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Dienstag, 29. Januar 2013

Das Gewicht von Energiespeicher

Energie Speicher sind schwer

Jede Form der Energiespeicherung erfordert den Einsatz von Materialien, die Gewicht haben. Ich will mal versuchen das Gewicht der Speicher einheitlich zu betrachten.
Besonders bei Fahrzeugen, Autos, Fahrräder und natürlich Flugzeugen spielt die Masse pro gespeicherte Energiemenge, ich nehme wieder die kWh, eine große Rolle. Aber auch andere mobile Systeme wie Laptop, Handy und viele andere mobile Geräte nutzen heute Energiespeicher, die möglichst leicht sein sollen.

Die physikalische Grenze

Zur Orientierung will ich mal angeben, wie viel eigentlich die Energie "eine Kilowattstunde" wiegt. Hier hilft die weltbekannte Formel von Einstein weiter:
E = mc²
und umgeformt
m = E/c²
Dabei ist E die Energie, eine Kilowattstunde sind 3.600.000 Joule (Nm=kg m² /s²), c ist die Lichtgeschwindigkeit mit 300.000.000 m/s und schon erhält man:
m = 3600000 kg m²/s²/(300000000 m/s)²
m =  0,00000000004kg
m = 0,00000004g
m = 0,00004 mg
m = 0,04 µg
m = 40 ng
Die Kilowattstunde wiegt gerade mal 40 nano Gramm, das Gewicht von Batterien liegt also nicht an der Energie, sondern am Energieträger. Der Wert 40ng/kWh ist daher rein theoretischer Natur, wichtig für die Raketenbauer in Star Trek oder ähnlichen Science Fiktion.

Wasserstoff, das leichte Element 

Wasserstoffatome bestehen nur aus einem Proton und einem Elektron, daher sind Wasserstoffatome sehr leicht. Da die Energie in chemischen Bindungen, grob gesagt, immer gleich ist, spielt das Gewicht der Atome eine erhebliche Rolle. Wasserstoff, genauer gesagt H2 Moleküle, kann man mit Sauerstoff verbrennen. Dabei wird sehr viel Energie frei. Das ist auch der Grund, warum Weltraumraketen oft Wasserstoff nutzen, man denke an den großen Tank des Spaceshuttles. Mit einem Brennwert von 141,8MJ/kg kann man leicht berechnen, dass eine Kilowattstunde Energie nur 25 Gramm wiegt. Aber das ist weniger als die halbe Wahrheit, weil zum Wasserstoff kommt ja Sauerstoff dazu, und der ist deutlich schwerer!
2H + O => H2O
Berücksichtigt man dies, muss man 228 Gramm Materie einsetzen um eine Kilowattstunde Brennwert zu bekommen, das ist insbesondere bei Brennstoffzellen zu berücksichtigen, die den Sauerstoff nicht aus der Luft nehmen.

Diesel, das Energiewunder

Es gibt einen guten Grund, warum alle LKW und viele andere Fahrzeuge Diesel tanken, die hohe Energiedichte. Eine Kilowattstunde, gespeichert in Form von Diesel, wiegt nur 80 Gramm und ist wesentlich leichter zu handhaben als Wasserstoff, ganz abgesehen davon, dass Diesel praktisch ohne aufwendige Prozesse aus Rohöl destilliert werden kann. Auch hier wurde der Sauerstoff nicht berücksichtigt, da bekanntlich dieser aus der Luft genommen wird. (Siehe auch: Superspeicher Diesel)

Brennwert oder Arbeit

Leider hilft der Brennwert wenig, wenn man statt Wärmeenergie Arbeit benötigt. Arbeit erzeugt hier zumeist ein Verbrennungsmotor oder eine Turbine. Die besten Wirkungsgrade liegen im Bereich von 50%, das bedeutet, dass man jeweils doppelt so viel Material mitnehmen muss um die entsprechende Arbeit zu erhalten. Diese Situation ist bei Batterien anders, hier ist es oft möglich einen sehr hohen Wirkungsgrad (besser als 90%) zu erreichen, so dass man die Masse der Batterie direkt für die Berechnung der Arbeit einsetzen kann. (Hinweis: Eigentlich muss hier Brennwert und Heizwert unterschieden werden)

Batterien

Batterien sind Stromspeicher und da Strom perfekt in Arbeit umgesetzt werden kann, es gibt Elektromotoren mit 99% Wirkungsgrad, sind sie sehr attraktiv für Antriebe aller Art. Allerdings gibt es zwei Probleme, die Masse der Elektrolyten ist oft sehr groß, man denke nur an Blei. Ein Bleiatom ist 207-mal schwerer als ein Wasserstoffatom, das führt daher zu sehr großen Massen, die man benötigt um eine Kilowattstunde zu speichern. In der Praxis verwendete Bleiakkumulatoren wiegen 20 kg pro Kilowattstunde. Damit sind sie um den Faktor Hundert schwerer, als die vergleichbare Menge an Diesel, wenn man die Umwandlungsverluste bereits berücksichtigt. 
Eine Reduzierung des Gewichts erreicht man am einfachsten, indem man ein Metall verwendet, bei dem jedes Atom leicht ist, und hier kommt Lithium ins Spiel, es ist das leichteste Metall, ein Atom Lithium wiegt nur so viel wie sieben Wasserstoffatome. Und tatsächlich kann man Lithiumakkumulatoren bauen, die pro Kilowattstunde nur 7kg wiegen. Das Problem ist, dass zum Lithium noch andere Materialien für den elektrochemischen Prozess benötigt werden, die letztendlich das Gewicht bestimmen. 

Theoretische Batterie

Die Forschung versucht das Problem etwa dadurch zu verringern, indem man Sauerstoff aus der Luft verwendet. Eine Gewichtsreduktion um den Faktor zehn ist zumindest nicht ausgeschlossen, wenn auch sehr schwierig. Damit wäre es möglich, in etwa einem Kilogramm Batterie eine Kilowattstunde zu speichern. Das ist immer noch schlechter als Diesel, aber es wäre für die Praxis völlig ausreichend, da ja auch der schwere Dieselmotor entfallen würde.

Fazit

Kohlenwasserstoffe, wie Diesel, sind optimale Energiespeicher und werden in den nächsten Jahrzehnten sicher den Antrieb von Flugzeugen und Transportfahrzeugen dominieren. Allerdings ist es denkbar, diese Treibstoffe aus Solarstrom herzustellen, siehe "synthetisches Öl aus Solarenergie". Batterien haben nur eine Chance, wenn erhebliche Verbesserungen bei der Energiedichte erzielt werden.
Für den Einsatz in Stadtautos oder Fahrrädern sind sie aber bereits heute optimal. Die Speicherkosten bei Batterien sind aber so hoch, dass sie für die Stromspeicherung im Netz keine bedeutende Rolle spielen können.

Noch ein Hinweis, der Lageenergiespeicher hat eine Energiedichte von 734kg/kWh, wenn er mit 500m Radius arbeitet.








Kommentare:

  1. Vielen Dank Herr Professor Heindl, für den knappen übersichtlichen Vergleich, der einem leicht ein Gefühl für die Größenordnungen gibt.
    Über Ihre Aussage "Der Wert 40ng/kWh ist daher rein theoretischer Natur, wichtig für die Raketenbauer in Star Trek oder ähnlichen Science Fiktion." wundere ich mich aber sehr.
    Nach Angabe der AG Energiebilanzen sind in Deutschland im Jahr 2012 99 x 10^9 kWh Strom durch Kernernergie erzeugt worden. Damit sind bei einem angenommen Wirkungsgrad von 30% ca. 13,2 kg Masse gemäß der Formel E = mc² PRAKTISCH in Strom umgwandelt worden. Was daran theoretische Science Fiction sein soll, leuchtet mir nicht ein.

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  2. @Moseler,
    Jede Energieerzeugung, auch Kohle und Uran, basiert auf der Einsteingleichung. Bei Uran wurden sicher viele Tonnen in Kernkraftwerken verbraucht, U235-> Spaltprodukte, jedoch hat die Masse nur, wie sie richtig schreiben, um 13kg abgenommen. Eine vollständige Umwandlung "StarTrek" würde bedeuten, ich nehme 6,6kg Antimaterie + 6,6kg Materie und wandele diese direkt in Energie um. Das wäre ein sparsamer Materialeinsatz.

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  3. @Heindl
    Danke für die Klarstellung, dass Sie die vollständige Umwandlung von Materie in Energie gemeint haben. Da müssen wir wahrscheinlich noch ein paar Dekaden oder Centennien weiter forschen, bis sich das in einem technischen Prozeß nutzen läßt ...
    Bis dahin werden wir aber auf der Erde noch leicht mit der unvollständigen Umwandlung der spaltbaren Elemente über die Runden kommen. Außer natürlich in Deutschland, wo es vorteilhafter scheint, die Energie im Berg zu speichern, als gleich den Stein zu nehmen, sprich die Energie in der Materie selbst zu lassen bis man sie nutzen will.

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  4. Hallo Herr Professor Heindl,

    da haben Sie aber einen echt interessantes Blog hier. Wir befassen uns mit einer ähnlichen Thematik, vielleicht haben Sie ja Lust mit uns etwas zu kooperieren?

    Wir von energieheld sind ein Webportal für Energieeffizienz – ein Internet-Startup ausnahmsweise mal nicht aus Berlin sondern aus Hannover ;) – und ist seit Dezember 2012 online (www.energieheld.de).
    Das Gründerteam besteht aus drei Energietechnikern (Promoviert, Diplom und Master). Wir als Team sind überzeugt von der Energiewende und wollen durch unsere Geschäftsidee helfen, die Klimaschutzziele 2050 zu erreichen. Ein großer Teil der CO2-Emissionen entfallen auf den sanierungsbedürftigen Gebäudebestand. An dieser Stelle setzen wir an.

    Das ist unsere Idee:
    Wir haben ein kostenloses Online-Tool entwickelt: unseren energiecheck. Dort klicken sich unsere User durch einen Fragebogen zu ihrem Energiehaushalt und bekommen dann automatisch ihr Einsparpotential, die passenden Maßnahmen und Fördermöglichkeiten. Im Anschluss daran gibt's telefonische Beratung durch uns und Vermittlung an entsprechende lokale Handwerker.
    Durch Information, Beratung, Umsetzung – quasi alles aus einer Hand – erhoffen wir uns einen einfacheren und dadurch häufiger genutzten Weg zur Gebäudesanierung.

    Wir haben schon starke Unterstützung: Bei den Förderwettbewerben Plug&Work sowie GründerCampus Niedersachsen konnten wir bereits überzeugen und werden durch die Region Hannover, das Land Niedersachsen sowie die EU gefördert. Außerdem stehen wir in engem Kontakt zur Klimaschutzagentur.

    Dieser energiecheck lässt sicha cuh als iFrame in andere Websiten einbinden. Das würde dann in etwa so aussehen:
    http://www.energieheld.de/energiecheck/starten/testtracking/calculator_alt_light
    Das layout lässt sich natürlich anpassen.

    Wir würden uns freuen, würden Sie Verwendung für unseren Check haben. Er ist komplex aber anwenderfreundlcih und bietet sicher einen Mehrwert für jede Website über Energie-themen.

    Wäre schön von Ihnen zu hören.

    Viele Grüße,
    vom gesamten energieheld-Team

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  5. Bin nicht mit allem einverstanden.
    Erster Punkt: Energiedichte ist nicht alles. Es geht (und wird darum gehen) dass die einfach für die Bedürfnisse ausreicht. Ein 2-Tonnen-Auto schleppt z.B. auch nicht 200-300 kg Benzin/Diesel mit sich rum, obwohl es möglich wäre (das wäre nur 10-15% des Gesamtgewichtes). Es geht darum, dass es für die meisten Zwecke ausreichend ist.

    Die übliche Reichweite ohne Zwischenstopp ist typischerweise 200-500 km. Mehr sollte man ohne Pausen eh nicht am Stück fahren. Aus Sicherheitsgründen, oder weil man nach vielen Stunden eh einige körperliche Bedürfnisse hat. Und dafür wären selbst die normalen heutigen Li-Akkus ausreichend, wie z.B. Tesla Motors mit dem Model S als ein kaufbares E-Auto eindrucksvoll beweist.

    Aber es ginge noch viel viel mehr (die Grafik ist nicht vollständig). Z.B. mit den Akkus der nächsten Generation, z.B. LiS oder Li-Luft. Beim zweiten wäre die theoretische Energiedichte gar vergleichbar mit Benzin/Diesel...

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