Lohnt es sich Blitzenergie zu nutzen?

Hallo Steemians, da ich diese Frage häufig höre und noch häufiger falsche Antworten dazu möchte ich dem Thema mal einen Post widmen. Ich werde probieren nicht zu tief ins Detail zu gehen, da der Post sonst zu lang wird. Wer nicht soviel lesen will, findet unten ein kleines tl;dr.

Wie entsteht eigentlich ein Blitz?

Für einen Blitz benötigen wir erst einmal geladene Wolken (Gewitter) und die entstehen bei einem senkrechten Transport von warmen Luftmassen bei hoher Luftfeuchtigkeit . Dies kann durch verschiedene Wettersituationen entstehen, auf die ich nicht genauer eingehen will. Es bilden sich also Aufwinde mit bis zu 100km/h, welche durch das elektrische Erdfeld und die Reibung der Luft mit den Wassertropfen und Eispartikeln die Luftmassen polarisieren, was eine Ladungstrennung und damit die Entstehung von verschiedenen Potentialen zur Folge hat (siehe [2], S. 212ff.).

Mit steigendem Potential der Wolke nimmt das elektrische Feld zwischen Wolke und Erdboden zu, gängige Durchschnittswerte bei Gewittern sind da ca. 30kV/m, was bei einer Entfernung von bspw. 2000m einer Spannung von 60MV entspricht. Klingt erstmal richtig viel, wenn man bedenkt dass in unserer Steckdose 230V Spannung anliegen.

Die Feldverteilung ist allerdings nicht homogen. In der Wolke liegt eine starke Inhomogenität vor und am Boden kann durch Gebäude o.ä. auch eine inhomogene Feldverteilung entstehen, dies hat erhöhte Feldstärken an diesen Stellen zur Folge! Durch eine hohe Feldstärke kann eine Umwandlung der Luft in Plasma erfolgen, die Luft wird ionisiert und verliert dadurch ihre Isolationsfähigkeit.

Bevor wir über den Lichtbogen sprechen, eine kurze Erklärung was Plasma eigentlich ist: Plasma wird häufig als der vierte Aggregatszustand bezeichnet. Erhitzt man ein Gas sehr stark bzw. setzt es einer starken Feldstärke aus beginnen sich die Moleküle bzw. Atome in positiv, negativ und ungeladenen Teilchen aufzutrennen. Dieses Plasmagas besitzt durch die freien Elektronen nun eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit und hat noch weitere tolle Effekte die uns hier allerdings nicht weiter interessieren.

Ab einer Feldstärke von ca. 10kV/cm bilden sich die ersten Leader-Entladungen, welche den Ionierungsvorgang (Entstehung von Plasma) der Luft einleiten und den Grundstein für weitere Entladungen legen (siehe [1], S. 15). Es bildet sich also ein Ladungsträgerschlauch aus Plasma in der Luft, wobei der Plasmakern hochionisert ist (~0 Ohm). Das ganze Konstrukt fliegt nicht sofort Richtung Erdboden sondern wird nach und nach weitere Teile der Luft ionisieren (mit bis zu 300km/h). Da der Ionisierungsvorgang von sehr vielen Faktoren abhängt (Temperatur, Druck, Startelektron, ...) klappt er nicht immer. Was man unter anderem daran erkennt, dass die Blitze manchmal starke Kurven einlegen und nicht den theoretisch kürzesten Weg zum Erboden wählen bzw. einfach erlöschen. Daher sieht man häufig auch mehrere Blitze mit mehreren "Armen". Da der Lichtbogen selber quasi keinen Widerstand besitzt transportiert er das Hochspannungspotential immer weiter Richtung Erde und erhöht somit permanent die Feldstärke, was weitere Ionisierungen begünstigt. Irgendwann steht dann ein Kanal zum Erdboden, welcher bei einer inhomogenen Feldverteilung am Boden auch mit einer Fangentladung vom Boden aus "empfangen" werden kann (siehe [1], S. 16).

Jetzt haben wir einen Lichtbogen zwischen Wolke und Erdboden stehen, eine fast widerstandslose Verbindung (Plasmakanal in Luft), und haben damit einen klassischen Kurzschluss vorliegen. Jetzt findet der Ladungsträgeraustausch der beiden Potentiale statt und es fließt ein Kurzschlussstrom von i.d.R. mehreren hundert kA.

Wie groß ist die dabei umgesetzte Leistung?

Wir rechnen mal mit einem typischen 100kA Blitz mit einer Anstiegs- und Abfallzeit von 1/200us.

Ich habe viele Diskussionen miterlebt wo die Nutzer einfach den Scheitelwert des Blitzstromes mit der maximalen Wolke-Erde-Spannung multiplizieren und so auf eine sehr hohe Leistung kommen:
60MV * 100kA = 6TW.
6 Terrawatt an Leistung, WAHNSINN, damit kann man ganze Länder versorgen, selbst wenn wir nur einen Bruchteil davon gewinnen können würde es sich extrem lohnen. Warum wird dann dahingehend keine Forschung betrieben? Nun, wenn man die Zahl mit der Anstiegszeit weiter umstellt merkt man den ersten Denkfehler: *6 TWus = 6MWs = 1,67kWh...

Die Rechnung hat aber noch einen weiteren entscheidenden Denkfehler:
Die 60MV Spannung liegen nur kurz vor einem Blitz an, sobald der Blitz bzw. die leitende Verbindung zum Erdboden steht bricht die Spannung bis auf die Anodenfall- bzw. Kathodenfallspannung zusammen.
Das ganze verhält sich ähnlich dem Entladevorgangs eines (HV)-Kondensators.
Dass gleiche passiert auch bei einem Blitz, dies wiederrum bedeutet wir müssen die Leistung anders berechnen.
Die 60MV müssen mit der Anodenfall- bzw. Kathodenfallspannung ersetzt werden, diese liegt bei ca. 30V (siehe [2], S. 210 ff.). Den Scheitelwert des Blitzstromes einzusetzen bringt auch recht wenig, wir wollen ja die Energie des gesamten Blitzes. Also integrieren wir die Blitzladung anhand vom Stromverlauf über der Zeit. Bei einem typischen 100kA Blitz bekommen wir da eine Ladung von ca. 150As heraus.

Damit schwindet die Leistung enorm auf: 30V * 150As = 4,5kWs (kJ) = 0,00125kWh -> Das ist NIX!

Macht dieser Wert denn überhaupt Sinn, können mickrige 4,5kJ Bäume zersplittern und ganze Häuser abbrennen?
Ja, denn die beim Einschlag entstehende Wärmeenergie berechnet sich so: Pj = i²*R und ist daher nur abhängig vom Widerstand des Einschlagobjektes und dem Blitzstrom, desto kleiner der Widerstand ist, desto kleiner sind die Schäden (Bsp. Blitzableiter).
Ein Baum besitzt einen relativ hohen Erdwiderstand und daher entsteht beim Einschlag sehr viel Hitze, dadurch verdampft das enthaltene Wasser und durch den dadurch entstehenden Druck explodiert er einfach. Bei dem Einschlag in ein Haus ohne Blitzableiter verhält sich Angelegenheit ähnlich.
Bei Häusern mit äußerem Blitzschutz werden durch einen Blitzeinschlag in der Nähe bzw. im äußeren Blitzschutz(Blitzableiter) hohe Spannungen in den Stromkreisen im Haus induziert (hohes di/dt), welche Isolierungen durchbrechen und durch die daraus folgenden Kurzschlüsse zu Bränden führen können. Es ist also essentiell wichtig auch innere Überspannungsableiter zu installieren!

Bei Einschlägen in metallene Objekte, welche einen geringen Widerstand haben, wird deutlich wie "gering" die Leistung doch eigentlich ist. Der Strom ist sehr hoch, fließt aber nur in extrem kurzer Zeit und kann dadurch sehr wenig Energie an das Material abgeben:

tl;dr.: Blitzenergie zu nutzen ist sinnlos und den Aufwand nicht wert.

Quellen:
[1] DEHN + SÖHNE GmbH + Co.KG. (Hrsg.): Blitzplaner, 3. Auflage, Neumarkt, Juli 2013.
[2] Andreas Küchler: Hochspannungstechnik - Grundlagen Technologie Anwendung, 4. Auflage, Berlin u.a.: Springer Verlag 2017
Die Bilder stammen, bis auf das Titelbild, ebenfalls aus diesen Quellen.
Das Titelbild stammt vom Arbeitskreis Meteore e.V.

Ich hoffe das Thema konnte einigermaßen verständlich rübergebracht werden. Fragen natürlich gerne in die Kommentare.

Liebe Grüße
Elektr1ker