Energiesysteme: Energie muss vor allem Eines: verfügbar sein

Neben Materie und Ratio war das Vorhandensein von Energie maßgeblich dafür, dass die Entwicklung der Menschheit in der uns bekannten Form Gestalt annehmen konnte. Vom ersten Moment an muss es wohl so gewesen sein, dass jeder Organismus sich frei verfügbare Energie zu Eigen machen konnte.
Es scheint, als ob Energie ursprünglich nicht zwingend ein privates Gut war. Da wir bis auf den heutigen Tag keine Kenntnis darüber haben, ob Energie-nutzende Organismen ihren „Energie-Wirten“ einen entsprechenden Preis entrichtet haben, gehen wir der Einfachheit wegen, zumindest für den Moment, von der Annahme aus: Energie war frei verfügbar.

Betrachtet man die Stufen der Energiekonversion, entlang ihrer logischen, organischen und technischen Notwendigkeit darf man davon ausgehen, dass die Urformen aller auf der Erde verfügbaren Energie nicht private Güter sind. Noch deutlicher wird es am Photovoltaik-Vergleich: wer sollte uns mit einer Gebühr belegen können, wenn wir auf unserem Grundstück lediglich Sonnenlicht nutzen, um daraus Strom zu erzeugen? Mit Kosten verbunden ist lediglich die Anschaffung von Photovoltaikanlagen. Unfassbar hohe Kosten fallen darüber hinaus an zur Energie-Pufferung an, wie etwa für Zeiten wenn das Sonnenlicht ausbleibt.

Der Wirkungsgrad muss sich verbessern: exorbitant!
Weil erforderliche Technologien zur ausschließlichen Versorgung von durch Sonnenlicht nicht zu erschwinglichen Kosten verfügbar sind, nutzen wir deshalb nach wie vor Strom aus Erzeugung in konventionellen Kraftwerken. Die Wirkungsgrade solcher Kraftwerke sind eigentlich unzumutbar. Auf ihrem Weg zum Einspeisepunkt gehen ca. 60 % der in Rohstoffen gebundenen Energie im Produktionsprozess verloren. Das liegt auch an den unzähligen Transformationsstufen, die zur Erzeugung elektrischer Energie erforderlich sind. Jede Energieumwandlung geht einher mit Energieverlusten, die auch den Wirkungsgrad erheblich reduzieren.

Die „Energietreppe“ illustriert die, in einem konventionellen Kohlekraftwerk bekannten Energie-Transformationsstufen.

Energietreppe: Exemplarisch für ein Kohlekraftwerk
Energietreppe: Exemplarisch für ein Kohlekraftwerk

Aus diesem hinlänglich bekannten Missstand stelle ich folgende Hypothese auf: Es ist möglich, durch Reduzierung der Transformationsstufen in der Stromerzeugung, den Wirkungsgrad aller Kraftwerkstypen nach dem Wärme-Kraft-Prinzip, auf 90% zu erhöhen. Dies begründe ich mit der Eliminierung überflüssiger Transformationsstufen.

Der energetische Break Even im Konversionsprozess
Demnach ist die Zielsetzung, elektrische Energie mit einer minimalen Anzahl an Transformationsstufen, aus einer bestimmten Ausgangs-Energieform zu erzeugen.
Der nachstehende Energiekonversionsprozess unterscheidet sich von der photovoltaischen Energiekonversion aufgrund der erforderlichen Energieform. Bei der Photovoltaiktechnik wird Lichtenergie elektrochemisch umgewandelt in elektrische Energie. Im nachstehenden Energiekonversionsprozess wird hingegen thermische Energie benötigt. Dabei ist es unerheblich, ob diese durch Strahlung oder Konvektion in den Prozess eingebracht wird.

Optimierte Energieumwandlung durch THE•1®
Energietreppe: Exemplarisch für THE•1® (THE•1 GmbH)

Die skizzierte Energietreppe ist keine Fiktion. Die obige Energietreppe wurde bereits umgesetzt in einem Prototypen, THE•1® (www.the-1-source.com).
Bereits im vorliegenden Labormodell liefert die Innovation bei Raumtemperatur dauerhaft ausreichend Strom um kleine Verbraucher dauerhaft mit elektrischer Energie zu versorgen. Im Vergleich zum Seebeck Effekt (ca. 1mW/cm² nach über 20-jähriger Entwicklungszeit!), der eine Temperaturdifferenz von ca. 100 Kelvin benötigt, kann die Innovation von THE•1 GmbH nach ersten Versuchen (ca. 0,5mW/cm² ) eine beachtliche Leistung vorweisen, und das ohne ein erforderliches Temperaturgefälle. Die thermische Energie wird dabei vollständig in elektrische Energie umgewandelt. Die Leistung steigt dabei linear mit der verfügbaren thermischen Energie.

Aufgrund der gesicherten Verfügbarkeit von Wärme in niedrigen Temperaturbändern, reüssiere ich die Suche nach der Antwort, auf meine eingangs formulierte Forderung „Energie muss vor allem Eines: verfügbar sein“. Die Antwort lautet: Wärme-zu-Strom, mit THE•1® aus dem Hause THE•1 GmbH.


Dipl. Wirt.-Ing. (FH) Ibrahim Bani, im August 2012
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E-Mobility: Was wirklich zählt

Die Elektromobilität steht vor einer Herausforderung. Die Ladekapazität und -Effizienz von verfügbaren Batterien in Relation zu deren Reichweite beim Einsatz in Elektrofahrzeugen hat den Schwellenwert zur Rentabilität noch nicht erreicht. Ob die amtierenden Batterietechnologien diese Schwelle je erreichen, respektive überschreiten werden, darf bezweifelt werden.

Unterschiedliche Entwicklungsstände bei Antrieb und Energiespeicher
Dabei zeigt die laufende Entwicklung in der Elektro-Kraftfahrzeug-Technologie folgenden Stand auf. Die Fahrzeug-Antriebstechnik kann noch verbessert werden, da hier noch nicht alle Bereiche ausreichend beleuchtet und optimiert sind. Folglich stehen uns echte Innovationen im Batteriesektor noch bevor.

Die Stromversorgung in Elektrofahrzeugen hat nach aktuellen Maßstäben und angewandten Technologien jedoch den Zenit des Leistungsoptimums längst durchschritten. Inzwischen scheinen durch dauernde Mikro-Optimierung und neue Varianten der Lithium-Technologie immer leistungsfähigere Batterien zum Einsatz kommen zu können. Gemessen an ihrer Leistungsdichte passt der überproportional steigend Preis pro Leistungseinheit bei LI-Akkus nicht so recht ins Bild, wonach Elektrofahrzeuge den KfZ-Markt erobern sollen.

Neue Batterietechnologien sind gefragt
Es bedarf einer neuen Batterietechnologie, die den Schlüsselanforderungen der Elektromobilität gerecht wird. Dabei sind folgende strategischen Leitlinien zu beachten:
- Versorgungssicherheit
- Wirtschaftlichkeit
- Umweltverträglichkeit

Kann der Mn.-Redox-Akkumulator eine Strategie sein?
Die neue Mn.-Redox-Akkumulatoranlage ist eine Anlage, die einen neuartigen Akkumulator-Typ enthält, der zur Speicherung von und Versorgung mit elektrischer Energie befähigt. Die Anlage zeichnet sich durch geringe Kosten und variable Einsatzmöglichkeiten aus. Erwähnenswert sind u.a. sowohl das elektrische Be- und Entladen, als auch das mechanische Be- und Enttanken der Anlage.
Die erwähnte Technologie ist noch umzusetzen und basiert auf einem europäischen Patent.

Mit bekannten Konzepten und neuer Technologie zum Ziel
Der Mn.-Redox-Akkumulator ist ein wiederaufladbarer Typ eines Flussakkumulators. Die Bereitstellung der gespeicherten elektrischen Energie erfolgt in gelöster Form zweier unterschiedlicher Salze, die beide Mangan-Ionen enthalten. Die eingesetzten Salze werden außerhalb der Redox-Zelle in getrennten Tanks gehalten. Die geladenen Salze können nahezu barrierefrei zu Tank- und Versorgungsstellen transportiert werden. An solchen Tank- und Versorgungsstellen können Verbraucher die Salze in ihre eigenen Speicher tanken, bzw. die elektrische Entladung dezentral gestalten.

MnRdx-Energieversorgungsansatz
Abbildung: Ein Energieversorgungsansatz nach Dipl. Wirt.-Ing. (FH) Ibrahim Bani


Speicherkapazität, Management und Rohstoffbedarf
Die kalkulierten ökonomischen Rahmenbedingungen für 1kWh scheinen auf den ersten Blick für gewöhnliche PKW weniger geeignet. So fällt die geometrische Anforderung an die Tanks mit annähernd 5 dm3 scheinbar hoch aus. Das kalkulierte Gewicht von ca. 11kg trägt auf den ersten Blick ebenso wenig dazu bei, die Anwendbarkeit des neuen Mn.-Redox-Akkus für Pkw unbedingt einplanen zu müssen.

Zwingend zu berücksichtigen ist bei dieser Betrachtung jedoch, dass die Erwärmung des Mn.-Redox-Akkus keine Rolle spielen wird, wie dies aktuell eingesetzten LI-basierten Akku-Typen zu eigen ist. Dies schließt mit ein, dass beim Sizing der Mn.-Redox-Akkumulatoranlage für den mobilen Einsatz wenig bis keine Kühlleistung berücksichtigt werden muss.
Ebenfalls bedacht werden sollte, dass durch geeignete Energie-Rückgewinnungsformen die Speicher des Mn.-Redox-Akkus im laufenden Betrieb geladen werden können. Zudem besticht das System mit dem Vorteil, dass die Tanks in Fahrzeugen konstruktionseffizient verbaut werden können und sich der Geometrie des Fahrzeuges beugen.

Der erforderliche Mangan-Bedarf, um eine flächendeckende Energieversorgung durch den Mn.-Redox-Akkumulator zu gewährleisten, kann als gering prognostiziert werden. Die Stahlindustrie wird durch den Mn.-Redox-Akkumulator nicht beeinträchtigt werden. Ansonsten ist die Verfügbarkeit von geeigneten alkalischen Lösungen und Säuren ausreichend und flächendeckend gesichert.

Dies führt zur Betrachtung der Preisentwicklung für Akkumulatoren, die von führenden Beratungshäusern als sinkend prognostiziert wird. Diese für den Verbraucher erträgliche Entwicklung rückt durch den Mn.-Redox-Akkumulator in Sichtweite. Nach aktuellen Einschätzungen wird der Preis pro Kilowattstunde deutlich unter 100 Euro fallen.

Umweltförderlich und Risikoarm
Aus ökologischer Betrachtung zeitgemäße Eigenschaften runden das Profil der neuen Mn.-Redox-Akkumulatoranlage ab.
Die eingesetzten Materialien wie einer Säure und alkalische Lösung lassen den Schluss einer hohen Umweltfreundlichkeit zu. Bei der skizzierten und patentierten Speichertechnologie liegt ein hoher Anteil wiederverwertbarer Materialien vor. Ebenso fällt die Belastung für Mensch und Umwelt durch Verzicht giftiger und belastender Stoffe sehr gering aus. Brand- oder Explosionsgefahren, wie diese bei Benzin- oder LI-betriebenen Pkw bekannt sind, liegen beim Mn.-Redox-Akkumulator nicht vor.

Mit der hier skizzierten Technologie und dem damit verbundenen Versorgungsansatz liegt eine Möglichkeit vor, eine wesentliche Herausforderung der Elektromobilität anzunehmen.


Dipl. Wirt.-Ing. (FH) Ibrahim Bani, im Juli 2012
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Energiewende: Zentralisierung vs. Dezentralisierung

Bei der derzeitigen Diskussionen um den Netzausbau, unter dem Dach der Liberalisierung des Energiesektors, wird vor allem Eines sehr deutlich. Bei der Lösungsfindung werden ständig wechselnde Argumente und Fachfragen bemüht, um der Plausibilität eines propagierten Szenarios höchstmögliche Glaubwürdigkeit zu verleihen.
So wird etwa bei der Netzausbau-Debatte angeführt, dass die Erzeugung des Deutschen Energiebedarfes primär oder zentral zu erfolgen hat. Dies wiederum soll immanenten Einfluss auf auf die Frage des Netzausbaus nehmen.

Braucht es einen Netzausbau?
Die Frage nach zentraler oder dezentraler Energieversorgung ist derzeit ein weiterer Streitpunkt in der Energiepolitik und -wirtschaft. Es gibt mindestens ebenso viele Argumente für das Eine, wie für das Andere. Objektiv betrachtet darf an dieser Stelle bezweifelt werden, dass nur die eine oder andere Variante in Frage kommen kann.
Bei der Untersuchen der Frage, ob es eines Netzausbaus bedarf, sollten vor allem folgende Anforderungen als Leitplanken dienen:
  • Gewährleistung einer flächendeckenden Grundlastversorgung (auch bei dezentraler Energieerzeugung)
  • akzeptable und zukunftsgerichtete Ausbaufähigkeit der Infrastruktur
  • geringer ökologischer Einfluss
  • idealerweise ökonomische Rentabilität

Dennoch sind sich die Experten in einem Punkt einig. Ein Netzausbau ist zwingend, egal ob der Strom zentral oder dezentral erzeugt wird. Die Frage ist lediglich: wie muss der Netzausbau gestaltet sein?

Können Bahntrassen und Bahnstromtrassen den Netzausbau ersetzen?
Die bekannteste und am weitesten geplante Variante des Netzausbaus ist jene, die einen Neubau von ca. 3.800 Kilometer und den Ausbau weiterer 4.000 Kilometer der Stromnetze vorsieht. Die geschätzten Kosten nähern sich stolzen 20 Milliarden Euro.

Die Notwendigkeit des Netzausbaus ist nicht infrage zu stellen. Um jedoch die Kosten für den Netzausbau übersichtlich zu gestalten, sind bestehende Strukturen in Betracht zu ziehen. Nach Ansicht von Ingenieuren der Bahn-Tochtergesellschaft „Networks Mobility Logistics“ scheinen die bestehenden Bahnstromtrassen für den anstehenden Netzausbaus geeignet.
Dies wird durch die Feststellung gestützt, dass eine Parallelführung von Bahn- und Hochspannungsleitungen in erster Linie auf kürzeren Strecken bis etwa 50 Kilometer machbar sei. Zudem ist das Bahnstromnetz unter dem Gesichtspunkt eines Verteiler- und Ausgleichsnetz zu brachten.

Ebenfalls wurde die Verlegung von Erdkabeln im Trassenraum bisher noch nicht ausreichend in Erwägung gezogen. Insbesondere unter dem Gesichtspunkt des damit einhergehenden immens reduzierten Flächenbedarfes könnte dies auch dazu führen, dass zu erwartenden Bürgerbegehren vorgebeugt werden kann.

Bahntrassen-Nutzung bei angepasstem Netzausbau
Dem widerspricht ein jüngst beauftragtes Gutachten der Bundesnetzagentur. Die Einbeziehung der Bahnstromtrassen in den Netzausbau fiele zu teuer aus, so das Gutachten. Das knapp 8.000 Kilometer lange Stromnetz der Bahn wird mit 16,7 Hertz betrieben, einem Drittel der üblicherweise erforderlichen Frequenz. Damit scheint es vorerst für die Stromdurchleitung ungeeignet.

Durch Aufrüstung der Trassen jedoch könnte der geplante Stromtransport erfolgen.
So wird besonders Eines deutlich: der Netzausbau kann nicht ausschließlich durch die Bahntrassen erfolgen. Eine Kombination von Bahntrassen und Netzneubau /-ausbau hingegen ein sinnvoller Ansatz, den es zu prüfen gilt.

Blick in die Zukunft der Netzinfrastruktur
Auch wenn der durch Gutachten geschätzte Aufwand sehr hoch auszufallen scheint, ist zu berücksichtigen, dass dieser Aufwand ein Einmalufwand ist. Unter Einbeziehung von Folgeanforderungen an die Netzinfrastruktur wären diese Kosten sicherlich sehr bald amortisiert. Folglich ist den Beteiligten der Netzplanung anzuraten, den Business Case, der dem Gutachten zugrunde liegt, zu überdenken, zu ergänzen und neu bewerten.

Neben den Bahntrassen sollten auch weitere Alternativen geprüft werden, möglicherweise unter stärkerer Einbindung der auf dem Weg befindlichen Stadtwerke und anderen Infrastruktur-Betreibern.

Dipl. Wirt.-Ing. (FH) Ibrahim Bani, im Juli 2012 Mehr…lesen