Paul Langrock / Zenit / laif – Ein Tunnel im Berliner Untergrund verbindet Friedrichshain und Marzahn per Stromautobahn. Ein Netzingenieur auf Inspektionstour

24.9.2013 | Von:
Detlef Schulz
Karen Schulz

Energiequellen und Kraftwerke

Zukunftstechnologien

Brennstoffzellen

Prinzip einer BrennstoffzellePrinzip einer Brennstoffzelle
Das Prinzip der Brennstoffzelle, das heißt die Energiegewinnung aus Wasserstoff, wurde bereits 1839 von William Robert Grove entdeckt. Im Jahr 1954 entwickelte Francis T. Bacon den Prototyp einer alkalischen Hochdruckzelle. Ab 1966 begann mit der Anwendung von Niedertemperaturbrennstoffzellen in Raumfahrtprogrammen die industrielle Nutzung, die sich anfangs langsam entwickelte, inzwischen aber als marktnah bezeichnet werden kann. Im Jahr 2009 waren weltweit bereits insgesamt 9800 MW elektrische Leistung aus Brennstoffzellen in Kleinkraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung, in Wasserstoff-Pkws und Bussen sowie in kleineren Schiffen und Unterseebooten installiert.
Das Potenzial von Brennstoffzellen ist noch sehr hoch, da ihr theoretisch möglicher Wirkungsgrad im Bereich von 95 Prozent bei geringen Temperaturen und 70 Prozent bei hohen Temperaturen technisch noch lange nicht ausgeschöpft ist.

Kernfusion

Zukunftsenergie KernfusionZukunftsenergie Kernfusion
Der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford konnte im Jahr 1917 – und damit vor der Entdeckung der Kernspaltung – erste Fusionsreaktionen im Labor nachweisen, sein australischer Assistent Mark Oliphant führte 1934 die erste gezielte Reaktion im Labor durch. Bei der Kernfusion verschmelzen zwei Atomkerne, zum Beispiel die Isotope des Wasserstoffs Deuterium und Tritium. Da Deuterium auf verschiedenen Wegen erzeugt werden kann, ist kein Uran mehr als Brennstoff notwendig. Bei der Fusion wird eine im Vergleich zu anderen Reaktionen enorm große Energiemenge freigesetzt. Der Vorteil der Kernfusion gegenüber der Kernspaltung liegt in der wesentlich höheren Energieausbeute pro Brennstoffmenge. Eine solche Reaktion läuft auf der Sonne und allen anderen leuchtenden Sternen ab. Sie findet in einer Wolke aus Plasma statt. Plasma ist eine Mischung aus allen drei Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig und wird deshalb oft als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Die Probleme bei der technischen Umsetzung ergeben sich aus der hohen Reaktionstemperatur von 100 Millionen°C sowie insbesondere aus einer noch höheren Zündtemperatur des Prozesses von bis zu 400 Millionen°C.

Die Kernfusion wird seit den 1930er-Jahren intensiv erforscht. Zuerst wurde die unkontrollierte Fusion bei der Entwicklung der Wasserstoffbombe militärisch eingesetzt, 1952 wurde die erste Wasserstoffbombe im Pazifik gezündet. Seitdem wurde intensiv an der kontrollierten Fusion gearbeitet, doch erst im Jahr 1991 gelang im Joint European Torus (JET), einer europäischen Forschungseinrichtung im englischen Oxfordshire, eine nur zwei Sekunden dauernde Kernfusion, bei der zwei MW erzeugt wurden und ein Vielfaches der produzierten Energie aufgewendet werden musste. Im südfranzösischen Forschungszentrum Cadarache wird am International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) gearbeitet. Ziel ist, dass die Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium sich energetisch selbst versorgt und somit ein kontinuierlicher Prozess abläuft, bei dem über einige Minuten eine Leistung von 500 Megawatt erzeugt werden soll. Das Plasma soll dabei durch Magnetfelder gehalten werden, die durch gekühlte elektrische Spulen erzeugt werden. Es wird erwartet, dass bis zur industriellen Anwendung noch 50 bis 80 Jahre intensiver Forschung erforderlich sind.

Auch bei der Kernfusion tritt eine erhebliche radioaktive Strahlung auf, dadurch können hohe gesundheitliche Risiken auftreten. Für Deuterium und Tritium existieren bisher kaum Rückhaltungstechnologien, wodurch diese Strahlungsanteile bisher nur mit großem Aufwand beherrschbar sind. Das gilt nicht nur für Kernkraftwerke, sondern vor allem für militärische Anlagen. Von Oak Ridge, Hanford und Savannah River in den USA, wo Tritium für Wasserstoff-Bomben produziert wurde, sind gravierende Probleme bekannt, zum Beispiel die Verseuchung des Grundwassers und die sogenannten Tritium-Bluter. Gleichzeitig tritt wie bei der Kernspaltung, wenn auch in vergleichsweise geringerem Umfang, das Problem der atomaren Endlagerung auf.

Verfügbarkeit von Kraftwerksarten

Um eine sichere Versorgung zu gewährleisten, müssten Kraftwerkstechnologien möglichst rund um die Uhr Energie bereit stellen können. Diese maximale Benutzungsstundenzahl von 8760 Stunden pro Jahr (das heißt 365 Tage, 24 Stunden lang) wird von Dampfkraftwerken annähernd erreicht. Nur für planmäßige Wartungsarbeiten, die meist während der Sommermonate bei geringerem Leistungsbedarf stattfinden, werden sie vom Netz genommen. Um eine Reserve für die Regelung der Netzfrequenz und Netzspannung vorzuhalten, werden Dampfkraftwerke circa zehn Prozent unterhalb ihrer Nennleistung betrieben. Die Vollbenutzungsstunden werden ermittelt, indem die eingespeiste Energiemenge durch die Nennleistung dividiert wird. Sie geben an, wie viele Stunden im Jahr ein Kraftwerk umgerechnet bei Nennlast betrieben wurde. Zum technischen Vergleich von Kraftwerkstypen werden die technisch möglichen Vollbenutzungsstunden herangezogen. In der Praxis kann die Anzahl der Vollbenutzungsstunden durch schwankende Energiepreise oder geringere vertraglich vereinbarte Energiemengen weit unterhalb dieser Werte liegen. Bei Wind- und Photovoltaikanlagen weichen die maximal möglichen Benutzungsstunden stark von den Werten fossil befeuerter Kraftwerke ab. Windkraftanlagen an Land erreichen ihre Nennleistung nur an wenigen hundert Stunden im Jahr. Photovoltaikanlagen speisen abhängig von Jahreszeit und Sonnenstand tageszeitabhängig mit einem Spitzenwert in den Mittagsstunden ein.
Stromgestehungskosten und Emissionen von KraftwerkstypenStromgestehungskosten und Emissionen von Kraftwerkstypen

Um bewerten zu können, welchen Beitrag Kraftwerkstechnologien zur Versorgungssicherheit leisten, wird die Höhe der gesicherten Leistung verwendet. Dabei handelt es sich um den Leistungswert, der garantiert zur Verfügung gestellt werden kann. Weil sie elektrische Energie nur wetterabhängig in das Netz einspeisen können, liegt die gesicherte Leistung von Windkraftanlagen bei 20 Prozent und von Photovoltaikanlagen bei elf Prozent. Bis zur angestreben emissionsarmen Energieversorgung mit 80 bis 95 Prozent aus erneuerbaren Energien werden noch einige Jahrzehnte fossile Reserve-Kraftwerke benötigt. Nach optimistischen Prognosen sind dies schätzungsweise noch circa 25 bis 30 Jahre. Pessimistischere Schätzungen gehen dagegen von einem dauerhaften Bedarf an Reserve-Kraftwerken aus. Mit dem weiteren Ausbau der wetterbedingt fluktuierend einspeisenden erneuerbaren Energien gewinnt die flexible Erzeugung elektrischer Energie auch bei konventionellen Technologien an Bedeutung. Bei Dampfkraftwerken bedeutet dies, dass bei der Kombination mehrerer Kraftwerksblöcke ein besser regelbarer Block mit kleinerer Leistung gebaut wird. Dadurch wird das gesamte Kraftwerk in seinem Leistungsbereich besser regelbar. Gleichzeitig lassen sich moderne Kraftwerke insgesamt besser in ihrer Leistung einstellen.