Gastblog: Alternative Energien von jacqueaux

Im Februar habe ich im Zuge der Atomkraft-Diskussion von Lukasz Kroll einen wirklich ganz großartigen Artikel über Atomkraft erhalten und als Gastblogeintrag veröffentlicht. Es ging unter anderem um sogenannte Generation IV-Kraftwerke, die den jetzigen, einhunderttausend Jahre strahlenden Atommüll verbrennen, und deren Endprodukte nur noch dreihundert Jahre oder weniger strahlen. Ich habe den Artikel gerne gelesen und fand ihn informativ und objektiv.
Zugleich habe ich jacqueaux darum gebeten, einen Artikel zu alternativen Energien zu schreiben, den ich sehr gelungen und informativ finde.
Ohne lange Reden, hier ist er.


Regenerative Energieträger
von jacqueaux

Situation:
Deutschland ist ein rohstoffarmes Land. Neben der Armut an energetisch nicht relevanten Rohstoffen, sind auch die energetisch relevanten Rohstoffe spärlich. So gibt es auf dem Bundesgebiet nur geringe Mengen an Erdöl (2% bis 3% Abdeckung des Bedarfs) und Erdgas (ca. 10% bis 15 % Abdeckung des Bedarfs), so dass wir zu über 90% auf Importe angewiesen sind. Stein- und Braunkohle sind zwar in vorerst ausreichenden Mengen vorhanden, sind aber klimatechnisch noch kritischer zu sehen als Öl und Gas, und können zudem den Mangel an Öl und Gas auf keinen Fall kompensieren. Auch weltweit gesehen werden die Ressourcen an fossilen Energieträgern immer knapper, was zusammen mit dem rasant steigenden weltweiten Energieverbrauch in näherer Zukunft zu einem Versorgungsengpass führen wird. Die Zahlen, wie lange das Öl noch reicht schwanken zwischen 30 und 150 Jahren. Was aber kaum jemand bestreitet ist, dass der Ölpreis weiterhin stark ansteigen wird. Wie lange können oder wollen wir uns das leisten?
Dass das Verbrennen dieser fossilen Energieträger zudem große Mengen CO2 freisetzt, ist ein weiterer Grund, warum man Alternativen finden muss. Diese sollten in möglichst unbegrenzter Menge einigermaßen kostengünstig und preisstabil vorfügbar sein und möglichst wenig negativen Einfluss auf die Umwelt haben. Daher ist die Atomenergie nicht wirklich eine Alternative, denn auch sie benötigt Rohstoffe, die endlich sind, ebenfalls importiert werden müssen und beim Abbau und bei der Entsorgung riesige Probleme bereiten.

Was wird denn ungefähr benötigt?
Der Weltenergiebedarf der Menschheit lag 2010 bei etwa 140.000 Milliarden kWh, Tendenz schnell steigend, was ungefähr dem Energieinhalt von 14 Milliarden Tonnen Öl entspricht. Alleine in Deutschland wurden ca. 4.000 Milliarden kWh an  Energie benötigt.
Was gibt an regenerativen Energiequellen?
Die Sonne: Der größte Energielieferant ist die Sonne. Sie liefert jedes Jahr eine Energiemenge von etwa 1.500.000.000 Milliarden kWh auf die Erdoberfläche. Das ist ca. 10.000-mal so viel wie 2010 auf der ganzen Welt benötigt wurde. Es gibt heute verschiedene Möglichkeiten die Sonnenenergie nutzbar zu machen.
1.    Photovoltaik (PV): Hierbei wird die Sonnenenergie direkt in Strom umgewandelt. Der Wirkungsgrad der heutigen PV-Zellen liegt bei ungefähr 7% bis 18%, abhängig vom Typ. In Deutschland ergibt das bei Südausrichtung, einer Neigung von ca. 35% einen jährlichen Stromertrag von ca. 100 kWh bis 150 kWh pro m² Kollektorfläche. Würde man auf einer südgerichteten Dachfläche eines ordentlich gedämmten Einfamilienhaus-Neubaus ca. 60 m² Photovoltaik installieren, würde das bilanziert ausreichen, um das Gebäude komplett mit Energie zu versorgen.
2.    Solarthermie: Hier wird mit Hilfe der Sonne  eine Flüssigkeit (bei den hier üblichen solarthermischen Anlagen ist dies meist ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch) erhitzt. Diese Energie wird dann entweder direkt als Wärmeenergie verwendet (Flachkollektoren, Röhrenkollektoren, Schwimmbadabsorber) oder in Strom umgewandelt (Dish-Konzept, Parabolrinnenkraftwerke). Der effektive Wirkungsgrad der zur direkten Wärmeerzeugung genutzten solarthermischen Systeme liegt je nach Randbedingungen bei 40% bis 70%, die jährlich nutzbare Wärmemenge bei 400 kWh bis 500 kWh pro m². Mit ca. 2 m² einer südgerichteten solarthermischen Anlage können ca. 60% des Warmwasserbedarfs einer Person gedeckt werden. Da auch in Deutschland im Sommer Temperaturen von über 100°C erreicht werden können, sind solarthermische Module auch zur Erzeugung von Prozesswärme interessant.
3.    Auftriebskraftwerke: Diese Kraftwerke bestehen aus einer großen, zur Mitte hin leicht ansteigenden Glasfläche, in deren Zentrum sich ein hoher Kamin befindet. Durch Sonneneinstrahlung erwärmt sich die Erde und Luft unter der Glasfläche, wobei letztere durch den Auftrieb zum Kamin strömt und durch diesen mit aufgrund des Kamineffekts hoher Geschwindigkeit nach oben strömt. Hierbei werden Turbinen zur Stromerzeugung angetrieben. Auftriebskraftwerke sind für unsere klimatischen Verhältnisse weniger geeignet, sondern sind eher in Gebieten mit hoher Strahlungsintensität und Sonnenscheindauer empfehlenswert.
Ein Nachteil solarer Energie sind die ungünstigen Tages- und Jahreskurven: So steht die Sonnenenergie zum einen nur tagsüber zur Verfügung, zum anderen sind Einstrahlungintensität und -dauer im Winter deutlich niedriger als im Sommer. Auch Schlechtwetterperioden können die solaren Erträge deutlich reduzieren.

Der Wind: Eine weitere mittlerweile auch sehr wichtige Energiequelle ist der Wind. Auch hier ist ein riesiges Potenzial vorhanden. Untersuchungen zufolge liegt das nutzbare Energiepotential von Wind weltweit bei ca. 1.300.000 Milliarden kWh, in Deutschland bei ca. 4.100 Milliarden kWh.
Bei Wind gibt es eigentlich nur eine Nutzungsmöglichkeit, Windenergieanlagen. Windenergieanlagen wandeln die Bewegungsenergie der Luft in Strom um. Sie sind sowohl auf dem Land als auch auf dem Meer (Offshore) möglich. Da auf dem Meer der Wind in aller Regel beständiger und stärker weht, sind Offshore-Anlagen bei gleicher Größe ertragreicher als Anlagen auf dem Land.
Auch der Wind weht natürlich  nicht das ganze Jahr über gleichmäßig, aber im Gegensatz zu Sonne ist er relativ unabhänigig von Tages- und Jahreszeit

Das Wasser: Wasser wird schon seit Menschen seit über 2000 Jahren verwendet und war lange der bedeutendste regenerative Energieträger. Das wirtschaftlich nutzbare Potential von Wasserkraft wird weltweit derzeit auf ca. 8.000 Milliarden kWh geschätzt. Um die Energie des Wassers zu nutzen, gibt es verschiedene Möglichkeiten:
•    Wellenkraftwerk: die Bewegung der Wellen wird über schwimmende Elemente aufgenommen und über „Gelenke" in Strom umgewandelt.
•    Gezeitenkraftwerk: hier wird die Strömung bei Ebbe und Flut ausgenutzt und in elektrische Energie umgewandelt
•    Strömungskraftwerk: Strömungskraftwerke sind sowohl in Flüssen als auch im Meer möglich. Sie funktionieren im Prinzip wie Windenergieanlagen, nur eben dass hier Wasser statt Wind die „Rotorblätter“ in Bewegung setzt
•    Fluss-, Speicher-, Pumpspeicherkraftwerke: Diese Kraftwerke nutzen die Bewegungsenergie von fallendem Wasser und wandeln diese wieder über Turbinen in Strom um. Ein großer Vorteil der Speicherkraftwerke ist, dass der Strom bei Bedarf erzeugt werden kann. Bei Pumpspeicherkraftwerken kann sogar überschüssiger Strom sogar „gespeichert“ werden, indem man damit wieder Wasser in den Speicherbehälter (Stausee) pumpt, um bei Bedarf später damit wieder Strom zu erzeugen.
Wasser als Energiequelle hat zwar ein deutlich geringeres Potential als der Wind oder die Sonne, ist aber deutlich geringeren Schwankungen unterlegen und teilweise bedarfsgerecht abrufbar.

Die Erde: 99% der Erdmasse hat eine Temperatur von über 1000°C.  Das Energiepotential das hier vorhanden ist, könnte problemlos den Weltenergiebedarf der nächsten Jahrhunderte decken. Das Problem ist eher die technische Umsetzung. Aber auch heute wird die Geothermie schon über verschiedene Methoden zur Energiegewinnung genutzt:
•    Geothermiekraftwerke: Hier wird über bis zu mehrere tausend Meter tiefe Bohrungen Wasser und heiße Erdschichten geleitet und entweder direkt in Fernwärmenetze eingespeist oder über entstehenden Wasserdampf (bzw. den Dampf anderer verdampfbarer Flüssigkeiten) mit Hilfe von Turbinen Strom gewonnen.
•    Wärmepumpen: Dies sind meist dezentrale, in Gebäuden genutzte Wärmeerzeuger, die über einen Primärkreislauf der Erde Wärme entziehen, und diese über ein Arbeitsmedium auf ein höheres Temperaturniveau heben (gleiches Prinzip wie beim Kühlschrank, nur dass hier die Warmseite genutzt wird). Neben diesen Wärmepumpen gibt es auch Wärmepumpen, die dem Wasser oder der Luft Wärme entziehen.
Der große Vorteil der Geothermie ist die komplette Unabhängigkeit von Tages- und Jahreszeiten und dem Wetter.

Die Biomasse:
Die Nutzung von Biomasse zur Energieerzeugung ist eigentlich eine indirekte Nutzung von Sonnenenergie, da Pflanzen (vereinfacht ausgedrückt) die Sonnenenergie in Biomasse umwandeln.
•    Holz: Der bekannteste biogene Energieträger ist Holz. Dieses wird meist in Form von Scheiten, Hackschnitzeln und Pellets einfach verbrannt und damit in Wärme umgewandelt. Allerdings ist es auch möglich über z.B. Holzvergasung Strom aus Hackschnitzeln oder Holzpellets zu erzeugen. Derzeit wird in Deutschland nur ein recht kleiner Anteil des Holzertrages zur Wärmeerzeugung genutzt. Mit dem in den letzten Jahren deutlichen Zuwachs von Hackschnitzel- und Pelletkesseln wird man jedoch früher oder später die Ertragsgrenze der deutschen Wälder erreichen. Jährlich stehen in Deutschland über 20 Mio. m3 ungenutztes nachwachsendes Waldholz zur Verfügung, was einer Energiemenge von ca. 70 Milliarden kWh entspricht. Neben Waldholz wird auch Holz aus Kurzumtriebsplantagen zur Energieerzeugung genutzt. Hier ist der Ertrag pro Hektar deutlich höher, aber wie bei Energiepflanzen ist der Anbau umstritten
•    Energiepflanzen: Das sind schnell wachsende Pflanzen mit hohem Energieinhalt (z.B. Raps, Mais, Sonnenblumen, Weizen), die meist in Biogasanlagen zur Energieerzeugung verwendet werden. Sie sind sehr umstritten, da der Anbau meist in Konkurrenz zum Lebensmittelanbau steht und diese Monokulturen auch für das Ökosystem nicht gerade eine Bereicherung sind. Derzeit laufen allerdings Studien über die Nutzung von Wildpflanzenmischungen als Energiepflanzen, die auf landwirtschaftlichen und Industriebrachen, also bisher ungenutzten Flächen, angepflanzt werden können.
•    Bioabfälle: In Deutschland werden pro Person ca. 100 kg Bioabfall pro Jahr produziert, dazu kommen landwirtschaftliche Abfälle. Derzeit werden Bioabfälle nur teilweise und meist ineffektiv energetisch verwertet. Der Energieinhalt der privaten Bioabfälle beträgt immerhin ca. 8 Milliarden kWh pro Jahr, was ungefähr dem Energiebedarf von 250.000 Wohngebäuden entspricht.
•    Seetang: Die Nutzung von Seetang/Algen zur Energieerzeugung (Biokraftstoffe) steckt noch in den Kinderschuhen und besitzt ein derzeit noch nicht abschätzbares Potential.
•    Sonstiges: Auch Gülle und Klärschlamm sind bisher fast ungenutzte Energieträger. Derzeit gibt es Projekte, in denen Klärschlamm mittels eines neuen Verfahrens (HTC- hydrothermale Carbonisierung) in Kohle umgewandelt wird. Das Verfahren eignet sich auch zur sehr effektiven Verwertung von sonstiger holzfreier Biomasse.
Biomasse hat im Vergleich zu anderen regenerativen Energieträgern ein eher geringes Potential, ist aber in seiner Nutzung komplett unabhängig von den äußeren Bedingungen. Weiterhin hat Biomasse den Vorteil, dass sie recht gut gelagert und bei Bedarf eingesetzt werden kann.

Zusammenfassung:
Regenerative Energieträger haben ausreichend Potential, um Deutschland und auch den Rest der Welt komplett mit Energie zu versorgen. Das Problem sind derzeit die noch recht hohen Kosten der regenerativen Energieerzeugung und die unregelmäßige Verfügbarkeit v.a. von Sonnen- und Windenergie. Die Kosten werden mit zunehmender Weiterentwicklung der Technik und Produktion in den nächsten Jahren sicher weiter sinken, so dass hier auch ohne Subventionen konkurrenzfähige regenerative Energieerzeugung möglich sein wird. Die großen Unregelmäßigkeiten von Sonnen und Wind müssen auf der eine Seite durch auf Abruf nutzbare Energieträger wie Erdwärme und Biomasse, und auf der anderen Seite durch Speichern der Energie abgefangen werden. Das Speichern von Strom ist allerdings auch auf absehbare Zeit uneffektiv und teuer und in ausreichenden Kapazitäten auch nicht annähernd möglich. Derzeit gibt es aber schon Anlagen, die überschüssigen Strom dazu nutzen, um aus Wasser (und CO2)Wasserstoff (bzw. Methan) herzustellen und diese Gase in das Erdgasnetz einspeisen. Das deutsche Erdgasnetz hat eine Speicherkapazität von ca. 120 Milliarden kWh, so dass hier auch längere Windflauten oder Schlechtwetterperioden abgefangen werden könnten.
Da es sich ja hier nicht um eine wissenschaftliche Arbeit handelt, habe ich mal die Quellennachweise weggelassen. Ich hoffe, dass sich gerade bei den doch sehr großen Zahlen (ich habe die verschiedenen Energieeinheiten immer in kWh umgerechnet) keine Fehler eingeschlichen haben. Einige Techniken habe ich stark vereinfacht beschrieben, um hier nicht den Rahmen zu sprengen (z.T. bin ich auch nicht so tief in der Materie drin) und auch bestimmt das ein oder andere vergessen. Ich hoffe aber, dass ich zumindest einen Überblick über die unterschiedlichen regenerativen Energieträger und ihr Potential liefern konnte.