Alternative energiequellen

  Alternative Energiequellen Abgesehen von den fossilen Energiequellen, bietet die Erde und ihr Umfeld uns Möglichkeiten der Energiegewinnung, die fast unerschöpflich sind. Doch sind viele dieser Alternativen noch nicht richtig ausgereift, so daß diese regenerativen (=erneuerbaren) Energiequellen zur Zeit noch einen sehr geringen Anteil an der Energieversorgung der Welt haben. Doch wenn die anderen Quellen, wie Kohle oder Öl, erschöpft sind, werden die Länder einen enormen Vorteil haben, die schon früh mit der Nutzung und der Forschung auf diesem Gebiet angefangen haben. Zu diesen Ländern zählt auch die Bundesrepublik Deutschland, die seit vielen Jahren forscht und ihr Wissen und ihre Produkte auf den Markt bringt. In Zukunft heißt es aber, dass die BRD die regenerativen Energien stärker nutzen will. Vor wenigen Jahren noch war die BRD führender Exporteur von Umwelttechnologien.

Den zukünftigen Anteil der regenerativen Energien am Primärenergieverbrauch und an der Stromeinspeisung zeigen die Zahlen der Prognos-Studie. Trotz aller Zweifel und öffentlichen Diskussionen über Sinn und Unsinn des derzeitigen Stromeinspeisungsgesetzes hat dieses, neben Förderprogrammen, mit seinen Vergütungssätzen einen erheblichen Anteil am Zuwachs der regenerativen Energien geleistet. Sonnenenergie Aktive Sonnenenergienutzung Die Sonne ist ein Wärmespender. So wird z.B. Wasser in einem Gartenschlauch, der in der Sonne liegt, erwärmt, und zwar in einem schwarzen Schlauch stärker als in einem helleren.

Genau dieses Grundprinzip wird in der Solartechnik verwandt, um Sonnenenergie in Wärme umzuwandeln ("Solarthermie"). An Stelle des Gartenschlauches wird eine schwarz gefärbte Empfängerfläche benutzt, die die Sonnenenergie absorbiert (aufnimmt) und in Wärme umwandelt. Dieser Absorber wird von Luft oder Wasser durchströmt, damit die Wärme transportiert werden kann. Es existieren eine Vielzahl von unterschiedlichen Absorbern, die aus den verschiedensten Materialien (Metalle und Kunststoffe) bestehen. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen macht, man sich den Treibhauseffekt verbunden mit einer guten Wärmedämmung zu Nutzen. Ein Absorber mit wärmedämmenden Kasten und einer Glasabdeckung bezeichnet man auch als Flachkollektor (siehe unten stehendes Bild).

Da die Sonne nicht immer dann scheint, wenn man die Energie nutzten will, benötigt man einen Speicher. Die Kombination von Kollektoren mit Speichern und Rohrleitungen (zum Transport) bezeichnet man thermische Solaranlage. Sie erfüllt die drei Funktionen, die für eine optimale Nutzung nötig sind, nämlich die Umwandlung, den Transport und die Speicherung von Sonnenenergie. Solarkraftwerke Solarkraftwerke existieren z.B. in der Mojawewüste Kaliforniens.

Hier wird mit Hilfe von Hohlspiegeln, die eine Gesamtfläche von 70000 m2 haben, der Brennpunkt dieser Spiegel auf die Spitze eines Turms gelenkt, in dem Wasser verdampft und der Dampf eine Turbine betreibt. Diese erzeugt dann Strom. Natürlich wurden im Laufe der Jahre auch andere Möglichkeiten der Sonnenenergienutzung gefunden, wie z.B. die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. Solarzellen Solarzellen wurden erstmals in der Raumfahrt zur Stromversorgung von Satelliten genutzt.

Diesen Prozeß, nämlich die direkte Umwandlung von Sonne in elektrische Energie, nennt man Photovoltaik (PV). Zu dieser direkten Nutzung werden oben genannte Solarzellen verwendet. Sie werden aus einem Halbleiterwerkstoff, wie z.B. Silizium, gewonnen und bestehen aus Schichten (siehe folgende Abbildung). Die positiv leitende Schicht ist im Verhältnis zur negativ leitenden sehr dünn.

Durch den inneren photoelektrischen Effekt wird aus Licht Strom erzeugt. Da einzelne Zellen eine sehr geringe Spannung liefern, werden mehrere Solarzellen hintereinander geschaltet. Je nach verwendeten Material (monokristallin, multikristallin oder amorph) weist das Silizium verschiedene Wirkungsgerade auf, die sich seit der Erfindung vor über 150 Jahren auf bis zu 17,5% verbesserten. Eine Verwendung dieser Technik in Deutschland ist wegen der relativ hohen Herstellungskosten und der dazu stehenden Menge nutzbarer Sonneneinstrahlung zur Zeit nicht rentabel. Zwar würde man das 80-fache des Stromverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland decken können, wenn man die gesamte Sonneneinstrahlung auf diese Fläche (BRD) mit Hilfe von Solarzellen nutzen würde; dies ändert aber nichts an der derzeitigen Unrentabilität. Wenn 1% der öffentlichen Stromerzeugung mit Photovoltaik erzeugt werden sollte, müßte jeder bundesdeutsche Stromabnehmer zwei Pfennig pro Kilowattstunde.

Dagegen würde der Einsatz in Ländern Afrikas lohnenswert sein, da hier die Sonneneinstrahlung sehr hoch und intensiv ist. Wegen der hohen Kosten wird aber auch hier nur vereinzelt auf diese Energiegewinnungsmöglichkeit zurückgegriffen, so werden nur wenige Dörfer und Trinkwasserförderanlagen auf diese Weise mit Strom versorgt. Passive Sonnenenergienutzung Neben der aktiven Nutzung besteht auch die Möglichkeit, der passiven Sonnenenergienutzung. Diese Art der Nutzung ist schon sehr alt, und beruht auf meist einfachen Prinzipien, wie z.B. dem Treibhauseffekt.

Doch mit dem heutigen Wissensstand ist es möglich auf diese Weise Energie zu sparen. Für eine ideale passive Sonnenenergienutzung sind folgende Komponenten wichtig: - Fenster - Wärmespeicher - Wintergärten - lichtdurchlässige Wärmedämmung. Bei Fenstern ist die Isolierung entscheidend, während Wintergärten ähnlich wie Fenster den Treibhauseffekt nutzen. Bei richtigen Einsatz von Wintergärten (richtige Ausrichtung, keine Beheizung, keine offenen Türen, etc.) kann dieser zu einem Energieersparnis von 15-30% verhelfen. Transparente Wärmedämmung Eine andere Möglichkeit zur passiven Sonnenenergienutzung ist die sogenannte transparente Wärmedämmung, die dafür sorgt, daß Licht in den Raum vordringen kann, aber gleichzeitig auch verhindert, daß Wärme austritt.

Das Sonnenlicht fällt durch die transparente Dämmungsschicht (ein Bündel aus waagerecht angeordneten Trinkhalm ähnlichen Röhrchen) auf eine schwarzgetrichende Wand, die sich daraufhin erhitzt. Die genauere Funktion erklärt die Anlage 8. Diese Technologie ist zwar noch recht jung, aber in Idealfällen (richtige Ausrichtung, etc.) wurden Energiegewinne von 100-200 kWh /m2 gemessen. Dadurch könnten die Heizkosten bis zu 80% gesenkt werden. Diese Nutzung ist schon älter, als man glaubt, denn sie kommt in der Natur vor, da das Fell des Eisbären ähnlich dieser Technologie ist.

Die Haare des Eisbären sind innen hohl, so daß das Sonnenlicht auf die schwarze Haut darunter fallen kann. Windkraft Die Windkraft wird schon seit langer Zeit wirtschaftlich genutzt, allerdings diente sie früher nur zum Betrieb von Pumpen oder Mühlen. Die Verwendung zur Stromerzeugung dagegen ist recht jung, und kann sich, wegen ihrer im Vergleich zur Steinkohlenutzung geringen Rentabilität zur Stromversorgung des öffentliche Stromnetzes, nicht durchsetzen. Die Stromerzeugungskosten aus neuen regenerativen Anlagen in Deutschland zeigt Anlage 9. Mit 12-20 Pf/kWh ist die Windenergie im Vergleich zur Steinkohle erheblich teurer. Doch es ist anzunehmen, daß die Bedeutung diese Energiequelle in Zukunft zunehmen wird, wenn andere Quellen, wie Öl oder Kohle, erschöpft sein werden oder teuerer werden.

Dennoch würde eine optimale Nutzung in Deutschland, nur eine umgerechnete Energieleistung von etwa 12 Mio. t. SKE erbringen, was etwa 3% des deutschen Primärenergieverbrauchs decken könnte. Die obenstehende Abbildung zeigt, an welchen Stellen in Deutschland derartige Anlagen rentabel sein könnten (gemessen an der Wind Geschwindigkeit). Vor allem für private Nutzer sind kleinere Windkraftanlagen von Interesse, wogegen größere Anlagen, sogenannte Windparks, wegen der hohen Kosten im Vergleich zu z.B.

Kohle selten sind. In Deutschland existierten 1990 ca. 10 Parks. Auf Helgoland z.B. liefert eine 1,2-MW-Anlage Strom für die Insel.

Die relativ weit entwickelte Windkraft-Technik Deutschlands stößt zunehmend bei Entwicklungsländern auf Interesse, für die deutsche Unternehmen Anlagen bauten. Wasserkraft Auch die Wasserkraft ist eine Energiequelle, die schon seit Jahrtausenden von der Menschheit genutzt wird. Um 500 v. Chr. wurde sie allerdings nur genutzt, um einfache Maschinen anzutreiben. Die bis ins 19.

Jahrhundert genutzten Wasserräder erbrachten auch in Verbindung mit Staudämmen nur geringe Leistungen und reichten daher nicht für größere Anforderungen. Erst im späteren 19. Jahrhundert wurden schnelle Turbinen entwickelt, die höhere Leistungen erbringen konnten und somit später für die Umsetzung in elektrischen Strom geeignet waren. Die Wasserenergie leistet unter den anderen erneuerbaren Energiequellen (Wind- und Sonnenenergie) zwar den größten Beitrag zur Energieversorgung der Welt, dieser Anteil ist aber im Vergleich zu anderen Versorgungsmöglichkeiten (Öl, Gas, Kohle, etc.) sehr gering. Ihr Anteil zur Stromerzeugung in der BRD ist aber unter den regenerativen mit 85% der größte, wie Anlage 10 zeigt.

In Deutschland konnten 1990 unter Verwendung von Wasserkraft nur 1,1% des Primärenergieverbrauchs gedeckt werden. In Westdeutschland existierten zu der Zeit 600 Wasserkraftwerke, die insgesamt eine Leistung von 6330 MW erbrachten. Das entspricht immerhin 7% der insgesamt installierten Kraftwerksleistung. Das heißt, diese Anlagen werden nur kurze Zeit zu Spitzenzeiten des Strombedarfes betrieben und haben einen "wertvollen" Spitzenstrom. 1990 waren acht weitere Wasserkraftwerke im Bau, die später dann eine Energie von 90 MW liefern sollten. Darüber hinaus gab es in der BRD über 3200 Privatanlagen, die aber das öffentliche Stromnetz nicht beliefern.

Die Wasserenergie wird bei speziellen Gelegenheiten auch durch Gezeitenkraftwerke genutzt, wie z.B. in Frankreich an der Mündung des Flusses Rance (siehe untenstehende Abbildung). In diesem besonderen Fall, bei dem der Unterschied zwischen Ebbe und Flut ausgenutzt wird , beträgt der Tidenhub 8,40 Meter. Das Kraftwerk erbringt aufgrund dieser Seltenheit eine Spitzenleistung von 240 MW. In Deutschland ist eine solche Nutzung meist nicht möglich, da der Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut (Tidenhub) an der Nordseeküste nur 2,50 Meter ausmacht.

Fachleute behaupten, daß in der BRD das technisch-wirtschaftliche Potential der Wasserkraft zu etwa 80% ausgenutzt ist. Auf einen weiteren Ausbau wird, so wörtlich, "aus Gründen der Naturerhaltung" verzichtet. Die Behauptung, daß Wasserkraft die umweltfreundlichste Methode der Stromerzeugung ist, stimmt allerdings auch nicht ganz, denn das Anstauen, Umleiten oder Begradigen von Flüssen bringt auch andere Probleme mit sich, da das natürliche Gleichgewicht gestört wird. Die Folgen können z.B. Überschwemmungen oder Hochwasser sein.

Allerdings sind diese Folgen und Gefahren im Vergleich zu denen der Kernkraft extrem gering. Sonstige Energiequellen Abgesehen von den "klassischen" Energiequellen gibt es auch noch andere, die allerdings weniger erforscht sind und seltener genutzt werden. Erdwärmenutzung Es besteht die Möglichkeit die geothermische Energie der Erde zu nutzen. Die Erdwärme stammt zu 30% von dem immer noch glühenden Kern der Erde und zu 70% vom Zerfall radioaktiver Isotope, wie z.B. Uran, die im Gestein des Erdmantels enthalten sind.

Doch leider ist die Nutzung dieser Energiequellen technisch extrem schwer und somit unrentabel, da die Temperatur der Erdoberfläche in Richtung Erdkern nur alle 30 Meter um ungefähr 1°C ansteigt. Wirtschaftlich nutzbar ist die Erdwärme somit nur an Stellen mit geothermischen Anomalien, also dort, wo das heiße Magma höher an die Oberfläche kommt, und das Gestein erhitzt. Wird Wasser erhitzt, und dringt dieses auf natürlichen Weg an die Erdoberfläche, so spricht man von heißen Quellen. In Kalifornien, Island oder Italien, wo solche Gegebenheiten herrschen werden diese auch wirtschaftlich verwendet. Ein dort eingesetztes Kraftwerk kann bei künstlicher Verbesserung der Bedingungen (durch Tiefenbohrung) eine Leistung von 400 MW erbringen. Des weiteren könnte das heiße Wasser zur Beheizung benachbarter Siedlungen benutzt werden (siehe unten stehende Abbildung).

In Deutschland existiert eine solche Stelle nur in den neuen Ländern, nämlich in der Nähe von Magdeburg und Cottbus. Biomasse Unter Biomasse versteht man entweder organische Abfälle oder sogenannte Energiepflanzen. In Deutschland werden organische Abfälle schon seit langer Zeit zur Energiegewinnung genutzt. 1990 erbrachten 14 Biogasanlagen in der BRD eine Gesamtleistung von etwa 700 kW. Das Biogas setzt sich zu 65% aus Methan, das bei Ausfaulen von tierischen oder pflanzlichen Stoffen entsteht, zusammen. Allerdings verlangt der optimale Faulprozeß eine Mindesttemperatur, die einen energietischen Aufwand von 20-60% der Bruttoerzeugung notwendig macht.

Ferner gibt es in der Bundesrepublik Deutschland noch über 100 Anlagen, die das Gas, das bei Kläranlagen anfällt, zur Energiegewinnung nutzen, sowie etwa 50 Anlagen, die Elektrizität aus den in Mülldeponien entstandenen Gas gewinnen. Des weiteren wurden 1989 von 47 Müllverbrennungsanlagen ein Energiegehalt von umgerechnet 2,5 Mio. t. SKE erbracht. Die Tendenz ist bei dieser Art der Stromgewinnung steigend, denn in der BRD waren zu dieser Zeit 20 Müllverbrennungsanlagen im Bau bzw. in Planung.

Nicht zuletzt ist der positive, aber dennoch umweltschädliche, Nebeneffekt der Müllminimierung an diesem Sachverhalt beteiligt. Unter Energiepflanzen versteht man Pflanzen, die schnell wachsen und sich als Brennstoff eignen, sowie hochertragreiche Zucker und stärkehaltige Ackerpflanzen, die man zur Treibstoffproduktion nutzen kann. Letztere Möglichkeit wird in Brasilien in größerem Umfang genutzt, sonst aber sieht man hierzulande davon ab, da der große Flächenbedarf und die höheren Kosten diese Alternative unrentabel machen. So ergaben 1990 durchgeführte Untersuchungen, daß der Betrieb eines Dieselmotors mit Rapsöl pro Liter 2,40 DM kostet. Brennstoffzelle Die Brennstoffzellentechnologie ist eines der neusten Forschungsgebiete unserer Zeit. Vorangetrieben durch Raumfahrtprojekte, wird diese Alternative jetzt auch für kommerzielle Anwendungen interessant.

Die Diskussionen um Umweltschutz und rationelle Energieverwendung weckt das Interesse verschiedenster Branchen, bei denen ein Einsatz von Brennstoffzellen möglich erscheint: vom Energieversorgungsunternehmen bis zum Automobilhersteller. Brennstoffzellen sind - wie Batterien - elektrochemische Energiewandler, allerdings ermöglicht eine kontinuierliche Zufuhr des gasförmigen Brennstoffes (meist Wasserstoff) auch eine kontinuierliche Entnahme elektrischer Energie. Genauso wie bei einer Batterie laufen zwei Halbreaktionen räumlich getrennt an zwei Elektroden ab, wie in Anlage 12, oberes Bild, schematisch am Beispiel der sogenannten Membranbrennstoffzelle dargestellt. Als Emission entsteht nicht etwa CO2 sondern H2O, Wasser. Da dies, wie bereits erwähnt eine sehr junge Technologie ist, liegen noch keine umfangreichen Zahlen zur Stromerzeugung und Kosten vor. Es ist allerdings anzunehmen, daß diese Technologie auf Grund ihrer Umweltverträglichkeit (keine Emission bei Verwendung von Wasserstoff) und ihrer besonderen Leistungen (hoher Wirkungsgrad auch bei Teilbelastung, Stromerzeugung mit gleichzeitiger Erzeugung von Wärme) Zukunft hat.

Noch in diesem Jahr soll entschieden werden, ob in Köln eine solche Anlage gebaut wird. Insgesamt mag der Eindruck entstehen, daß die regenerativen und umweltfreundlicheren Energiequellen teurer sind, doch man darf die Preise nicht einfach miteinander vergleichen. So ist die Steinkohle oder Braunkohle im Vergleich zur Windkraft zwar um einiges preiswerter, doch muß man auch bedenken, welch großen Schaden die Tagebauförderung dem Landschaftsbild und dem natürlichen Gleichgewicht zu fügt. Ebenso muß man sehen, daß mit der extrem preiswerten Kernenergie andere Probleme verbunden sind, die nicht zu lösen sind, wie z.B. die Endlagerung.

Diese Kosten sind zwar immer noch im Vergleich zur Windkraftnutzung gering, doch hinzu kommt die Gefahr eines GAUs, den die Menschheit vor 10 Jahren zu spüren bekommen hat. Diese Mängel, besonders in ärmeren Ländern, sollten eigentlich klar machen, daß diese Art der Energiegewinnung keine gute Lösung ist. Doch leider lassen die höheren Kosten der alternativen Energieformen, diese umweltfreundliche Methode in einem ganz falschen Licht erscheinen, so daß sich die großen Stromversorger, es sich nicht leisten können, mit größeren Schritten umzusteigen. Wenn z.B. eine Windkraftanlage von einem großem Stromerzeuger in Deutschland gebaut wird, dann wird diese Investition offiziell meist als "Pilotanlage zu Testzwekken in besonderen Fällen" dargestellt, tatsächlich aber wohl zu Werbezwecken verwendet, um den Kunden zu zeigen, wie umweltbewußt ihr Stromlieferant ist.

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