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Bild: Doppel-Crowbar-Blitzstromgenerator für 400 kA (10/350 ?s) (Quelle: DEHN SE + Co KG)
Blitz- und Überspannungsschutz | Regenerative/Alternative Energien

Aus dem Facharchiv: Elektropraxis

Blitzblindleistung

25.08.2022

In den Veröffentlichungen zur Energiewende werden regelmäßig allerhand abstruse Methoden und Techniken zur Gewinnung elektrischer Energie „aus der Natur“ vorgeschlagen [1]. Eine Idee allerdings ist in diesem Zusammenhang bislang noch nicht aufgetaucht – so nahe sie auch liegen mag, da elektrische Energie unter Umständen direkt in der Natur auftritt, nämlich bei Gewitter: Könnte man Blitze nicht einfangen und ihre elektrische Energie nutzbar machen?

Die wahrscheinlich bekannteste deutsche Fachfirma auf diesem Gebiet berichtet allerdings, dass sie Fragen zum Energie-Inhalt von Blitzen und ähnliche sehr oft gestellt bekommt und deswegen schon einen Abschnitt auf ihrer Webseite dazu veröffentlicht hat [2]. Die erste Frage, die es in diesem Zusammenhang zu beantworten gilt, ist: Wie viel Energie steckt denn darin?

Energie von Blitzen

Folgende Abschätzung mag hier helfen:
  • Die Durchschlagsfestigkeit von Luft liegt bei etwa 2 – 3 kV/mm, also 3 × 103 V/10-3 m. Bei Gewitter liegt der Wert wegen des hohen Feuchtegehalts und vor allem wegen der Ionisation der Luft aber wesentlich niedriger: „Allerdings wurden solche Feldstärken in einer Gewitterwolke noch nie gemessen. Messungen ergeben nur extrem selten Feldstärken von über 200 kV/m.“ [3]
  • Die Länge eines Blitzes schwankt sehr stark. Als Mittelwert kann man von etwa 2 – 3 km ausgehen [2]. Demnach müsste unter „normalen“ Umständen eine Spannung deutlich über 1 010 V (10 GV) „dahinter stecken“, ehe es zum Überschlag kommt. Rechnen wir also hier mit 1 GV weiter.
  • Der Scheitelwert eines Blitzstoßstroms kann bei 200 kA liegen, in tropischen Regionen auch 400 kA. Rechnen wir mit 100 kA, also 105 A, für einen mehr oder weniger üblichen Blitz.
  • Nun fehlt noch die Zeit. Der Blitz ist „blitzschnell“ wieder vorbei, aber die Dauer ist schwierig einzugrenzen, da sie stark streut. In den Normen gibt es z. B. eine Standard-Stoßwelle mit einer „Stirnsteilheit“ t1 von 1 µs und einer „Rückenhalbwertszeit“ t2 von 200 µs. 
Eine andere Norm-Stoßwelle wartet mit t1 = 0,25 µs und t2 = 100 µs auf und eine dritte als energiereichste, die uns nachfolgend als Beispiel dienen soll, mit 10/350 µs. Nehmen wir also vereinfacht einen Rechteck-Impuls von 105 A und einer Dauer von 10-3 s an.
  • So gelangen wir zur Energie: 109 V × 105 A × 10-3 s = 1 011 Ws = 102 GJ ≈ 28 MWh.
Damit hätte ein Blitz im Jahresmittel von 2019 an der Energiebörse EEX immerhin 1 144 € erbracht! Die genannte Fachfirma vergleicht den Energie-Inhalt einer Blitzentladung allerdings mit dem von 10 l Heizöl [2]. Diese Menge liefert jedoch nur einen Heizwert von etwa 100 kWh (während bezüglich der Spannung auch dort und an anderen Stellen [4] von „mehreren 100 Millionen Volt“ die Rede ist). Das ist ein Widerspruch. Wie ist dieser aufzulösen?

Elektrische Energie direkt aus der Natur?

Denn natürlich melden sich sofort wieder die Enthusiasten mit Abschätzungen zu Wort, denen zu Folge auf der Erde insgesamt im Durchschnitt ständig 2 000 Gewitter niedergehen, die zusammen etwa 30 bis 100 Blitze pro Sekunde auf der Erde einschlagen lassen. 100 Blitze pro Sekunde repräsentieren nach obiger Rechnung rein theoretisch immerhin schon die unvorstellbare Leistung von 10 TW. Das Wasserkraftwerk von Itaipú [5] schafft „nur“ 14 GW Dauerleistung. Alle Flüsse dieser Welt in einen einzigen Staudamm zu leiten wäre zwar auch absurd, aber immer noch ein wenig weniger absurd als ständig allen Gewittern dieser Welt hinterher zu jagen.

Rekord

100 Blitze pro Sekunde klingt nach viel, doch umgerechnet auf die gesamte Oberfläche der Erde ergibt das nur einen Blitz im Jahr auf jeweils 4 km². Vielleicht sollte man sich getreu dem Motto, überall das zu nutzen, was sich am Ort des Geschehens jeweils anbietet, einmal die Unterschiede ansehen: Die höchste Blitzdichte wird vom Maracaibo-See in Venezuela gemeldet [6]. Dort ist von 183 Blitzen pro Stunde auf jedem Quadratkilometer die Rede. Das ist mal gleich das 250 000-Fache des Durchschnitts! Wenn man also Blitze einfangen möchte, dann sollte man hier anfangen – auch wenn die Zahl dadurch geschönt ist, dass von Blitzen insgesamt die Rede ist und nicht von Einschlägen auf die Erde. Nur rund jeder zehnte Blitz schlägt auf der Erde ein – aber dann liegt der Faktor noch immer bei 25 000.

Der Spannungsabgriff?

Eine weitere Frage ist jedoch, ob es denn theoretisch überhaupt möglich wäre, die Spannung des Blitzes „zwischen seinen Enden abzugreifen“ und zu nutzen – ganz abgesehen von dem weiteren praktischen Problem, dass man nicht vorher weiß, wann es wo blitzen wird. Die Feldstärke ließe sich schon messen, und durch geeignete Vorrichtungen lässt sich ein Blitz auch in Grenzen triggern. Doch besteht dieses eine Feld überhaupt in dieser Form, oder muss man sich den gigantischen Kondensator zwischen Wolke und Boden nicht eher als eine Reihenschaltung vieler keiner Teilladungen vorstellen? Schließlich weiß man heute sehr genau, dass der Blitz – so schnell er auch ist – nicht auf der ganzen Länge gleichzeitig zündet, sondern meist in „Ruckstufen“. Der erste Kondensator schlägt also zuerst durch. Hiermit trifft dessen Spannung auf den zweiten – zusätzlich zu der dort schon anstehenden Spannung – und die Kettenreaktion setzt ein.

Blitze im Prüflabor

Diese wird auch im Hochspannungslabor nachgebildet, z. B. um Überspannungs-Schutzgeräte zu prüfen (Bild 1; siehe zu möglichen Dimensionen auch [7]). Dabei ist allerdings immer nur vom Strom-Impuls die Rede. Die betreffende Norm [8] schlägt eine Reihe von Schaltungen vor, um die Impulse in eine reproduzierbare Form zu bringen. Eine Spannung im Gigavolt-Bereich lässt sich natürlich im Labor nicht handhaben; für Blitze von mehreren Kilometern Länge ist auch kein Platz. Die Energie schlüge hier doch sehr zu Buche – auf dem Stromzähler ebenso wie bei den Sicherheitsvorkehrungen und beim „Donner“ (Zuschauern werden ohnehin trotz einer vorhandenen Glasscheibe auch noch Gehörschützer verpasst). Deswegen ist in der Norm nur von einer „spezifischen Energie“ die Rede, die beim Durchgang des Blitzstroms durch einen bestimmten Normwiderstand in Wärme umgesetzt würde. Die verwendeten Spannungen reichen aber immerhin bis 3,5 MV. Autor: S. Fassbinder Literatur: [1] Fassbinder, S.: Der Weg zur Energiewende – Chancen und Hindernisse, Teil 7.1: Bilanz – Regelenergie, Kosten, Sensationsmeldungen, Statistik. Elektropraktiker, Berlin 70 (2016) 7, S. 560. [2] www.dehn.de/de/haeufig-gestellte-fragen [3] https://de.wikipedia.org/wiki/Blitz [4] https://weather.com/de-DE/wissen/wetterlexikon/news/blitz-gigantischer-kurzschluss-am-himmel-bringt-leuchtfeuer [5] www.itaipu.gov.br, siehe auch Fassbinder, S.: Der Weg zur Energiewende – Chancen und Hindernisse, Teil 4 Knackpunkt Energiespeicher. Elektropraktiker, Berlin 70 (2016) 4, S. 206. [6] https://weather.com/de-DE/wissen/wetterphaenomene/news/2015-12-08-rekordblitze-in-venezuela-wilde-gewitterspektakel-am [7] https://de.wikipedia.org/wiki/Marx-Generator, hier insbesondere das erste Bild, Marx-Generator an der TU Dresden. [8] DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1):2011-10 Blitzschutz – Teil 1: Allgemeine Grundsätze. Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.