Elektrische Energieversorgung 2

In Kap. 1 werden die Grundlagen und die Struktur der Energiewirtschaft dargelegt: Primärenergie, Endenergie, Energieträger, Reserven und Ressourcen, Potential und Nutzung erneuerbarer Energien).

Der Energiebedarf und die CO₂-Emissionen werden für alle Weltregionen und wichtigsten Länder veranschaulicht und die zukünftig wünschbare Entwicklung im Hinblick auf den Klimaschutz mit Hilfe der wichtigsten Indikatoren erörtert.

Planung und Betrieb energiewirtschaftlicher Anlagen erfordern umfangreiche Analysen technischer und wirtschaftlicher Art. Die Kosten der Energie werden mit Hilfe der Investitionsrechnung ermittelt. Ebenso werden einige Grundlagen der Strompreisgestaltung und Tarifierung gegeben. Für die Einbettung in die allgemeinen Grundlagen wirtschaftlichen Handelns bei Wettbewerb sei auch auf Kap. 3, Abschn. 3.​5–3.​8 verwiesen.

Die Abschn. 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 befassen sich mit der Entwicklung des Verbrauchs und dessen klassische Deckung mit hydraulischen (Kap. 4) und thermischen Kraftwerken (Kap. 5), die heute den weit größten Teil der Elektrizität liefern. Andere Methoden der Stromerzeugung werden in Teil III behandelt. Alle mit der Liberalisierung der Elektrizitätsversorgung zusammenhängenden Aspekte werden in den Abschn. 3.5 bis 3.8 eingehend erörtert.

Wasserkraft ist eine der wichtigsten Energiequellen zur Stromerzeugung. Sie ist ausserdem ökologisch einwandfrei (kein CO₂-Ausstoss), wenn der Anlagenbau (Flussstauwerke, Speicher) Natur und Siedlungen angemessen respektiert. Im Jahr 2012 betrug ihr Anteil an der weltweiten Elektrizitätsproduktion 16.5 %. Kapitel 4 gibt einen Überblick über Planung, Technik und Modellierung hydraulischer Kraftwerke.

Seit ca. 140 Jahren sind technische Verfahren bekannt, Wärme mitttels Arbeit von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau „hochzupumpen“. Die Kältemaschine verwendet diese Verfahren seit langem: sie entzieht dem zu kühlenden Objekt Wärme und pumpt diese auf eine leicht über der Umgebungstemperatur liegende Temperatur hoch. Analog dazu entzieht die Wärmepumpe der Umgebung Wärme und bringt sie auf eine für Heizungszwecke notwendige Temperatur.

Das Potenzial der Windenergie und die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Nutzung wurden bereits in Abschn. 1.​2.​3 kurz erörtert. In Kap. 7 werden die technischen und wirtschaftlichen Aspekte der Windenergienutzung näher behandelt.

In Kap. 8 werden die Grundlagen der Photovoltaik (photoelektrischer Effekt) und der Solarzellen (Struktur, Typen, Kennlinien, Wirkungsgrade) gegeben. Deren optimale Nutzung erfordert die Kenntnis der Strahlenintensität und somit die Berechnung der scheinbaren Sonnenbewegung relativ zur Erde. Ebenso wird auf die Probleme der Netzkopplung (Wechselrichter) eingegangen.

Mit Brennstoffzellen lassen sich Wasserstoff sowie Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzin, Methanol) oder Biogas elektrochemisch direkt in elektrische Energie umwandeln. Gegenüber Wärmekraftmaschinen, die den Umweg über die mechanische Energie nehmen, ergeben sich höhere Wirkungsgrade, und dies ohne rotierende Teile und entsprechende Lärmemissionen. Bereits für kleine Leistungen lassen sich Wirkungsgrade von 50–60 % erreichen, was mit konventioneller Technik nur mit Kombianlagen im 10–100 MW-Bereich möglich ist. Die Umweltbelastung bei Verwendung von Erdgas ist wegen des höheren Wirkungsgrads und der andersartigen Verbrennung (kein Ruß, keine Stickoxide, keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe) geringer als bei konventionellen thermischen Kraftwerken. Die CO₂-Emissionen können durch Erhöhung des Wasserstoffanteils weiter reduziert werden.

Wiederaufladbare Batterien oder auch Akkumulatoren werden derzeit für vielfältige Einsatzgebiete entwickelt bzw. für verschiedenartige Anforderungen optimiert. Grosse Entwicklungsschritte sind dabei bei den Lithium-Ionen Batterien sichtbar. Je nach Elektrodentyp lassen sich heute mit lithiumbasierten Batterien die höchsten gravimetrischen Energiedichten bei hoher Langzeitstabilität erzielen. Da zudem die Preise für Lithium-Ionen Batterien sinken, werden diese wohl in Zukunft eine dominierende Rolle bei mobilen netzunabhängigen Energieanwendungen spielen.

Seit den fünfziger Jahren werden Forschungsanstrengungen unternommen, durch kontrollierte Verschmelzung von Wasserstoffkernenzu Helium Energie zu gewinnen. Obwohl große Fortschritte erzielt worden sind, ist die technische Realisierung noch in weiter Ferne, weshalb die wirtschaftliche Tragbarkeit der Kernfusion heute schwer zu beurteilen ist. Die internationale Gemeinschaft versucht dennoch, die Option Fusion für die Zukunft offen zu halten. Deren Bedeutung in Zusammenhang mit der in Kap. 1 dargelegten Klimaproblematik ist offensichtlich. Zusammen mit der Solarstrahlung ist die Kernfusion langfristig die einzige Energiequelle mit praktisch unbegrenztem Potenzial. Es ist jedoch kaum damit zu rechnen, dass vor Mitte des 21. Jh. die Fusion eine für die Energiewirtschaft nennenswerte Rolle spielen wird.