im Gegensatz zu bisher Energie einsammeln.
• Regenerative Energiequellen liefern nicht so konstant Energie, wie man es mit fossilen Kraftwerken und AKWs (wenn sie denn laufen) kennt.

Trotzdem sind die regenerative Energiequellen derzeit und damit meine ich einen Zeitabschnitt für die nächsten mindestens 20 Jahren unsere Hoffnung dem Klimawandel etwas entgegen zu setzen. Sie haben aber noch andere Vorteile als “nur” umweltfreundlich zu sein. Sie ermöglichen rohstoffarmen Ländern, wie Deutschland z.B., an eigene Energiequellen zu kommen. Sie können demokratischer verteilt werden, denn Windräder müssen nicht von riesigen Konzernen administriert werden, schon kleine Gemeinden können sich sie anschaffen und damit Geld in die Gemeindekasse wehen. Dass private Hausdächer von privat Leuten betrieben werden, ist selbstredend.

Doch ich erwähnte oben die Regelenergie, die in einem von regenerativen Energiequellen dominierten System noch stärker gebraucht wird als schon jetzt. Das ist zwar richtig, kann aber minimiert werden, wenn wir genügend Speicher aufbauen, von denen es derzeit leider viel zu wenige gibt. Das hat leider auch die Politik zu verantworten, die Speicher-Energie doppelt besteuert, einmal beim Einspeichern und dann wieder bei der Abgabe. So eine Steuerpolitik liefert wenig Anreize Speichersysteme für elektrische Energie aufzubauen.

Außerdem sollten wir lernen wieder mit der Sonne und ihren Rythmen zu leben. In der angedachten Zukunft der Energiewende Strategen, wird es keinen fixen kWh Preis pro Periode geben sondern einen während des Tages ständig schwankenden Strompreis und über IOT (Internet of Things) systeme werden Waschmaschinen genau dann Anspringen, wenn die Sonne scheint und der Wind bläst, weil dann wird der Strom billig sein wird. Allerdings muss man die Wäsche noch rechtzeitig selber in die Maschine legen, man sollte nur nicht erwarten, dass die Maschine gleich loslegt. Das ist alles kein Sience Fiction und sogar heute schon leicht machbar aber ich sehe schon die Diskussionen zwischen Mann und Frau, warum die Wäsche nicht gewaschen wurde.

Was da alles möglich ist mit der Energiewende, zeigt das folgende Video vom Youtube Dr. Watson Kanal. Den Kanal kann ich wirklich empfehlen, die Macher haben sich auf die Fahnen geschrieben die Energiewende und Umweltschutz nach vorne zu bringen und das wirklich mit einer unglaublichen Power.

Zum Schluss noch ein kleines Elektro-Technik Rätsel von mir:

Wir bekommen in unseren Haushalten bekanntlich Wechselstrom geliefert. Dieser wird durch eine Sinuskurve beschrieben:

In der oberen Halbwelle fließt der Strom vom Kraftwerk zum Verbraucher aber in der unteren Halbwelle fließt er gleich wieder zurück:

Wechselstrom ändert ständig seine Richtung zwischen Generator und Verbraucher. Wie kommt der elektrische Strom dann bei uns Verbrauchern letztlich an, er müsste doch in der Leitung stecken bleiben?