In seinem Buch „Schöpferische Zerstörung = zerstörte Schöpfung?“ schreibt Klaus Knizia: „Es gibt kein Zurück zu den Schäferidyllen des 18. Jahrhunderts. Die Abneigung gegen die heutige Großtechnik bezieht häufig ihre Argumentation aus Gegenvorschlägen, die oftmals nur so lange Bestand haben, wie fehlende Zahlenangaben den Vergleich von Größen oder sogar von Größenordnungen unmöglich machen. Das ist bei Alternativvorschlägen in Energiefragen häufig der Fall. Ein Urteil über zukünftige Energiepolitik kann jedoch an ethischen, politischen oder soziologischen Argumenten gemessen nur dann erfüllt werden, wenn auch Zahlenvergleiche zu Rate gezogen werden. Sie vermögen, über die Realisierbarkeit von Wünschbarem Auskunft zu geben und helfen, die Spreu vom Weizen zu trennen.“
Die Energiedichte ist eine geeignete Größe, die Effektivität von Energiequellen miteinander zu vergleichen. Der Vergleich ermöglicht Aussagen über die Mengen notwendiger Energiequellen, über Kosten und Wege ihrer Bereitstellung, über Flächenbedarf und nicht zuletzt auch über die erforderlichen Eingriffe in die Natur.
Energiequellen wie Kohle, Öl, Gas, Uran, Wind und Sonne, mit denen elektrische Energie erzeugt wird, oder Batterien, aus denen Strom „abgezapft“ werden kann, sie alle unterscheiden sich gewaltig in ihrer Energiedichte. Sie gibt die Energiemenge pro Volumen in kWh/m3 oder pro Masse in kWh/kg an. Sollte die Energie in Joule angegeben sein, so gilt folgender Umrechnungsfaktor 1 kWh = 3,6 x 106 Joule.
In Bezug auf Brennstoffe ist die Energiedichte auch als Brenn- oder Heizwert bekannt und bezeichnet in diesem Zusammenhang die nutzbare Wärmemenge. Um die Heizkosten niedrig zu halten, werden Brennstoffe mit möglichst hoher Energiedichte zum Heizen verwendet. Denn je ergiebiger die Energieträger sind, umso seltener ist es notwendig, Brennstoffe nachzukaufen.
Eine möglichst hohe Energiedichte ist für alltägliche Anwendungen von Vorteil. Die Betriebsdauer batteriebetriebener Geräte hängt von der Energiedichte der darin verbauten Batterien oder Akkus ab. Je höher die Energiedichte einer Batterie, umso mehr Energie hat sie gespeichert und umso länger kann das Gerät mit einer Ladung genutzt werden.
Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über Energiedichten von Kraftstoffen und Batterien [1].
Wärmeleistung von Energiequellen
Der als Autobatterie eingesetzte Blei-Säure-Akku hat eine rund 350-fach geringere Energiedichte als Benzin oder Diesel. Um sich die Energiedifferenz vor Auge zu führen: In einem einzigen Kilogramm Benzin befindet sich genauso viel Energie wie in Autobatterien, die insgesamt 350 Kilogramm auf die Waage bringen.
Auch die derzeit effektivsten Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, haben noch eine mindestens 100-fach geringere Energiedichte als Benzin oder Diesel.
Das bedeutet in der Praxis: Eine Fahrt von 500 km mit einem Elektroauto benötigt Batterien mit 140 kWh, weil auch noch rund 10 % der Energie in dem Elektromotor verloren geht. Zum Speichern von 1 kWh wird eine 7 kg schwere Batterie benötigt. Für 500 km Fahrstrecke muss eine Tonne an Batterien in das Auto eingebaut werden.
Als realistisch wird in ferner Zukunft eine Energiedichte von 1 kWh je 3 kg Batterie gesehen. Um aber allzu großen Erwartungen einen Riegel vorzuschieben: Die Batterieforschung in Deutschland wurde schon vor Jahren runtergefahren. Warum? Unter den im Periodensystem existierenden Elementen gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Kombinationen, die die Verbindung dieser Elemente für die Konstruktion einer elektrochemischen Batterie mit einer ausreichenden Spannung ermöglichen. Man kann diese Anzahl nicht mehr vergrößern. Und diese Konstruktionsmöglichkeiten wurden von der Physikalischen Chemie seit vielen Jahrzehnten untersucht. Das Ergebnis liegt uns vor. Wir haben hier den Fall vor uns, dass die von der Physik bestimmten Batteriekonstruktionen nicht mehr vermehrbar sind – sie sind ausgeschöpft.
Die in der Tabelle für Uran angegebene Energiedichte ist nicht etwa ein Schreibfehler, sie ist tatsächlich extrem hoch. Dazu folgende Information: Das in der Natur vorkommende Uran besteht im Wesentlichen aus den drei Isotopen Uran-234, Uran-235 und Uran-238. Den Hauptanteil hat Uran-238 mit rund 99,28 %. Von energetischem Interesse ist das mit thermischen Neutronen spaltbare Uran-235, das einen Anteil von rund 0,72 % hat. Das Uran-234 ist so gering, dass hinter diesen gerundeten Angaben „verschwindet“. Durch die Spaltung des Uran-235 durch thermische (energiearme) Neutronen in einem Kernreaktor wird Energie freigesetzt, die als Wärme an das Kühlmedium Wasser abgegeben wird. In den sogenannten Leichtwasserreaktoren wird Uran üblich mit 3 bis 5 % angereichertem Uran-235 eingesetzt.
Bei der vollständigen Spaltung von 1 kg Uran-235 wird eine Energie von 22,8 Millionen kWh freigesetzt. Diese Energie entspricht dem Wärmeinhalt von 2.800 Tonnen Steinkohle oder 1.965 Tonnen Erdöl.
Das Uran wird in Form von Urandioxid zu Pellets gepresst, in ca. 6 Meter lange Hüllrohre „verpackt“ und zu Brennelementen gebündelt im Reaktor eingesetzt. Man braucht etwa 13 Millionen solcher Pellets, um einen 1300 MW-Druckwasserreaktor zu beschicken (Abb).
Quelle: Areva-Brennelementfabrik, Lingen
Im Fall von Windenergie– und Solaranlagen ist die Angabe einer Energiedichte „reichlich unklar“. Gebräuchlich ist vielmehr der Bezug auf die für eine Anlage notwendige Standortfläche. Eine geringere Energiedichte bedeutet in dem Fall einen größeren Landbedarf. In der Literatur [2] wird für eine durchschnittliche Energiedichte für Windenergieanlagen 0,5 We/m2 angegeben. Dieser Wert basiert auf der Auswertung von 411 Onshore-Windparks, wobei auffällig ist, dass die Energiedichte desto geringer ist, je größer die Windpeaks sind. Für Solaranlagen wird die mittlere Energiedichte pro Quadratmeter Standortfläche mit 5,4 We/m2 angegeben.
„Es gibt in Deutschland keinen annähernd so extremen Flächenverbrauch wie bei den für die Energiewende hoch subventionierten Techniken Windkraft und Biomasse-Verstromung“, schrieb Dr. Günter Keil schon in einem früheren Bericht. Die Unterschiede in deren Flächenbedarf sind extrem, wie aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich ist.
Konventionelle Kraftwerke benötigen zwischen 25 und 50 m² pro Million in einem Jahr erzeugten Kilowattstunden (kWh). Selbst bei der Berücksichtigung der Tagebaufläche für ein Braunkohlekraftwerk liegt der Flächenbedarf „nur“ bei 1.330 m²/GWh. Für die „Erneuerbaren“ ergeben sich nach der Berechnung Keils noch weitaus höhere Werte:
Die Windparks an Land beanspruchen nach seiner Berechnung etwa die 1.700-fache Fläche konventioneller Kraftwerke.
Was es bedeuten würde, die Stromerzeugung eines Landes wie Deutschland auf PV-Solarkollektoren – zumindest teilweise – zu gründen, wird von Schernikau und Smith [3] an einer hypothetischen Annahme einer Solaranlage in Spanien ausführlich erläutert. In der Zusammenfassung des Berichtes heißt es:
„Um Deutschlands Strombedarf allein durch in Spanien installierte PV-Anlage decken zu können, müssten etwa 7 % der Fläche Spaniens mit Solarmodulen bebaut werden (ca. 35.000 km2). Spanien ist das in Europa am günstigsten gelegene Land für Solarenergie. Der spanische Solarpark müsste eine installierte Gesamtkapazität von 2.000 GWp (die maximal erreichbare Leistung) oder knapp das Dreifache der 2020 weltweit installierten Kapazität von 715 GW vorhalten. Für die Zeit ohne Sonnenschein müsste eine Batterie-Speicherkapazität von insgesamt etwa 45.000 GWh bereitgestellt werden. Die Herstellung einer solchen Speicherkapazität bei Verwendung der heute führenden Technologie würde den jährlichen Gesamtausstoß von 900 Tesla Gigafabriken bei voller Kapazität erfordern. Dabei wurde nicht berücksichtigt, dass die Batterien spätestens alle 20 Jahre ersetzt werden müssen.“
Zugegeben, eine sehr extreme Betrachtung. Sie zeigt gleichwohl, welcher gewaltige Flächenbedarf bei PV-Anlagen notwendig wird, um wenigsten teilweise auf Solarstrom bauen zu können. Das aber in einem Land mit weitaus besseren Sonnenschein-Voraussetzungen als in Deutschland. Im Weiteren gehen die Autoren auch auf den enormen Rohstoffbedarf ein, der an dieser Stelle nicht thematisiert werden soll. Die Autoren ziehen folgendes Fazit:
„Die geringe Energiedichte und ein hoher Rohstoffeinsatz sowie der niedrige energy- Return-On-energy-Invested (eROeI) und die enormen Speicheranforderungen machen die heute herrschende Solar-Technologie zu einer ökologisch und ökonomisch weit unterlegenen Alternative, um konventionelle Energieformen im großen Maßstab im Energiemix zu ersetzen.“ (Anm.: eROel steht für das Verhältnis von Energierückgewinnung zum Energieeinsatz)
Eine MIT-Studie prognostiziert, dass 33.000 Quadratkilometer Land erforderlich wären, um den US-Strombedarf mit Solarenergie zu versorgen. Laut dem tschechisch-kanadischen Wissenschaftler und Politikanalysten Vaclav Smil müssten die USA 25 bis 50 Prozent ihrer Landmasse für Solar-, Wind- und Biokraftstoffe verwenden, um den US-Energieverbrauch mit erneuerbaren Energien zu decken. Die Leistungsdichte eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen Energiesystems liegt laut Smil „zwei bis drei Größenordnungen“ über der eines Wind- oder Wasserkraftwerks.
Was nicht übersehen werden darf: Das Gelände für die Solaranlage ist für die landwirtschaftliche Nutzung weitgehend verloren.
[1] https://www.wissenschaft.de/allgemein/energiedichte-verschiedener-kraftstoffe/
[2] Telepolis Heise online, Wenn Windenergie zur Klimaerwärmung beiträgt, 18.10.2018
[3] https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=3730155 “How many km2 of solar panels in Spain and how much battery backup would it take to power Germany”