Kann man überhaupt el. Energie "speichern" ?

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Oder besser - "speichern" in der selben Form in der P = U * I vorliegt ?
Leider wohl nicht, es sei denn diese Leistung "P" bezieht sich auf einen Akkumulator. Dort ist el. Energie bereits gespeichert. Um das zu bewerkstelligen, mußte zunächst aus einer der möglichen "Quellen" die überhaupt dazu geeignet ist, bereits vorhandene Energie in el. Energie umgewandelt werden.
Immer ein "Veredelungsprozess". Eine vorhanden Energieform wird in die Form "el. Energie" gewandelt. Es wird also durch Umformung bereits "Arbeit" verrichtet. Niemals ohne einen mehr oder weniger großen Wirkungsgrad.

Auch hier muss Energie "fließen" um el. Strom zu generieren. Leider ist die Wortherkunft nicht eindeutig genug "Generator (von lateinisch generare ‚erzeugen‘, ‚hervorbringen‘). Mir gefällt dabei "erzeugen" überhaupt nicht, suggeriert es doch hier entsteht etwas völlig Neues. Tatsächlich wird bestehndes lediglich gewandelt. "Hervorbringen"- also etwas - eine "Variation" bereits vorhandener Energie wird "hervorgebracht" - trifft den Vorhang exakt. So entsteht nicht die Illusion, man könne "el. Energie erzeugen" - quasi aus dem Nichts heraus erzeugen.

Zunächst muß also bereits Energie in einer anderen Form vorhanden sein und diese dann in el. Energie zu wandeln. Es entsteht dabei zunächst eine "el. Spannung = U" die nur dann zu "el. Arbeit = W" werden kann, wenn sowohl in der Quelle der zu wandelnden Energieform eine Veränderung stattfindet, als auch die generierte el. Energie fließen - "strömen" kann.

Einfaches Beispiel bei einem Fließwasserkraftwerk muss Wasser in ausreichender Menge fließen, um die gewünschte Spannung im Generator zu generieren. Doch all das schöne fließende Wasser bewirkt auf der el. "Seite" rein garnichts, wenn nicht auch auf dieser Seite ein "geschlossener Stromkreis" vorhanden ist. Es steht lediglich die entsprechende Spannung (U]) an der "mögliche Strom (I) kann nicht fließen. Es wird keine el. Arbeit (W) verrichtet. Leistung vorhanden - das war´s schon !

"Schlimmer" noch, auch wenn ein Stromkreis geschlossen ist, wird nur soviel el. Arbeit verrichtet, wie für den "eingeschalteten Vorgang" gerade benötigt wird.

Elektrische Arbeit - die Maßeinheit - wird in "Wattsekunden" Einheitszeichen = "Ws" dargestellt. Weil meist ein Vielfaches dieser Einheit in der realen Welt vorliegt, multipliziert man Ws mit 1.000 und erhält "kWh" als gebräuchliches Maß für el. Arbeit.

Nun ist "Ws" eine "abgeleitete" Größe. Im "Internationalen Einheitensystem" oder SI (französisch Système international d’unités) nimmt diesen Platz (Energie, Arbeit, Wärmemenge) das "Joule = J" ein. 1 Joule = 1 Ws

1 kg m²/s² = 1J

oder 1 kg m²/s² = 1 Ws
oder 1 kg m²/s² = 1 Nm
oder 1 kg m²/s² = 1 VAs
oder 1 kg m²/s² = 1 CV

1J oder 1Ws stellt die el. Leistung von einem Watt während einer Sekunde dar. "Während" ist in sofern wichtig, die Darstellung W/s oder kW/h ist falsch ! Die Bezeichnung "kWh" enthält einen klaren mathematischen Zusammenhang Es muß immer Ws oder kWh heißen - gern auch GWh, MWh, TWh usw. Kilo, Giga, Mega, Tera usw. sind genormte Vorsätze für Maßeinheiten - SI definierte Dezimalpräfixe Es lohnt sich dieses WIKI sorgfältig zu lesen

1 kWh = 1J * 3.600.000 oder 1Ws * 3.600.000

1h = 60 Minuten * 60 Sekunden = 3.600 Sekunden = 1Wh

das tausendfache "k" eines Watt "W" = 1kW

1.000 Wh = 60 * 60 * 1.000 oder 1kWh

Selbstverständlich ändert sich daran auch nichts, wenn man z.B. 5.000 kWh/a schreibt. Damit möchte man z.B. den durchschnittlichen "Jahresbedarf" einer Familie darstellen. Teil man diese "Jahresarbeit" auf einen "durchschnittlichen Tag" auf, ist die Bezeichnung kWh/d (d = day) dafür korrekt. Will man dann noch wissen wie groß der stündliche Durchschnitt wohl ist, ist kWh/h durchaus in Ordnung - nur eben "kW/h" ist völlig falsch.

5.000 / 365 kWh/a = 13,7 kWh/d

5.000 / 365 / 24 kWh/a = 0,571 kWh/h gern auch 571 Wh/h

Inwieweit solche "Durchschnitte" Sinn machen, sei dahingestellt. Das ist eben der Unterschied zwischen tatsächlicher Nutzung und der Überlegung wie man sich das eventuelle vorstellen kann. Je kleiner die "durchschnittliche Zeitspanne", desto unwahrscheinlicher das dies auch der Realität entspricht.

Die oben gemachte Vorstellung :

"Schlimmer" noch, auch wenn ein Stromkreis geschlossen ist, wird nur soviel el. Arbeit verrichtet, wie für den "eingeschalteten Vorgang" gerade benötigt wird.

Bedeutet allerdings auch, wenn z.B. eine PV-Anlage eine jährliche Arbeit von z.B. 10.500 kWh gern auch 10,5 MWh "auf dem Zähler hat", ist das reale Arbeit, die verteilt auf das verbundenen Netz tatsächlich verrichtet wurde. Würde niemand die angebotenen LEISTUNG die bei einer PV stets mit kWp (p = "Peak" = die maximal mögliche Leistung unter günstigsten Voraussetzungen) angegeben wird, "abrufen", käme es am Jahresende zu 0 kWh el. Arbeit. Damit sollte auch der leider weitverbreitete - wohl auch beabsichtigte - Eindruck, "EE" tragen nicht zum Energiebedarf bei, ad absurdum geführt sein. Wer solchen Unsinn verbreitet, hat entweder keine Ahnung von der gesamten Materie oder ist schlich böswillig und möchte möglichst viele Laien "hinter die Fichte führen"

Damit ist auch gleich klar (sollte es jedenfalls sein), wenn die Arbeit der ca. 1,8 Millionen PV in D in einem bestimmten Jahr mit X,xxx GWh angegeben wird, wurde die vorgehaltene Leistung genau zu diesem Betrag auch genutzt. Wobei der überwiegende Teil der geleisteten el. Arbeit auf die unterste Netzebene - Niederspannungsnetze - auf Ortsnetze entfällt. Mit allen Vorteilen die sich aus den damit verbundenen kurzen Übertragungswegen ergeben. Es ist in diesem Zusammenhang unverständlich (aber in seiner beabsichtigten Wirkung nachvollziehbar), wenn sog. Netzentgelte erhoben werden, obwohl inzwischen die Leistung von einer Million häuslicher PV niemals die Ortsnetze überhaupt verlässt und zwischen 20 bis 30% der geleisteten Arbeit nur über einen juristischen Trick überhaupt mit dem Ortsnetz in Verbindung steht. Das die Rückwirkungen einer PV im Ortsnetz dessen Betreiber zu entsprechenden Ausgleichszahlungen verpflichtet, ist davon ausgenommen.

All diese Maßnahmen verhindern eine dezentralisiertes Netz und präferieren das zentral orientierte Versorgungsnetz. Ein großer Nachteil. dies Netzform ist und wird immer angreifbarer. Bevorzugt unsinnige Leistungsverteilung die schlich zu EE und hier PV längst nichtmehr "passt".

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Die SI-Einheit für Arbeit ist identisch mit der für Energie - es ist das Joule Einheitszeichen "J" oder dessen Vielfaches in "Tausenderschritten" (SI-Präfix) wie kJ, MJ, GJ oder kleiner als 1 J wie mJ, µJ, nJ.

Nochmal die "mögliche el. Leistung" wird mit Watt angegeben (Spannung "U" in Volt, Strom "I" in Ampere, die Leistung "P" in Watt)

P = U * I Beispiel : U = 230V, I = 10A P = 2.300 W (oder 2,3 kW)

fließt der Strom "I" von 10A nun auf Dauer einer Stunde bei gleichbleibender Spannung von 230V, ergibt das eine el. Arbeit von 2.300 W * 3.600 s (= 1 Stunde "h") also 2.300 Wh oder 2,3 kWh.

Letzteres stellt quantitativ dar wie viel el. Arbeit verrichtet wurde. Die Leistung gibt lediglich an, welche max. Arbeit multipliziert mit der Zeitspanne dieses "Leistungsangebot" verrichten kann.

Was noch fehlt, ist die Größe der "Umwandlungsverluste" die damit immer, wenn auch in unterschiedlicher Größe und Art anfallen. Diese "Verluste" stellen den oder die Wirkungsgrad(e) dar, mit dem das energetische Ergebnis multipliziert werden muß. Eine dimensionslose Zahl kleiner 1 ( <1 = 0,x) prinzipiell eine Zahl zwischen 0 bis 1. Null, wenn kein Nutzen vorhanden ist, Eins, wenn der Nutzen zu 100% dem geleisteten Aufwand entsprechen würde. Der Wirkungsgrad kann auch als Prozentsatz zwischen 0% und 100% angegeben werden.

Die Umwandlungsverluste sind keine "Verluste" im eigentlichen Sinn, Energie kann nicht "verloren gehen" sondern sie fehlen dem erwarteten Endergebnis. Sind für den beabsichtigten Prozess physikalisch unvermeidbar. Fallen in einem Prozess mehrere unterschiedliche Wirkungsgrade an, müssen diese um den gemeinsamen Wirkungsgrad zu erhalten, müssen alle Wirkungsgrade jeweils miteinander multipliziert werden :

Wirkungsgrad 1 = 0,80
Wirkungsgrad 2 = 0,90
Wirkungsgrad 3 = 0,95

Gesamtwirkungsgrad = 0,80 * 0,90 * 0,95 = 0,684

Handelt es sich dabei um el. Arbeit von "Brutto" 1 kWh, würden lediglich 0,684 kWh dem eigentlichen "Vorhaben" zu Gute kommen - der "Gesamtwirkungsgrad ist also immer kleiner, als der kleinste einzelne Wirkungsgrad.

Nun geht Energie niemals "verloren" - sie fehlt "lediglich" dem beabsichtigten Ergebnis von 100%. Um hier mehr Klarheit der Darstellung zu finden, unterteilt man Energie in folgende Bestandteile :

Energie = Anergie + Exergie

Energie = E + B [E = Exergie, B = Anergie]

Im vorliegenden Beispiel entfallen 316 Wh als Anergie an und 684 Wh Exergie :

316 Wh + 684 Wh = 1 kWh

Die Bezeichnungen "Anergie und Exergie" stammen von Zoran Rant (* 14. September 1904 in Ljubljana; † 12. Februar 1972 in München) einem slowenischer Maschinenbauingenieur.

Je nach den Gründen und Formen der einzelnen Anergieanteile, mag eine von der ursprünglich beabsichtigten Nutzung abweichende "Zweitnutzung" möglich sein. So kann eventuell entstehende Wärmeenergie positiv genutzt werden. Doch auch das Gegenteil ist möglich. Fällt weitere energetische Arbeit an, weil der Prozess zusätzlich gekühlt werden muss um das beabsichtigte Ergebnis zu erhalten, bedeutet dieser Zusatzaufwand, eine weitere Verschlechterung des Exergieergebnisses. Dieser weitere Wirkungsgrad muss in den Gesamtwirkungsgrad per Multiplikation einfließen. Ergebnis der Anergieanteil steigt.

Am Ende ist Exergie der Anteil an Energie der sich in reversiblen Prozessen in andere Energieformen umwandeln lässt. Einmal Anergie und wird dadurch zum Anteil der Energie der sich nicht weiter zu anderen Energieformen wandeln lässt.

Um noch "reversibel" (von lateinisch reversus ‚umgekehrt‘) (umkehrbar - rückgängig machbar) zu sein muss sich die vorhandene Umgebung eines jeden "thermodynamische Systems" möglichst stärker von der darin enthaltenen Energie unterscheiden. Je geringer der Unterschied, desto höher ist der Anergieanteil. Ist das System mit seiner Umgebung im Gleichgewicht, existiert also keinerlei Abweichung zwischen der Umgebung und der vorhandenen Energie, ist der Exergieanteil gleich Null und der Anergieanteil entspricht 100% der Energiemenge.

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Energie in einem abgeschlossenen System immer konstant bleibt. Das bedeutet, dass die Summe aus Exergie und Anergie in einem abgeschlossenen System sowohl bei reversiblen als auch bei irreversiblen Prozessen konstant bleibt.

Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik gilt, dass die Exergie bei reversiblen Prozessen immer konstant bleibt, bei irreversiblen Prozessen hingegen wird die Exergie in Anergie umgewandelt (Anergie kann nicht in Exergie umgewandelt werden).

Oder hier noch aus dem WIKI "Entropie" (Entropie kann mit dem umgangssprachlichen Wort Wärme umschrieben werden) :

Die Entropie (Kunstwort altgriechisch ἐντροπία entropía, von ἐν en ‚an‘, ‚in‘ und τροπή tropḗ ‚Wendung‘) ist eine fundamentale thermodynamische Zustandsgröße mit der SI-Einheit Joule pro Kelvin (J/K).

Zufuhr von Wärme oder Materie bewirken eine Zunahme der in einem System vorhandenen Entropie, ebenso alle spontan ablaufenden Prozesse innerhalb des Systems wie z. B. Vermischung, Wärmeleitung oder chemische Reaktion, oder Umwandlung von mechanischer Energie in thermische Energie durch Reibung (siehe Dissipation, Energieentwertung).

Abnehmen kann die Entropie eines Systems nur durch Abgabe von Wärme oder Materie. Daher kann in einem abgeschlossenen System (einem System, bei dem es keinen Energie- oder Materieaustausch mit der Umgebung gibt) die Entropie nicht abnehmen, sondern im Laufe der Zeit nur zunehmen (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Prozesse, bei denen Entropie entsteht, werden daher als irreversibel (unumkehrbar) bezeichnet.

Sie können nur dadurch rückgängig gemacht werden, dass ein zweites System die Entropie aufnimmt.

Was die Umwandlung von Wärmeenergie in in mechanische oder elektrische Energie angeht, gibt es wie überall in der Physik eine "Obergrenze" - die hat der französischen Offizier, Ingenieur und Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot entwickelt. Der nach ihm benannte Carnot-Wirkungsgrad, auch Carnot-Faktor genannt, ist der höchste, theoretisch mögliche Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische oder elektrische Energie.

Damit wird das Verbrennen fossiler Energieträger zu einem voraussehbaren "Verlustgeschäft". Aus den selben Gründen gilt das auch bei anderen Umwandlung von Wärmeenergie in in mechanische oder elektrische Energie, wie sie in Atomreaktoren als Wärmequelle ablaufen.

Biblis, Hessen - Kraftwerkstyp : "Druckwasserreaktor" elektrische Leistung (Block A +B) = 2.394 MW (Netto)

So findet man das auf der WEB-Seite des Informationszentrum des seit 2011 stillgelegten Kraftwerks. Was da sich da "leider" nicht findet, ist die "Thermische Reaktorleistung" von (Block A +B) = 7.250 MW die Brutto 2.525 MW und 2.407 MW Netto geführt haben die Kleinigkeit von 118 MW Leistung wurde kraftwerksintern für den Eigenbedarf benötigt.

Wie nahe die 2.525 MW Bruttoleistung "elektrisch" den theoretischen Carnot-Prozess erreicht haben, weiß ich nicht zu sagen (lässt sich sicher herausfinden). Jedenfalls liegt der Prozentsatz bei 34,828 und damit landeten bei Volllastbetrieb beider Blöcke ca. 65% der ursprünglichen thermischen Energie als Anergie im Rhein. War der schon über dem Wärmelimit, wurden der Betrieb von weitere el. Lüftermotoren für die bis zu 4 Kühltürme fällig. Ob man das nun den bis dahin 1,628 % Eigenbedarf zurechnet, macht keinen großen Unterschied mehr aus. Am Hochspannungstrafo im Kraftwerk kam bis dahin maximal 33,159% "Netto" an. Nach mehreren Transformationen thermischen und kapazitiven Verlusten landet die verbliebene Exergie dann endlich beim Endkunden.

Der Weltbedarf an elektrischer Energie (also das "Netto vom Brutto") lag 2010 bei ca. 17% von 140 PWh was 23,8 PWh ergibt. bei einem "großzügigen" Prozentsatz von 34% Exergieanteil müßten dem also ca. 79,33... PWh an Energie zugrunde liegen - da ist noch keineswegs die Energie eingerechnet, welche "bis Kraftwerk" erforderlich wurde. Auch die Beseitigung von Abfällen "danach" ist wohl noch offen.

Zur Erinnerung 1 PW = 1 * 1015 oder 1.000.000.000.000.000 Wh

Der Anteil von "Kernenergie" an der Weltprimärenergie liegt bei 6,8 % - das sind 17% der Elektrizitätsversorgung - thermisch entsprechen 6,8% oder 17% "elektrisch" ca. 34 von Einhundert. Es verpuffen also 66% nutzlos und wo die Abwärme nicht "hingehört" auch schädlich als Anergie....

Preisfrage, wollte man den gesamten Primärenergiebedarf über "Kernenergie" abdecken, würden immer noch 66% nutzlos / schädlich die Flüsse oder das Meer belasten. Glücklicherweise würde das verwertbare Uran "alsbald" ausgehen. Auch Uran ist von einer (sehr) endlichen Menge

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Bis auf die Speicherung in sog. "Kondensatoren" ist der Speicherung immer ein "verlustbehafteter Vorgang" der lediglich einen unterschiedlichen Anteil Anergie zur Folge hat, möglich. Dieser Vorgang hat in "beide Richtungen" beim "Einlagern" und dann nochmal beim Rückgewinnen des bis dahin erzielten Exergieanteils, einen Anstieg der unerwünschten Anergieanteile zur Folge.

Defakto wird also vormals elektrische Energie, in einer anderen Energieform gespeichert. Mit den beschriebenen Nachteilen. Im günstigsten Fall kann aus z.B. Akkus direkt el. Energie entnommen werden. Doch die dazu genutzte Energie muß stets erneut aus der vorliegenden Energieform durch Umwandlung zurückgewonnen werden.

Will man diese weitere Erhöhung der Anergieanteile vermeiden, muss die generierte el. Energie möglichst direkt unter Vermeidung alle Komponenten, die den Anergieanteil erhöhen genutzt werden. Jeder Meter Leitung, jede Transformation in andere Spannungsebenen verursacht mehr unnutzbare Anergie.

Jede Form der Speicherung von el. Energie ist in "beide" Richtungen "verlustbehaftet". Daher gilt es die an geringsten verlustbehaftete Methode zu entwickeln und wo immer möglich, auch Teile der Anergie (z.B. Wärmeenergie) weiterer Nutzung zuzuführen.

Es ist völliger Unsinn, weiterhin z.B. fossile Stoffen zu "verstromen" um sie dann in welcher Form auch immer zu speichern. Das Verbrennen fossiler Stoffe ist nur schwierig der benötigten Leistung anzupassen. Überschüsse werden daher gleich mehrfach verlustbehaftet in sog. "Pumpspeicherkraftwerken" zwischengespeichert. Eine gigantische Ressourcenverschwendung. Werden doch hier mit reichlich Anergieanteilen geförderte Kohle oder andere fossile Stoffe mit weiteren Wirkungsgrad verbrannt, um dann nochmal mit weiterem Anergieanteil in die erforderliche Höhe gepumpt zu werden um von dort mit weiteren Anergieanteilsteigerungen dem Netz zugeführt zu werden.

Es macht einen deutlichen Unterschied aus welcher "Quelle" die "Endenergie" eines solchen Prozesses stammt. Wenig beachtet (jedenfalls bei der nun aufkommenden Klimadiskussion) werden sehr große Umwelt- und Gesundheitskosten externalisiert, die für den Ausgleich der nur schwer regelbaren fossilen und atomaren Stromerzeugung anfallen. Es macht schon einen Unterschied ob man "Strom" aus fossilen / atomaren Quellen vergeuden "muss" um damit sog. "Regelenergie" zu schaffen. Wenn auch gleichermaßen "unwirtschaftlich", wenn el. Energie aus WKA und oder PV in Pumpspeicherkraftwerken endet. Doch da dieser "Energienachschub" selbst keine Kosten die über die ursprüngliche Investition, für Wartung und Störbehebung hinausgeht und keinerlei sonstige extensionale Kosten ( Umwelt- und Gesundheitskosten) verursacht, kann das durchaus eine vernünftige Teillösung darstellen.

Es gibt allerdings eine ganze Reihe von Speichermethoden die dieser recht zentralen Speichermethode "Pumpspeicherkraftwerk" deutlich positiver gegenüberstehen. Ein offensichtliches und unvermeidbares "Muß", wenn die noch immer zentralistische oder schwerpunktorientierte Stromversorgung nicht in ein sinnvolle Dezentralisierung der Erzeugung mit Schwerpunkten zu den Betrieben - Abnehmern umgestaltet worden ist.