Homepage der
Agenda-21-Seiten

(Seitenübersicht/
Sitemap Agenda)

Homepage der
gesamten Webpräs.

(Seitenübersicht/
Sitemap gesamt
www.wiss.-tech.-ethik.de)

Suchwortliste für Suchmaschinen:
Energie, erneuerbare, Energien, erneuerbar, erneuerbare Energien, Windkraft, Wasserkraft, Brennstoffzelle, Biomasse, Kernkraft, fossile Energieträger, Solarenergie, Solarthermie, Photovoltaik, Solarzellen, Biogas, Biokraftstoffe

www.wissenschaft-technik-ethik.de/erneuerbare-energien.html

Erneuerbare Energien

(Autor: Christian Breyer)


Seiteninhalt: Links zu verwandten Seiten mit ähnlichem Inhalt:





Warum sind Erneuerbare Energien notwendig?

Die bisherige Energiebereitstellung in der EU beruht im Wesentlichen auf fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl und Erdgas) und in deutlich geringerem Maße auf nuklearen Brennstoffen. Alternative Energieträger wie Wasserkraft oder Windkraft spielen im Verhältnis zu den fossilen und nuklearen Energieträgern zur Zeit nur eine untergeordnete Rolle.



 38,5 % Öl

 21,5 % Naturgas

 13,1 % Steinkohle

 12,9 % Kernenergie

 11,2 % Braunkohle

 2,0 % Sonstige

 0,8 % Windkraft
l
l
l
l
l
l
0
10
20
30
40
50
Struktur des Energieverbrauchs in Deutschland 2001
(Quelle: Energie Daten 2002, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie)


Nukleare Brennstoffe haben den Nachteil, dass die nuklearen Abfälle mit keiner heute bekannten Technologie in eine ökologisch unbedenkliche Form umgewandelt werden können. Das Betriebsrisiko von Kernkraftwerken und Atommüll-Endlagern ist auf lange Sicht erheblich, mit extrem nachteiligen Konsequenzen bei einem Unfall mit Freisetzung von großen Mengen an radioaktivem Material.

Fossile Brennstoffe weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Mittlerweile besteht kaum noch ein Zweifel daran, dass durch die bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas zwangsläufig entstehenden CO2-Emissionen der Treibhauseffekt verstärkt wird. Als Konsequenz daraus werden Naturkatastrophen langfristig signifikant zunehmen. Die sicherheitsrelevanten Aspekte des Ölzeitalters sind in den permanenten Öl- und Golfkrisen direkt erfahrbar. Die ökonomischen Risiken, die mit dem Erdöl verbunden sind, lassen sich an der Fiberkurve der Weltwirtschaft ablesen. Jedes Mal wenn der Ölpreis zu schnell zu hoch steigt folgt eine globale Wirtschaftskrise auf dem Fuße. Last but not least folgt die zeitliche Reichweite. Die fossilen Brennstoffe werden zu Neige gehen: zuerst das Erdöl, dann das Erdgas und zum Schluss die Kohle. Neue Explorationsfunde hin oder her, die zu niedrigen Gewinnungskosten förderbaren Brennstoffe werden von Jahr zu Jahr weniger. Fakt ist, dass die Zunahme der Vorräte schon seit Jahren geringer sind, als der jährliche Verbrauch, ergo das Ende naht.

Vorräte an Primärenergieträgern
Quelle: Bundesamt für Geowissenschaften und Rohstoffe, 1998


Kohle
Erdöl
Erdgas
Sichere Reserven in Billiarden kWh
4500
1900
1500
Reichweite der sicheren Reserven bei derzeit. Förderung in Jahren
ca. 170
ca. 40
ca. 70
Geschätzte zusätzliche Reserven in Billiarden kWh
50000
900
2200

Die solaren Energien (Wind, Wasser, Biomasse, Solarthermie und Photovoltaik) vereinen dahingehend viele Vorteile. Einerseits liegen unmittelbar geschlossene Kreisläufe vor, speziell im Hinblick auf CO2, auf der anderen Seite erhalten die Energieverbraucherstaaten wieder mehr Souveränität im Hinblick auf die Basis ihrer Volkswirtschaften, der Energie. Die Unabhängigkeit gegenüber nicht immer verlässlichen Energiepartnern hat eine Vielzahl handfester Vorteile. Deutlich Impulse auf die Binnenkonjunktur (neue Arbeitsplätze im eigenen Land) positive Effekte auf die Zahlungs- bzw. Handelsbilanz (deutlich weniger Devisenabfluss für Energieträger) und nicht zu letzt eine gelebte Generationengerechtigkeit in punkto Ökoeffizienz sind die unmittelbaren Folgen.





Sind die Erneuerbaren Energien nicht viel zu teuer?

Abgesehen davon, dass früher oder später aufgrund der schon beschriebenen Notwendigkeit sowieso neue Energieträger Verwendung finden müssen, wird schlicht mit zweierlei Maß gemessen.

Die fossilen Energien werden seit deutlich mehr als 100 Jahren industriell verwendet. Bis heute wurden Ressourcen indeutlich größerem Umfang in die Entwicklung der entsprechenden Energiewandlungstechnologien investiert als in die Entwicklung nachhaltiger Energiegewinnung. Bei den nuklearen Energien ist eine noch stärkere Verzerrung gegeben, da zumindest zum Beginn der Entwicklung ein erheblicher Teil der Entwicklungskosten vom Militär getragen wurden.

Wenn Energiepreise verglichen werden, fehlen hingegen immer die sog. externen Kosten der fossilen und nuklearen Energien, d.h. die fortschreitende Umweltbelastung und -zerstörung, sowie die versicherungstechnisch gebotenen Risikoprämien des Betriebs, die nämlich trägt die Allgemeinheit. Ernst U. von Weizsäcker hat diese längst überfällige Internalisierung externer Kosten einmal beschrieben mit : „Die Preise müssen nicht nur die ökonomische sondern auch die ökologische Wahrheit sagen.“. Dem ist nichts hinzuzufügen.

Aber selbst wenn mit diesen falschen Preisen Vergleiche angestellt werden weisen die Windkraftanlagen der neuen Generation an guten und sehr guten Standorten gleiche bis niedrigere Kosten als konventionelle Kraftwerke auf. Besonders bemerkenswert ist hierbei, dass diese Form der Energiegewinnung im Wesentlichen ohne jegliche staatliche Beihilfe finanziert wurde.

Pelletsheizungen, die in den Bereich der Biomasse fallen, sind zu identischen Kosten wie Erdgas und mit identischem Komfort zu betreiben, sprich voll konkurrenzfähig.

Wasserkraftanlagen weisen seit jeher die mit Abstand günstigsten Gestehungskosten aller Energieträger auf.

Solarthermieanlagen bei Ein- und Mehrfamilienhäusern können in guten Lagen langfristig ihre Kosten wieder einspielen und sind damit in der Lage, bisherige Anlagen wenigstens teilweise zu ersetzen.

Photovoltaiksysteme sind zur Zeit in vielen Anwendungen verglichen mit den bisherigen Energieträgern noch deutlich kostenintensiver. Für jene, die in abgelegenen Gebieten wohnen (und sich eine Stromversorgung überhaupt leisten können), kann die Photovoltaik aber insgesamt sogar die preiswerteste Lösung sein. Photovoltaisch betriebene Mobilfunknetze in weiten Gegenden Australiens belegen dies eindrucksvoll. Darüber hinaus kann bei dieser Technologie getrost behauptet werden, dass noch riesige Kostenreduktionspotentiale erschlossen werden sobald die Stückzahlen deutlich steigen und damit einerseits Skaleneffekte der Massenfertigung zum Tragen kommen und andererseits mehr Ressourcen in die weitere Optimierung der Technologien investiert werden.





Wie funktionieren die einzelnen Erneuerbaren Energien?

Erneuerbare Energien im Überblick (Quelle: BM f. Wirtschaft und Technologie):






Sonnenenergie im Allgemeinen

Die Sonne strahlt eine gewaltige Energiemenge zur Erde. In einer halben Stunde kommt so viel Sonnenstrahlung auf dem Globus an, dass damit theoretisch der gesamte jährliche Energieverbrauch gedeckt werden könnte. Die Stärke der Sonnenstrahlung ist um so höher, je näher man dem Äquator kommt. In nördlich gelegenen Ländern, wie Deutschland, erreicht die Sonnenenergie Spitzenleistungen nur an wenigen Stunden des Jahres in der Mittagszeit und bei besonders günstigem Wetter. An düsteren Wintertagen kann die Sonnenstrahlung dagegen bis auf 1/25 der Maximalwerte absinken.



Die Sonnenenergie lässt sich auf verschiedene Arten nutzen:

Bei der passiven Nutzung gestaltet man Häuser im Rahmen der Solararchitektur so, dass die Sonnenstrahlung möglichst viel zur Heizung beiträgt. Dies geschieht sowohl über die Strahlung, die ins Innere des Hauses einfällt und die Räume direkt erwärmt, als auch durch die Erwärmung der Wände, Böden und Mauern durch die Sonne von außen.

Die aktive Nutzung in Form der Solarthermie ist die Beheizung von Gebäuden mit Sonnenkollektoren, Speichern und Pumpen. Optimal ist es, wenn sie mit der passiven Nutzung kombiniert wird.

Am aufwändigsten und heute noch am teuersten ist die sog. Photovoltaik. Man versteht darunter die Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht mit Hilfe von Solarzellen.





Passive Nutzung der Sonnenenergie

Bei der passiven Nutzung der Sonnenenergie in Gebäuden sind einige Kriterien zu beachten.

Eine kompakte Bauform ist wesentlich, da je größer die Oberfläche eines Gebäudes im Verhältnis zu seinem Volumen ist, desto größer sind seine Wärmeverluste. Deswegen ist es ratsam, eine möglichst kompakte Form für das Haus zu wählen. Das verringert die Heizkosten.

Eine intelligente Ausrichtung der Räume stellt eine sehr zentrale Einflussnahme auf die Heizkosten dar. In jedem Haus gibt es Zimmer, die wärmer (z.B. Wohnzimmer), andere, die kühler sein sollten (etwa Schlafzimmer). Außerdem gibt es Räume wie die Küche, in denen sowieso Wärme entsteht. Wenn es also gelingt, in einem Haus die Räume so anzuordnen, dass die mit dem höchsten Heizbedarf nach Süden zeigen, die mit dem geringsten hingegen auf der Nordseite gruppiert werden, spart dies Heizkosten. Dieser Aspekt verliert allerdings um so mehr an Bedeutung, je besser die Wärmedämmung des Gebäudes ist.

Die Wärmeschutzverordnung schreibt bei Neubauten vor, welche Maßnahmen zur Wärmedämmung der Bauherr einhalten muss. Darüber hinaus bleibt es aber jedem überlassen, sie noch weiter zu verbessern - entweder durch dickere Dämmstoffschichten oder durch die Wahl eines besser isolierenden Dämmstoffs. Auch die Besitzer von Altbauten sollten darüber nachdenken, ob es nicht sinnvoll ist, eine nachträgliche Wärmedämmung einzubauen. Bei der Ausführung der Wärmedämmung muss man sehr sorgfältig arbeiten. Die Dämmschicht muss mit möglichst gleicher Dicke homogen das gesamte Gebäude umgeben. Wichtig ist auch, dass die Gebäudehülle keine Wärmebrücken zulässt.

Auf dem Gebiet der Glas- und Fensterentwicklung gab es in den letzten Jahren rasante Fortschritte. Die energetisch besten Fenster haben heute eine Dreischeiben-Wärmeschutzverglasung und einen hochwärmegedämmten Rahmen. Sie erreichen Dämmeigenschaften, die so gut sind wie Wände herkömmlicher Gebäude, haben jedoch eine hohe Durchlässigkeit für das Sonnenlicht.

Passive Wärmespeicher im Haus sollten eingeplant werden. Die Wärme, die die Sonne tagsüber einstrahlt, wird im Inneren des Hauses in massiven Böden, Wänden und Decken gespeichert und nachts allmählich an die Räume abgegeben. Man sollte deshalb bei der Planung des Hauses auf Material, Größe und Anordnung derartiger Speichermassen achten.

In Wintergärten kann der Treibhauseffekt im positiven Sinne genutzt werden. Es kann somit ein Beitrag zur Energieeinsparung innerhalb des Gebäudes geleistet werden, weil die Wärmeverluste des Gebäudes durch die vorgebaute Glashülle verringert werden. Insgesamt dient ein Wintergarten aber mehr dem Wohnkomfort der Hausbewohner als der Heizkostenersparnis. Der Energiegewinn durch einen Wintergarten wird oft überschätzt. Nur wenn er sinnvoll ausgelegt und genutzt wird, kann er zu Energieeinsparungen von 15 bis 30 Prozent führen.

Bei der Lüftung lässt sich ebenfalls viel Energie sparen. Selbstverständlich benötigen die Bewohner in einem Gebäude ausreichend Frischluft. Dies lässt sich ganz konventionell durch Öffnen und Schließen der Fenster regulieren, was jedoch meist unbefriedigend ist, da entweder zu wenig (schlechte Luftqualität) oder zu viel (hoher Energieverlust) gelüftet wird. Es empfiehlt sich eine kurzzeitige Stoßlüftung anstatt einer Dauerlüftung; d.h. ab und zu sollten die Fenster geöffnet werden, um wenige Minuten gründlich durchzulüften. Danach sollte man sie wider schließen und geschlossen halten.

Nachfolgend eine schematische Darstellung eines Passivhauses:







Solarthermie

Die Sonne ist ein Wärmespender. So wird Wasser in einem Gartenschlauch, der in der Sonne liegt, erwärmt - in einem schwarzen Schlauch stärker als in einem hellen. Dieses Grundprinzip verwendet man in der Solartechnik zur direkten Erzeugung von Wärme. Dabei benutzt man an Stelle des Gartenschlauches eine schwarz gefärbte „Empfangsfläche“, auch Absorber genannt, die die Sonnenenergie absorbiert und die Wärme an eine Trägerflüssigkeit weiter gibt, die die Wärme abtransportiert. Kollektoren gibt es in den unterschiedlichsten Bauformen und Materialien. Man montiert sie an Plätzen mit einer günstigen Neigung zur Sonne - meist auf Hausdächern.

Um die Ausbeute nutzbarer Sonnenenergie zu erhöhen, macht man sich den Treibhauseffekt in Kombination mit einer guten Wärmedämmung zu Nutze und baut den Absorber in einen gut wärmegedämmten Kasten mit Glasbedeckung ein. Diese Bauart bezeichnet man als Flachkollektor. Eine andere Variante ist der Vakuumkollektor: Hier nutzt man wie bei einer Thermoskanne die Fähigkeit eines Vakuums - also eines luftleeren Raums - Wärme zu isolieren. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal von Kollektoren ist die Art des verwendeten Wärmeträgers, also des Mediums zum Speichern und Transportieren von Wärme. Zur Verfügung stehen hier Flüssigkeits- und Luftkollektoren. Gute Absorber wandeln an guten Standorten 80 bis 90% der Sonneneinstrahlung in Wärme um.

Im Allgemeinen wird in einem Haus nur wenig Heizwärme gebraucht, wenn die Sonne scheint. Umgekehrt aber ist die Wärmenachfrage nachts und in der kalten Jahreszeit hoch. D.h., dass das Sonnenenergieangebot und die Wärmenachfrage nur selten zeitlich übereinstimmen. Um dies auszugleichen, benötigt man einen Speicher für die vom Kollektor gelieferte Solarwärme. Hierunter versteht man die Brauchwassererwärmung und/oder Heizungsunterstützung durch Sonnenenergie.







Photovoltaik

Die Sonne gibt uns nicht nur Wärme, sondern auch Elektrizität. Im Jahr 1954 beobachteten Wissenschaftler, dass an elektronischen Bauteilen aus dem Halbleiter-Werkstoff Silizium eine elektrische Spannung auftrat, sobald Licht darauf fiel. Sie gingen dieser Entdeckung nach, und schließlich entstanden daraus die sog. Solarzellen, mit deren Hilfe man Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandelt. Dieses als Photovoltaik (PV) bezeichnete Verfahren macht sich die Tatsache zu Nutze, dass Licht aus bestimmten Halbleiteroberflächen Elektronen herausschlägt, die sich dann im Material bewegen und als elektrischer Strom ableitbar sind.

Als Grundstoff für Solarzellen wird heutzutage fast immer Silizium verwendet. Je nach Herstellungsverfahren unterscheidet man drei Arten von Silizium-Solarzellen: Monokristalline Solarzellen bestehen unabhängig von ihrer Größe aus einem einzigen Siliziumkristall; auf Grund ihrer aufwändigen Herstellung sind sie sehr teuer, haben jedoch einen höheren Wirkungsgrad (15 - 20%) als polykristalline Solarzellen (13 - 16%). Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent des eingestrahlten Lichts in Elektrizität umgewandelt wird. Den geringsten Wirkungsgrad weisen amorphe Solarzellen auf, die meist nur in Kleingeräten, wie Taschenrechnern, angewendet werden.

Da das Energieangebot der Sonne regional und saisonbedingt schwankt, sind Zusatzeinrichtungen nötig, wenn man rund um die Uhr und übers ganze Jahr hinweg gleichmäßig Strom zur Verfügung haben will. Hierzu dienen beispielsweise Speicherbatterien. Damit man an die Solarmodule elektrische Geräte anschließen kann, muss der erzeugte Strom in Art, Spannung und Frequenz dafür geeignet sein. Dies geschieht durch Gleichstromwandler (die für die richtige Spannung sorgen) und Wechselrichter (die aus dem Gleichstrom der Solarzellen Wechselstrom machen). Wenn überschüssige Energie in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden soll - und dies ist oft vorgesehen -.sind derartige Zusatzeinrichtungen auf jeden Fall nötig. All diese Elemente machen 30 - 40% der Gesamtkosten einer Photovoltaik-Anlage aus.

Photovoltaische Systeme sind im Vergleich zu anderen Stromerzeugungsarten sehr teuer. Die hohen Kosten hierfür rechnen sich noch am ehesten für so genannte Inselnetze. Man versteht darunter in sich geschlossene Systeme für begrenzte Gebiete, die keinen Anschluss ans öffentliche Stromnetz haben. Um auf alle Eventualitäten vorbereitet zu sein, müssen solche Anlagen mit einer eigenen Steuerung, mit Batteriespeichern und einem Notstromaggregat sowie einem Wechselrichter ausgerüstet sein. Manchmal empfiehlt sich auch eine Kombination mit weiteren Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien wie einer Windenergieanlage oder einem Wasserkraftwerk. Eine Inselsituation ist immer dann gegeben, wenn der Anschluss an das öffentliche Stromnetz unmöglich ist oder zu teuer wäre, etwa bei Berghütten, auf kleinen Inseln oder bei sehr abgelegenen Bauernhöfen - übrigens auch bei Raumstationen im Weltall. Darüber hinaus bietet sie, neben der Windkraft, eine Möglichkeit zur Elektrifizierung von vielen hundert Millionen Menschen auf der Erde in bisher nicht elektrisch angeschlossenen Gebieten.





Windkraft

Wind entsteht durch großräumige Luftdruckunterschiede. An den Küsten herrschen hohe Windgeschwindigkeiten, die aber landeinwärts durch die Bodenreibung schnell abnehmen. Im Binnenland kann man im Allgemeinen nur auf Bergen, die an die höheren und schnelleren Windschichten heranreichen, größere Windgeschwindigkeiten messen. Eine sinnvolle Nutzung beginnt bei mittleren Windgeschwindigkeiten von vier bis fünf Metern pro Sekunde. Bei kleineren Werten ist das Energieangebot zu gering, als dass sich eine Nutzung lohnen würde. In Deutschland werden die günstigsten Werte von etwa sieben Metern pro Sekunde an der Nordseeküste und der nördlichen Ostseeküste erreicht.

Es gibt verschiedene Ausführungen von Windkraftanlagen. Die einfachste Variante sind Windräder mit 12 bis 24 Flügeln; sie werden zur direkten mechanischen Energienutzung - etwa zum Antrieb von Wasserpumpen - verwendet. Ihr Vorteil ist, dass sie schon bei niedrigen Windgeschwindigkeiten anlaufen können - ihr Nachteil, dass sie wegen der starren Befestigung der Rotorblätter die Energie des Windes nicht optimal ausnutzen. Sie werden als „Langsamläufer“ bezeichnet. Eine Fahne, die am drehbaren Rotor befestigt ist, sorgt dafür, dass sich das Windrad jeweils automatisch in Windrichtung dreht.

Moderne Windkraftanlagen zur Stromerzeugung werden fast ausschließlich mit zwei oder drei Flügeln angeboten. Diese sind aerodynamisch optimiert - ähnlich wie Flugzeugtragflächen. Die Rotoren sind oft so konstruiert, dass sie eine konstante Drehzahl haben und über einen Generator unmittelbar Wechselstrom erzeugen. Um bei wechselnder Windgeschwindigkeit die Drehzahl konstant zu halten, werden die Rotorblätter um ihre Längsachse verdreht. Bei starkem Wind wird die Angriffsfläche auf diese Weise verkleinert, bei geringem Wind vergrößert. Bei zu starkem Wind schalten sich die Rotoren automatisch ab, damit die Windkraftanlage nicht überlastet wird.

Auch die Größe der Windräder hat sich gewandelt: Während Anfang der neunziger Jahre Kleinanlagen unter 100 Kilowatt elektrischer Leistung bevorzugt wurden, sind heute eher große bis zu 1500 Kilowatt deutlich wirtschaftlicher. Projektiert sind Windkraftparks mit Anlagen in der 5 Megawatt Klasse. In Windparks werden Windkraftanlagen räumlich konzentriert; das Windaufkommen wird in solchen Windparks zur Stromerzeugung optimal genutzt.

Da die Wetterverhältnisse auf See besonders vorteilhaft sind, werden zunehmend Offshore-Windparks geplant, die vor den Küsten im Meer verankert werden. Sie nutzen die dort vorhandenen hohen Windgeschwindigkeiten aus.

Besonders bemerkenswert ist die wirtschaftliche Entwicklung der Windkraftbranche in der EU und speziell in Deutschland. Die Windkraftanlagenbauer sind mittlerweile in Deutschland nach der Automobilindustrie der zweitgrößte Stahlnachfrager und stehen für einen Branchenumsatz von über 4 Mrd. €. 85 Prozent der globalen Windkraftkapazitäten sind in der EU installiert. Die Weltmarktführer stammen ausnahmslos aus Deutschland oder Dänemark und erobern sich in sprichwörtlicher Windeseile die Weltmärkte. Diese Entwicklung ist umso erstaunlicher, als in den Bereich der Windkraft verglichen mit den konventionellen fossilen und nuklearen Energien, kaum staatliche Förderungen fließen.





Wasserkraft

Die Wasserkraft gehört zu den ältesten Energiequellen der Menschheit: Die Nutzung der Energie des aufgestauten oder fließenden Wassers mit Hilfe von Wasserrädern war schon im China des 3. Jahrhunderts v. Chr. üblich. Die Römer nutzten Mühlen, die im Tiber verankert waren, um das Getreide zu mahlen, das Segelschiffe aus den Kolonien brachten. Auch Staudämme bauten sie, ebenso wie die Araber, die damit Wasserräder für Sägemühlen betrieben. Später diente die Wasserkraft zum Betrieb von Hammerschmieden, Drahtziehereien, Gewürzstampfern und den Waldarbeitern zum Transport von Holz ins Tal, bis die aufblühende Industrie des 19. Jahrhunderts zu Wasserturbinen überging. Seit rund 100 Jahren dient die Energie des Wassers vor allem zur Stromerzeugung - heute wird weltweit rund ein Fünftel des Stroms mit Wasserkraft erzeugt.

Im Grunde genommen ist Wasserkraft gespeicherte Sonnenenergie, denn die Sonne lässt das Wasser verdampfen und hebt es damit auf größere Höhen, von denen es wieder herabfließen und seine potentielle Energie in Arbeit umwandeln kann.

Eine ganze Reihe von Vorteilen sprechen für die Wasserkraft:

Die Energieumwandlung geschieht mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Das heißt: Ein hoher Prozentsatz der eingesetzten Energie wird in Strom verwandelt.
Bei der Nutzung dieser Energiequelle werden keine Schadstoffe freigesetzt.
Die Wärmeabgabe an die Umgebung ist sehr gering, es gibt praktisch keine Abwärme.

Aus diesen Gründen werden in aller Welt Anstrengungen unternommen, die Energie des fallenden Wassers verstärkt zu nutzen, soweit dies wirtschaftlich möglich und ökologisch vertretbar ist. Der Bau von Wasserkraftanlagen greift in das komplizierte ökologische Gleichgewicht von Seen, Flüssen und deren Umfeld ein. Bei der Planung einer neuen Anlage muss man deshalb die ökologischen Auswirkungen gegen den Nutzen abwägen. Logischerweise ist der Eingriff in die Natur um so überschaubarer, je kleiner die Wasserkraftanlage ist.

In Skandinavien und Kanada spielt die Wasserkraft eine besonders wichtige Rolle; dort gibt es auch noch große Potenziale, die man ausschöpfen kann. In Deutschland hingegen wurde die Wasserkraft seit der Jahrhundertwende massiv ausgebaut, so dass ein großer Teil des Potenzials bereits genutzt wird. Weitere große Wasserkraftwerke zu bauen, würde in vielen Fällen die Natur zu stark beeinträchtigen. Deshalb steht bei der Nutzung der Wasserkraft hierzulande die Modernisierung der bestehenden Anlagen und die Wiederinbetriebnahme alter und stillgelegter Kleinwasserkraftwerke im Vordergrund, weniger der Bau von Neuanlagen.

Jede Wasserkraftanlage nutzt das Gefälle eines Flusses. Entnimmt man Wasser aus dem natürlichen Flussbett und führt es in Rohrleitungen oder Kanälen zu einer Turbine, so versetzt es diese in Rotation. Ein Generator, der mit der Turbine verbunden ist, erzeugt daraus Strom. Die Höhe der Drehzahl bestimmt, ob der Generator direkt an die Turbine gekoppelt werden kann oder ein Getriebe dazwischengeschaltet werden muss.

In der Regel wird das Wasser durch ein Wehr aufgestaut, so dass oberhalb der Anlage ein kleiner Stausee entsteht. Die Kanäle bzw. Rohrleitungen müssen so gebaut werden, dass möglichst wenig Energie auf dem Weg zur Turbine verloren geht. Dies erreicht man durch glatte Wände und geringe Fließgeschwindigkeiten des Wassers. Am Beginn des Kanals hält ein Rechen grobes Geäst und Geröll zurück; unmittelbar vor der Turbine reinigt ein Feinrechen das Wassers nochmals. Nach dem Durchlaufen der Turbine wird das Wasser durch einen Kanal wieder dem ursprünglichen Flussbett zugeführt.

Die heutigen Turbinen sind technisch ausgereift und weisen einen Wirkungsgrad von 75 bis über 90 Prozent auf. Für jeden konkreten Standort gibt es entsprechend den Bedingungen einen optimalen Turbinentyp. Der Wirkungsgrad der Gesamtanlage verringert sich aber wegen der Verluste, die im Getriebe und im Generator zwangsläufig auftreten. Deshalb beträgt der Gesamtwirkungsgrad einer Wasserkraftanlage zwischen 60 und 70 Prozent.

Im Übrigen fällt den Speicherkraftwerken in Zukunft eine immer bedeutendere Rolle zu. Bei zeitlich fluktuierender Energieerzeugung können Überschüsse in solchen Speicherkraftwerken zwischengespeichert und bei Bedarf wieder rückumgewandelt werden. Modellcharakter hat hierin die schon praktizierte nächtliche Speicherung von per Windkraft generierter Energie in Stauspeichern in Norwegen, die am Tage wieder abgegeben werden kann.





Biomasse

Aus dem Kohlendioxid der Luft sowie Wasser und Mineralien aus dem Boden bauen die Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie ihre Biomasse auf. Diese Umsetzung geschieht in der Hauptsache durch die Photosynthese im Blattgrün der Pflanzen. Biomasse ist also strenggenommen chemisch gebundene Sonnenenergie.

Die Umsetzung der Sonnenenergie in Biomasse ist für die Biosphäre eine der wichtigsten Energieumwandlungen, denn: Ohne die Produktion von Pflanzen gäbe es keine Nahrung - weder für die Tiere noch für den Menschen.

Der Anteil der in Form von Biomasse gespeicherten Sonnenstrahlung ist von Pflanze zu Pflanze unterschiedlich und beträgt maximal wenige zehntel Prozent. Im Deutschen Wald beispielsweise beträgt die Energieerzeugung in Form von Holzzuwachs gerade mal ein zehntel Watt pro Quadratmeter.

Der Zuwachs auf der gesamten Landmasse der Erde beträgt nach Schätzungen jährlich etwa 800 Bill. kWh. Der Weltenergieverbrauch ist z.Zt. um Einiges geringer: 113 Bill. kWh pro Jahr. Ein nicht unerheblicher Teil der Biomasse wird jedoch für die menschliche Ernährung benötigt, zudem ist die Ernte oft mit großen Schwierigkeiten verbunden. Andererseits gibt es Pflanzen mit erheblich höherem Photosynthese-Wirkungsgrad, so dass eine Energieversorgung mittels großflächiger "Energiepflanzen"-Plantagen zumindest prinzipiell möglich ist.

Die Verbrennung, Vergasung oder Vergärung nachwachsender Biomasse zur Energienutzung setzt Kohlendioxid (CO2) frei. Sie stellt jedoch keine zusätzliche Belastung der Atmosphäre dar, weil jeweils nur das CO2 abgegeben wird, das von der Pflanze aus der Luft aufgenommen wurde. Der Entzug von CO2 aus der Atmosphäre durch die Pflanzen und die Freisetzung von CO2 bei der Verbrennung heben sich in der Bilanz auf. Hierzulande wurde vor zwei Jahrhunderten die nachhaltige Forstwirtschaft eingeführt; derzeit erleben wir daher eine ständige Zunahme der Ressourcen an Biomasse durch die Zunahme der Holzbestände. Wenn Biomasse fossile Brennstoffe ersetzen kann, bedeutet dies insgesamt eine Verringerung der CO2-Emissionen. Dabei ist von Vorteil, dass Biomasse sehr gut lager- bzw. speicherbar ist.

Wie viel chemisch gebundene Sonnenenergie in der Biomasse steckt, ist von Fall zu Fall unterschiedlich. Land- und Wasserpflanzen, pflanzliche und tierische Rückstände sowie organische Abfälle lassen sich vielfältig energetisch nutzen. Man kann sie trocknen und zu Brennmaterial zusammenpressen - etwa Sägemehl zu Briketts und Pellets oder Stroh zu Ballen. Der Heizwert beträgt dabei meist um die 4 kWh/kg, verglichen mit ungefähr 9 kWh/kg bei Steinkohle. Die am Weitesten verbreitete Energieumsetzung ist dabei die Verbrennung.





Biogas

Organisches Material - oft als Abfall angesehen - lässt sich vor allem in der Landwirtschaft sinnvoll zur Erzeugung von Biogas einsetzen. Biogas ist ein brennbares Gasgemisch, das bei der Vergärung von Gülle, Hausmüll und Klärschlamm unter Luftabschluss entsteht. Es besteht zu etwa zwei Dritteln aus Methan, zu etwa einem Drittel aus Kohlendioxid und enthält Spuren anderer Gase. Bei seiner Verbrennung in einem Biomasseheizkraftwerk wird Strom und Wärme erzeugt, so dass sein Einsatz fossile Brennstoffe ersetzen kann.

Das organische Material (Substrat) wird in einen Faulbehälter (Fermenter) gegeben, der von der Luft abgeschlossen sein muss, da die biogaserzeugenden Mikroorganismen keinen Sauerstoff vertragen. Außerdem darf kein Licht in den Faulturm dringen. Der Faulturm muss eine gewisse Mindestgröße haben, gut wärmegedämmt sein und entsprechend dem Wärmebedarf der Mikroorganismen beheizt werden. Diese setzen nun das organische Material in Biogas und hochwertigen Dünger um. Das Gas wird abgeführt und verbrannt, das ausgefaulte Restmaterial kann man als Dünger verwenden.





Biokraftstoffe

Aus manchen Pflanzen, z.B. Kokosnüssen, Sonnenblumenkernen oder Rapssaat, lässt sich durch Pressen Öl gewinnen, das viel Energie enthält. Diese flüssige Biomasse eignet sich als Motorkraftstoff. Spezielle Verbrennungsmotoren können sogar mit gewöhnlichen Pflanzenölen betrieben werden. Weiter verbreitet ist mittlerweile die Nutzung von Biodiesel (Rapsöl-Methyl-Ester). Anders als beim reinen Pflanzenöl ist Biodiesel chemisch verändertes Pflanzenöl; zu seiner Herstellung benötigt man zusätzliche Energie, so dass die energetische Gesamtbilanz etwas schlechter ausfällt.

Pflanzenöle sind Kraftstoffe in flüssiger Form und besitzen eine hohe Energiedichte; außerdem lassen sie sich leicht gewinnen. Ein weiterer Vorteil der Nutzung pflanzlicher Öle als Kraftstoff sind die geringen Qualitätsansprüche: Man muss dafür nur Pflanzen züchten, die einen möglichst hohen Ertrag liefern - ohne Rücksicht auf die Qualitätsanforderungen der Nahrungsmittelindustrie.

Die ökologische Verträglichkeit eines derartig massenhaften Anbaus von Ölpflanzen ist allerdings umstritten. Man muss berücksichtigen, dass bei intensivem Anbau mit hohem Düngemitteleinsatz im Rahmen des Stickstoffkreislaufs andere Treibhausgase - z.B. Lachgas - entstehen, die die Atmosphäre belasten.

Um die Anwendung von Biokraftstoffen zu fördern, sind diese sowohl von der Mehrwertsteuer als auch von der Steuererhöhung im Rahmen der ökologischen Steuerreform freigestellt. Ein maßgeblicher Beitrag, um diese Brennstoffe an den Tankstellen zu konkurrenzfähigen Preisen anbieten zu können. Inzwischen kann man im gesamten Bundesgebiet an über 800 Tankstellen Biodiesel beziehen und so umweltbewusst tanken.





Brennstoffzelle

Ein großes Problem der regenerativen Energien ist das fluktuierende Energieangebot. Man müsste diese Energie also speichern können, um das schwankende Angebot auszugleichen und die Energieversorgung der Nachfrage anzupassen. Die Speicherung von Sonnenwärme geschieht heute meist in großen Wassertanks, die Speicherung von Elektrizität in Batterien; beides ist aber sehr aufwändig und teuer. Eine Lösung des Problems: Wasserstoff als Speichermedium. In der Brennstoffzelle wird chemisch gespeicherte Energie direkt in elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad umgewandelt. Der hierzu benötigte Wasserstoff bildet dabei mit Sauerstoff in einer kontrollierten Reaktion Wasser.

Das Konzept einer Kombination erneuerbarer Energien mit Wasserstoff als Energiespeicher entspricht dem Ideal eines umweltverträglichen Kreislaufs: Wasserkraft, Windräder oder Solarzellen erzeugen elektrischen Strom, mit dem man Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Wasserstoff wird zunächst gespeichert und später bei Bedarf entweder zur Wärmeerzeugung verbrannt, in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung benutzt oder als Treibstoff in Fahrzeugtanks gefüllt. Als Endprodukt entsteht jeweils wieder Wasser.

Wasserstoff wird - so die Vision vieler Experten - unsere Energielandschaft in einigen Jahrzehnten verändert haben. Er wird zu verschiedenen Zwecken dienen:
  • als Energiespeicher für Stromerzeuger
  • als Puffer für das unregelmäßige Energieangebot von Wind und Sonne
  • als Transportmittel für Solarenergie aus südlichen Regionen
  • als Brennstoff zum Heizen
  • als Treibstoff für alle Fahrzeuge und Flugzeuge
Die Nachteile des heutigen Energiesystems - nämlich die Erzeugung von Kohlendioxid bei fossilen Brenn- und Treibstoffen, die Produktion hoch radioaktiver Abfälle bei der Kernenergie und die Endlichkeit der Ressourcen - wären damit überwunden.

Vereinfacht gesagt, kann man sich eine Brennstoffzelle wie eine Batterie vorstellen, die ununterbrochen chemisch nachgeladen wird. In der Brennstoffzelle geschieht dies durch die Zufuhr von Wasserstoff. Die Zellen können auch mit anderen Gasen oder sogar mit Flüssigkeiten betrieben werden: z.B. mit Erdgas, Methanol, reinem Wasserstoff, Methan, Propan oder Butan. Das Gas oder die Flüssigkeit wird in einem vorgeschalteten „Reformer“ chemisch so aufbreitet, dass der darin enthaltene Wasserstoff in der Zelle reagiert. Meist liefert die Umgebungsluft den nötigen Sauerstoff, der aber auch direkt zugeführt werden kann. Natürlich ist der Betrieb mit reinem Wasserstoff am umweltfreundlichsten.





[ Homepage wissenschaft-technik-ethik.de (Seitenübersicht/Sitemap) ]
[ Agenda21-Homepage (Seitenübersicht/Sitemap) ]