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Holger Douglas, Vorstand Technik und Wissenschaft im DAV

Wie dicht ist die Energiewende?
Oder: Wie dicht ist Energie?
Kleine technische Handreichungen

Es endete, wie zu befürchten stand: Es fließen wieder Millionen an Steuergeldern in irrwitzige Energiewende Projekte. Jetzt sollen weitere Millionen in den Ausbau der Elektromobilität fließen. So hat das vor kurzem wieder mal ein Gipfel, diesmal in Berlin, zur Rettung der Welt beschlossen. Niemand will Elektroautos kaufen, obwohl doch die Generalsekretärin des ZK die Bundeskanzlerin so schön in ihrem Fünfjahresplan beschlossen hat, daß bitteschön bis zum Jahre 2020 eine Million Elektromobile auf den Straßen in Deutschland rollen sollen. Bisher sind es allerdings magere 35.000.

Niemand von den Volksgenossen Bürgern will einsehen, warum er mehr Geld für schlechtere Autos mit geringerer Reichweite als bisher und langen Ladezeiten bezahlen soll. Autohersteller sitzen auf hohen Kapazitäten, die nicht ausgelastet sind.

Um mehr Fahrzeuge auf die Straße zu bringen, sollen Marktanreize wie Sonderabschreibungen für Elektrofahrzeuge geschaffen werden und weitere Millionen fließen.

Keiner kauft E-Autos. Warum nur?

Denn eigentlich klingt das Konzept der Elektroautos durchaus verlockend: Gute Beschleunigung, keine Abgase, wenig Geräusch, viele Bauteile wie etwa Getriebe fallen weg, können also auch nicht kaputt gehen. Zudem nutzen sie die hineingesteckte Energie mit einem weit höheren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotor-Fahrzeuge. Freilich muss die Batterie im Winter auch Energie für die Autoheizung des Elektroautos liefern, die sonst der Verbrennungsmotor sowieso bereitstellt.

Doch leider besitzen Elektroautos ein massives Handicap.

Vielleicht hilft ein Blick in ein Handbuch der Physik. Wer in der Schule alter Art aufgepaßt hat, ist gut dran. Ansonsten liefern wir hier einige kleine technische Handreichungen für diejenigen, die seinerzeit Grippe hatten, als Physik auf dem Stundenplan stand.

Das Zauberwort in der Debatte sollte eigentlich heißen: Energiedichte. Die beschreibt, wie viel Energie in einem bestimmten Volumen eines Stoffes enthalten ist. Bei Brennstoffen wie Holz, Kohle, Öl oder Gas steht die Energiedichte meist als Heizwert auf der Rechnung.

Bei Batterien interessiert, wie lange sie wie viel Strom abgeben können. Also wie viele Stunden sie welche Leistung abliefern können.

Die Energiedichte soll möglichst hoch sein. Das spart Kosten für den Transport des Energieträgers und verlängert die Reichweite von zum Beispiel Fahrzeugen.

Die herkömmlichen Bleiakkumulatoren für Anlasser in Autos weisen eine verhältnismäßig geringe Energiedichte auf. Ein Bleiakku mit einem Kilogramm Gewicht kann etwa 30 Wattstunden (Wh) elektrische Energie speichern, also 1 Stunde lang eine elektrische Leistung von 30 W liefern. Mit anderen Worten: Solch ein Akku ließe eine 60 Watt-Glühbirne gerade mal eine halbe Stunde lang strahlen.

Deshalb wiegen solche Starterbatterien heute je nach Fahrzeugtyp zwischen 10 und 25 Kilogramm. Und das, obwohl die Batterie ja nur einige Sekunden lang für den Anlasser starken Strom liefern muss und ansonsten höchstens Kleinverbraucher wie Parklicht versorgen soll. Während der Fahrt liefert ja die Lichtmaschine den Strom.

Seit etwa 40 Jahren sind aber auch bessere Batterietypen auf dem Markt. Die Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Batterien können fast die dreifache Energiedichte erreichen. Eine 1 Kilogramm schwere NIMH-Batterie hoher Qualität könnte also die 60 Watt-Glühbirne immerhin schon 90 Minuten lang speisen.

Diese Batterien werden üblicherweise für Haushaltsgeräte eingesetzt. Sie geben allerdings bereits bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt fast keine Leistung mehr ab. Bei etwa -20 °C werden sie völlig unbrauchbar.

Der nächste technische Fortschritt waren die Lithium-Ionen Akkumulatoren, wie sie in neueren Handys eingebaut werden. Die dazugehörige Technik übrigens wurde bereits in den 70er Jahren an der Technischen Universität München erforscht, 20 Jahre später von Sony angewandt. Sie können je nach Qualität und Bauart zwischen 100 bis 190 Wattstunden pro Kilogramm speichern. Unsere 60 Watt-Glühlampe würde, damit gespeist, immerhin bis zu 3 Stunden lang leuchten.

In Lithiumionen-Akkus speichern Verbindungen des chemischen Elements Lithium die Energie. Das Leichtmetall Lithium ist sehr reaktiv. Es setzt sich unter anderem mit dem Sauerstoff in der Luft sehr gut um. Deswegen brennen Lithium-Batterien gerne mal ab. Sie werden deswegen mit sorgfältig ausgetüftelten elektronischen Schutzschaltungen vor zu hohen Lade- und Entladeströmen geschützt.

Dennoch liest man immer mal wieder von brennenden Elektrofahrrädern oder Elektroautos, deren Batterien sich zu stark erhitzt haben. Solche Stromspender müssen also mit ziemlicher Vorsicht behandelt werden. Sie enthalten doch schon ziemlich viel Energie. Sie können immerhin Autos antreiben: Zurzeit stecken jeweils einige tausend zusammengeschaltete handelsübliche Lithiumionen-Zellen in den marktgängigen Elektroautos etwa von Tesla oder BMW.

Doch all diese Energiegehalte sind nichts im Vergleich zu dem, was eine andere Stoffklasse bietet, die sogenannten chemischen Speicher. Hier ist die Energie in Form einer chemischen Verbindung gespeichert und kann bei einer chemischen Reaktion wie zum Beispiel einer Verbrennung in der Heizung oder im Automotor freigesetzt werden.

Die Natur hat das schon vor vielen Jahrmillionen erkannt: Alle Lebewesen nutzen chemische Verbindungen als Energiespeicher. Selbst die elektrischen Tiere, etwa Zitteraale, erzeugen ihre Stromstöße in speziellen Körperzellen aus chemischer Energie.

Ein bemerkenswerter Stoff bietet uns eine Energiedichte von sagenhaften 12000 Wattstunden pro Kilogramm. Das ist schon deutlich mehr als jene zur Zeit maximalen 190 Wattstunden pro Kilogramm einer Lithium-Ionen Batterie. Und diese Substanz heißt Benzin und gehört zu jenen Kohlenwasserstoffen, die reichlich in der Erdkruste vorhanden sind.

Kein Wunder also, daß die Autokonstrukteure in den Anfangszeiten der Mobilität auf diesen Stoff zurückgegriffen und sich erstaunlich komplizierte mechanische Konstruktionen wie eben den Verbrennungsmotor ausdachten, um eine Kraftquelle für die Fortbewegung zu haben. Dabei begannen damals die Erfinder mit Elektroautos. Der erste Porsche war ein Batterie getriebenes Elektroauto. Doch es setzte sich nicht durch.

Energie lässt sich besser in Form von chemischer Energie transportieren, und in Form elektrischen Stroms durch Kabel. Deswegen haben die Stromversorgungsunternehmen ihre großen Kraftwerke möglichst nahe an Verbraucherzentren gebaut und befördern die Primär-Energiequellen wie Steinkohle oder Öl mit dem Schiff oder der Bahn dorthin. Der Wirkungsgrad ist so deutlich besser. Zudem erzeugen große Kraftwerken den Strom viel billiger als viele kleine.

Und das ist auch für die Elektromobilität wichtig. Denn der Strom für die Elektroautos kommt zwar aus der Steckdose, muss dafür aber in Kraftwerken erzeugt werden. Solange diese mit Kohle, Öl oder Gas betrieben werden, sind Elektroautos alles andere als umweltfreundlich. Die Abgase werden dann eben woanders frei.

Es sei denn natürlich, der Strom stammt aus Wasserkraft – deren Möglichkeiten aber begrenzt und weitgehend ausgereizt sind – oder aus Kernkraftwerken. Selbst die Energiedichte von Benzin wirkt winzig im Vergleich mit der Kernenergie. Uran 235, wie es Kernreaktoren antreibt, hat eine imposante Energiedichte von 22 Milliarden Wattstunden pro Kilogramm. Deswegen liefern Kernkraftwerke extrem billig hohe Mengen an Energie und werden weltweit gebaut - bis auf Deutschland. Nur für Autos eignen sie sich wohl nicht, obwohl man in den 1950er Jahren von solchen Autos mit fast unerschöpflichem Antrieb träumte.

Ach, glatt vergessen haben wir doch, daß der Strom umweltfreundlich von Windkraftwerken und Photovoltaik-Anlagen kommen soll. Die Energiedichte von Wind ist selbst bei höheren Windgeschwindigkeiten nicht besonders groß.

Das erklärt auch, warum die Erbauer von Windrädern darauf angewiesen sind, mit bis zu 150 Metern lange Turbinenschaufeln zu bauen, die fast doppelt so lang sind wie die Tragflächen eines Airbus A380. Nur so kommen sie auf einigermaßen ausreichende Angriffsflächen für den Wind, damit wenigstens ein bißchen Energie in Form von Strom herausgekitzelt werden kann.

Hier muss man übrigens unterscheiden zwischen der Leistungsfähigkeit einer solchen Anlage und der tatsächlich abgegebenen Leistung: Bei Flaute liefert das stärkste Windrad nichts, ebenso wenig wie ein Solarpark bei Nacht. Es ist also ziemlicher Quatsch, wie gewöhnlich lobend in Lokalzeitungen neue Windräder angepriesen werden: Ein Windrad könne 35000 Häuser mit Strom versorgen. Nennleistung und tatsächlich abgegebene Leistung sind zwei paar Stiefel.

Weil ein einzelnes Windkraftwerk nicht besonders viel Strom liefert, verspargeln bereits Abertausende von ihnen die Landschaft und töten nebenbei – nach Hochrechnungen von Naturschutzverbänden – jährlich rund 200 000 Fledermäuse und unzählige Vögel.

Der erzeugte Strom muss schließlich zum Verbraucher übertragen und dort wieder umgewandelt werden in Bewegung, Wärme oder was gerade gebraucht wird. Dabei geht auch viel Energie verloren. Unter Effizienzgesichtspunkten sind solche Anlagen also eine ziemlich dumme Angelegenheit, weshalb sie auch nur dank großzügiger Subventionierung mittels Zwangsabgaben gebaut werden.

Kein Wunder daher, dass die Stromproduktion mit Windkraft doppelt so teuer ist wie mit herkömmlichen Techniken. Die Photovoltaik ist in unseren eher sonnenarmen Regionen sogar etwa zehnmal so teuer. Ein normales Industrieland leistet sich solche Verschwendung höchstens versuchsweise. Stellt man einen modernen Staat, der auf eine blühende Industrie angewiesen ist, zwangsweise auf solche unzuverlässigen und teuren Energielieferanten um, muss man einfach daran glauben. Wie beim Sozialismus.

22. Juni 2015