Photovoltaik

Ein sehr geschätzter Kollege, Dr. Franz Alt, betitelte eines seiner Bücher mit einer treffenden Aussage: "Die Sonne schickt uns keine Rechnung!" - In der Tat erreicht die Erde (außerhalb der Atmosphäre) eine Strahlungsleistung von 1367 W/m2. Dieser Wert wurde von der World Meteorological Organization (WMO) im Jahr 1982 als die so genannte Solarkonstante festgelegt. Auf dem Weg durch die Atmosphäre gehen infolge von Absorbtion, Reflexionen, Abschattung und örtlich unterschiedlicher Einstrahlungswinkel, die zu dem von der jeweiligen Tages- und Jahreszeit abhängen, erhebliche Energieanteile für die Nutzung verloren. Doch immerhin erreichen in Deutschland - je nach geografischer Lage - die nutzbaren Leistungen bis zu 1000 W/m2. Von dieser angebotenen Leistung können moderne Photovoltail-Module heute bereits über 20% (monokristalline Photovoltaik-Zellen) genutzt werden. 

Das klingt zunächst wenig, zumal die Strahlungsleistung nur tagsüber zur Verfügung steht und zudem mit dem Stand der Sonne am Himmel variiert. Auf der anderen Seite stehen ausreichend große Flächen ungenutzt auf vielen Dächern zur Verfügung. Ferner eignen sich landwirtschaftlich oder baulich nicht nutzbare Flächen wie beispielsweise stillgelegte Mülldeponien zur Belegung mit PV-Generatoren. Denkbar sind zudem Flächen an Autobahnen. An Flächen mangelt es also nicht und damit langfristig auch nicht an der Menge aus solarer Einstrahlung erzeugten elektrischen Stroms. Schon heute strafen die installierten Leistung die Prognosen lügen, die Experten noch vor zehn Jahren sehr pessimistisch veröffentlichten. Wohl aber besteht ein großer Bedarf an Speicherkapazitäten, denn die Sonne scheint oft dann wenn elektrischer Energie aus dem Netz nicht abgerufen wird. Zudem ist die Einstrahlung nicht sicher kalkulierbar, weil sie unter anderem auch stark vom Wetter abhängig ist. Durch die sehr starke Volatilität der Sonnenenergie decken sich Last- und Erzeugerkurven nicht. 

Photovoltaik bietet große Chancen, die Energiesystemtransformation voran zu treiben. Gemeinsam mit Wind- und Wasserkraft gehört Photovoltaik hier zu den Schlüsseltechnologien. Herausforderungen liegen in erster Linie im Bedarf an Speichertechnik. Hier kann die Elektromobilität Synergieeffekte eröffnen, sowohl die Fahrzeuge selbst mit ihren Batteriekapazitäten als auch die Batterietechnologie als solches für stationäre Speicher. Elon Musk, Chef von Tesla Motors und Technologie-Visionär, hatte 2015 einen Vorstoß gewagt, der plötzlich Batteriepreise in den Keller schnellen ließ. Liefern konnte er seinerzeit die großen Mengen noch nicht, jedoch reichten allein die Vorbestellungen, um über die Nachfrage Druck auf die noch recht hohen Batteriepreise auszuüben. Die Batterien sind derzeit noch ein massives Problem, nicht nur für die Elektromobilität, sondern insbesondere auch für die Photovoltaik. Lokale Batteriespeicher im Haus ermöglichen eine weitgehend autarke Versorgung privater Eigenheime und damit auch eine Entlastung der Verteilnetze durch höhere Eigennutzung.

Die Chancen für eine nahezu autarke Versorgung steigen mit gleichzeitig konsequenter Umsetzung von Energieeffizienz-Maßnahmen. Doch kein Vorteil ohne Schattenseiten! Die Energiewirtschaft ist nach wie vor stark auf fossile und nukleare Energieträger ausgerichtet und fest in globale Marktstrukturen eingebettet. Wie empfindlich dieses - auf Effektivität und Gewinnmaximierung sowie auf globalpolitische Einflussnahme getrimmte - System ist, zeigen die Medienschlagzeilen Anfang Februar 2016: Der Ölpreis ist auf einem langjährigen Tiefstand angekommen und die Wirtschaftspresse sieht Panik aufkommen. Bereits am 30.7.2015 meldete das Handelsblatt unter Berufung auf Reuters, dass Royal Dutch Shell 6000 Stellen wegen des Ölpreis-Verfalls abbauen will (Quelle: http://www.handelsblatt.com/unternehmen/industrie/gewinn-bricht-ein-shell-streicht-wegen-oelpreisverfall-6-500-stellen/12123108.html, Zugriff: 05. Februar 2016). In einer Meldung vom 20. Januar 2016 zitiert der österreichische Kurier APA: Demnach plant Shell nach einer Fusion mit dem Gaslieferanten British Gas nun sogar den Abbau von 10.000 Stellen (Quelle: http://kurier.at/wirtschaft/unternehmen/niedriger-oelpreis-gewinneinbruch-bei-shell/176.150.439, Zugriff: 05. Februar 2016). In TV-Berichten fiel sogar der Satz: "Europa versinke in billigem Öl!" - Ein Trend zu niedrigen fossilen Energiepreisen hemmt den Ausbau regenerativer Energietechnologien. Das ist ohne Frage eine Konsequenz des Marktes. Subventionierungen regenerativer Energietechnologien führen zunehmend zu Missstimmungen unter den Stromkunden. Dagegen wird die jahrzehntelange staatliche Subventionierung von Kohle (der so genannte "Kohlepfennig", mit dem Kompensationsmaßnahmen des Arbeitsplatzabbaus im Ruhrgebiet zugunsten des Einkaufs "billiger" Kohle aus Fernost finanziert wurden) sowie die milliardenschwere Forschungssubvention in der Kernenergie durch den Steuerzahler nicht mehr diskutiert. Es sei angemerkt, dass die Entsorgung verbrauchter Brennelemente unabhängig von einem Ausstieg aus der Kernenergie nach wie vor nicht kostendeckend finanziert ist. 

Solartechnik reduziert also den Bedarf an fossiler und nuklearer Energieträger. Das setzt den etablierten Energiemarkt weiter unter Druck. Solartechnik muss aber auch preislich mit fallenden Preisen für konventionelle Energieträger Schritt halten können. Das hemmt die Entwicklung und führt zu wirtschaftlichen Engpässen bei den Herstellern beispielweise von PV-Modulen. Verschiedene Unternehmenspleiten hat die Branche in den letzten Jahren bereits erleben müssen.

(rs/02-2016)

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Das Themengebiet "Photovoltaik" ist zur Zeit in der redaktionellen Bearbeitung. In den Rubriken "Regenerative Energie / Photovoltaik" und "Grundlagen / Physik" bzw. "Grundlagen / Elektrotechnik" werden bis März 2016 Berichte zu folgenden Themen zu lesen sein:

  • Solare Strahlung und deren Ursprung
  • "Verluste" in der Atmospäre
  • Himmelsgeometrie
  • Aufbau und Herstellung von Photovoltaik-Zellen und -Modulen
  • Solargeneratoren
  • Bypass- und Strang-Dioden
  • Abschattung und die Konsequenzen
  • Wechselrichtertechnik

Bei Bedarf können in der redaktionellen Planung auch individuelle Themenwünsche berücksichtigt werden. 

 

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Solarthermie

Die Solarthermie ist bereits seit längerer Zeit eine sehr erfolgreiche Nutzungsform der Solarenergie. Hier wird solare Strahlung direkt in Wärme umgesetzt und kann recht einfach über einen vergleichsweise langen Zeitraum gespeichert werden. Die Speicherung über 24 Stunden ist technisch nahezu problemlos und wirtschaftlich möglich. Das Grundprinzip wurde einst in einfachsten Selbstbaukonstruktionen für die Beheizung von Gartenduschen und Swimmungpools genutzt. Hier genügte es meist, einen als "Flächenkollektor" ausgelegten möglichst schwarzen Gartenschlauch als Zufluss zu verwenden. 

Moderne Solarthermie ist mittlerweile der Bastlerphase bei weitem entwachsen. Die Kollektoren, die auf Dächern und Freiflächen installiert werden, sind High-Tech-Produkte und liefern sogar in kühlen Jahreszeiten noch beachtliche Erträge an Wärmeenergie, die zur Brauchwasserbereitung ebenso ausreicht wie zur Beheizung eines Gebäudes bzw. je nach Dämmungsqualität des Gebäudes zumindest maßgeblich zur Unterstützung der Zentralheizung beiträgt. Auf diese Weise lassen sich Kosten sparen und zudem die Umwelt durch Einsparungen in den Emissionen schützen. Die Gefahr einer Vereisung ist durch geeignete Arbeitsmittel auch bei tiefen Temperaturen gering.

Die Form der Kollektoren kann sehr unterschiedlich sein. So werden einfache Flächenkollektoren aus meist schwarzen (beste Absorbtion von Wärme) und gut Wärme leitenden Platten gefertigt, die mit einem Rohrsystem Wärme leitend verbunden sind. Durch diese Rohre wird ein frostsicheres Arbeitsmittel gepumpt, was die von der Kollektorplatte absorbierte Wärmeenergie abführen kann. Eine moderne Variante ist der Vakuumröhren-Kollektor. Hier wird das Arbeitsmittel durch ein Doppelrohrsystem gepumpt. Das innere Rohr ist von einem Vakuum umgeben, was Wärme dämmend wirkt. Was zunächst paradox erscheint, klärt sich rasch auf, wenn man versteht dass die Wärmestrahlung das Vakuum durchdringen kann, das Vakuum aber nicht Wärme leitet. So erwärmt die Sonnenenergie das Arbeitsmittel, was jedoch kaum noch Wärme an die Umgebung verlieren kann. Neben dem ohnehin frostsicheren Arbeitsmittel trägt diese Vakuum-Dämmung des doppelten Rohrsystems zusätzlich zur Sicherheit der Anlage gegenüber Frostschäden bei.

Spektakuläre solarthermische Groß-Anlagen wurden beispielsweise mit dem Projekt DESERTEC. Hier sollten Parabolrinnen-Kollektoren die Sonnenstrahlung einfangen und gebündelt auf ein Rohr gelenkt. Das darin geführte Arbeitsmittel,  ein Öl zum Beispiel wird auf einen Wärmetauscher geführt und bringt Wasser zum Verdampfen. Dieser Wasserdampf treibt über eine Turbine einen Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms an. Die starke Energie der Sonne in der Wüste kann auf diese Weise auch auf hohem Niveau in Flüssigsalz gespeichert werden. Damit steht auch in den Nachtstunden ausreichend Energie zum Antrieb der Generatoren zur Verfügung. DESERTEC wurde nicht realisiert, jedoch finden sich vergleichbare Anlagen in den USA.

Ein weiteres Beispiel für die Nutzung der solaren Wärmestrahlung im großen Stil ist die Bündelung des Sonnenlichts mithilfe einer großflächigen Spiegelanlage auf nur einen einzigen Punkt. Hier werden Temperaturen von 1000°C und mehr erreicht. Das bringt große Herausforderungen an das verwendete Material und an das Arbeitsmittel mit sich. Zum Beispiel kommt flüssiges Natrium zum Einsatz. Dieses Alkalimetall ist jedoch in den verwendeten Mengen sehr gefährlich, denn es neigt zu sehr heftigen Reaktionen mit Wasser. Lecks im System bergen deswegen eine erhebliche Explosionsgefahr. Im weiteren wird auch in solchen Anlagen eine Verstromung über Dampfturbinen vorgesehen.

Gebäude- und Brauchwasserwärme sind die größten Positionen in der Energiebilanz eines Gebäudes. Unterstützt durch zusätzliche Photovoltaik-Module und einer gut dimensionierten Gebäudedämmung einschließlich eines energieeffizienten Lüftungssystems kann Solarthermie dazu beitragen, ein Gebäude zu einem "Plus-Energie-Haus" zu machen. Natürlich gibt es aber auch noch Alternativen in der Wärme-Erzeugung.

(rs/02-2016)

 

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Das Themengebiet "Solarthermie" ist zur Zeit in der redaktionellen Bearbeitung. Bis Juni 2016 werden zu diesem Thema Berichte in den Rubriken "Regenerative Energie / Solarthermie" und "Grundlagen / Physik" zu lesen sein.

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Windkraft

Die Kraft des Windes wurde bereits im antiken Ägypten zum Antrieb von Schiffen genutzt. In der Seefahrt war der Wind lange der einzig denkbare Energieträger neben der Muskelkraft von Galeerensklaven. Windmühlen, mit denen die Kraft des Windes in mechanische Leistung - zum Beispiel für den Antrieb von Mahlwerken, daher der Name "Mühle" - eingesetzt wurde, sind in Europ seit dem 9. bis 11. Jahrhundert bekannt. Bis zum 19. Jahrhundert waren in Europa mehr als 100.000 Windmühlen in Betrieb, viele davon in Küstennähe an Nordsee und Atlantik. Was man heute als "Verschandelung" der Landschaft bezeichnet, war also vor 200 Jahren Teil der wirtschaftlichen Kultur des Landes und lebenswichtig für die Versorgung der Menschen. Die meisten Windmühlen sind aus der Landschaft verschwunden und die noch verbliebenen Anlagen meist unter Denkmalschutz gestellt. Gemahlen wird darin meist nicht mehr, jedoch sind meist Gaststätten oder Museen in den historischen Bauten unter gebracht.

Windkraftanlagen von heute haben mit ihren historischen Vorbildern nur das grundlegende Prinzip als Energiewandler gemein. Sie wandeln die Windenergie nicht ausschließlich in mechanische Energie um, sondern nutzen die Wandlung in eine mechanische Drehbewegung lediglich zum Antrieb eines Generators. Die modernen Windkraftanlagen sind auf sehr hohen Türmen installiert, die in der Landschaft weithin sichtbar sind. Die Rotoren haben einen Durchmesser von über 100m, bei so genannten Offshore-Anlagen sogar noch mehr. Sie laufen langsam, jedoch sind die Geschwindigkeiten der Flügelspitzen aufgrund der großen Radien des Rotors ausgesprochen hoch und können weit über 200 km/h erreichen. Dies sei für Zugvögel gefährlich, betonen Kritiker, doch gehen die Studien über die mögliche Mortalität unter Experten auseinander.

Neben der weitreichenden optischen Beeinflussung der Landschaft wird die Windkraft vor allem aber auch wegen der Geräuschentwicklung kritisiert. Sowohl Windgeräusche der Rotoren als auch die Geräusche der Motoren für die Windrichtungsnachführung verursachen Geräusche. Anwohner in der Nähe von Windkraftanlagen beklagen diese akustischen Störungen, jedoch liegen deren zumeist deutlich unterhalb denen einer durchschnittlich befahrenen Straße. Das Problem scheint subjektiv und möglicherweise auch auf die Konstanz der Geräusche zurück zu führen sein. In jedem Fall sollten diese Bedenken ernst genommen und im Detail erforscht werden. 

Als unangenehm störend werden auch die so genannten Schlagschatten empfunden. Auch wenn der Schatten des bewegten Rotorblattes aufgrund der Sonnenbahn nicht permanent über einen Ort streicht, wird der Schlagschatten von Bewohnern als störend empfunden, wenn dieser beispielsweise über Fenster oder die Terrasse streicht. Der durchlaufende Schatten schafft tatsächlich Unruhe, besonders, wenn er nur im Augenwinkel wahrgenommen wird. Auch dies mag jeder individuell anders empfinden, jedoch kann durch einen ausreichenden Abstand einer Windkraftanlage von bewohnten Gebieten sowohl die Beeinträchtigung durch Lärm als auch durch Schlagschattenbildung vermieden werden.

Geräusche von Windkraftanlagen sorgen auch bei Offshore-Anlagen für Kritik. Zwar fühlen sich hier keine Anwohner gestört, jedoch vermuten Meeresbiologen einen störenden Einfluss auf das Wanderverhalten beispielsweise der Wale. 

Windkraft ist also ohne Frage eine sehr umstrittene regenerative Technologie. Neben durchaus begründeter Kritik ist aber auch insgesamt ein Trend zum Widerstand gegen regenerative Energieträger als solches zu erkennen. Es wird mit zweierlei Maß gemessen, denn auch die Dampfschwaden der Kühltürme kalorischer Kraftwerke sind weithin in der Landschaft zu sehen und die Restwärme der Kühlkreisläufe erwärmt die Gewässer. Dies wird billigend als "Gewohnheitsrecht" in Kauf genommen.

Windkraftanlagen werden immer effektiver und auch leiser im Betrieb. Die reklamierten Störungen betreffen in den meisten Fällen nur sehr alte Anlagen. Darüber hinaus ist Windkraft eine tatsächlich nachhaltige Technologie. Die mit Windkraftanlagen bebauten Flächen können problemlos weiterhin landwirtschaftlich genutzt werden. Der Rückbau einer Anlage ist nahezu ohne Rückstand einfach möglich. Neben Wasserkraft und Solarenergie hat die Windenergie den wichtigsten Anteil an einer Energiesystemtransformation. Auch Windkraft ist volatil, aber nicht unmittelbar von der Einstrahlung der Sonne abhängig. Windkraft kann so auch in den Nachtstunden und in Schlecht-Wetter-Zeiten Energie liefern, die von Photovoltaikanlagen dann nicht angeboten wird. Sie ist eine wichtige Komponente im gesamten regenerativen Energiemix. 

(rs/02-2016)

 

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Das Themengebiet "Windkraft" ist zur Zeit in der redaktionellen Bearbeitung. Bis Mai 2016 werden zu diesem Thema Berichte in den Rubriken "Regenerative Energie / Windkraft", "Grundlagen / Physik" und "Grundlagen / Elektrotechnik" zu lesen sein.

Folgende Themen werden besprochen:

  • Wind und dessen Entstehung
  • Rotorblätter und Flugzeug-Tragflächen
  • Wirkungsgrade von Windkraftanlagen
  • Bauformen
  • Generatortechnik
  • Netzeinspeisung
  • Drehzahlregelung
  • Nachführung zur Windrichtung
  • Das Betz'sche Gesetz

Bei Bedarf können in der redaktionellen Planung auch individuelle Themenwünsche berücksichtigt werden. 

 

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Biomasse

Biomasse ist ein nachhaltiger Energieträger, der grundsätzlich als CO2-neutral zu betrachten ist. Bei der Umsetzung in elektrische oder thermische Energie entlässt Biomasse zwar Kohlendioxid in die Atmosphäre, jedoch entzogen die der Biomasse zugrunde liegenden Pflanzen dieses zuvor ihrer Umgebung. Es wird also kein im Erdinneren gespeichertes CO2 emittiert, sondern lediglich das Vorhandene in einem biologischen Kreislauf eingebunden. 

Biomasse ist allerdings ein seit weitläufiger Begriff. Am bekanntesten ist sicher Holz. Holz dient über Jahrhunderte bereits als Brennstoff im Haushalt und ist ein nachwachsender Rohstoff. Hier muss man aber sehr genau in der Bewertung differenzieren, denn einerseits steht Holz als Energieträger für Nachhaltigkeit, aber andererseits bringt Holz auch gewisse Nachteile mit sich, wenn der Umgang mit diesem Rohstoff allein mit unter dem Gesichtspunkt des Profites und ohne ökologisches Verantwortungsgefühl erfolgt. Bis Holz als Energieträger zur Verfügung steht, dauert es eine gewisse Zeit. Wie lange das Wachstum eines Baumes dauert, hängt nicht zuletzt von dessen Art ab. Einfache Nadelbäume wie Fichten und Kiefern wachsen vergleichsweise schnell, während Buchen und Eichen, die ein vergleichsweise hartes Holz liefern und eine hohe Energiedichte in sich tragen, erheblich längere Wachstumszeiten benötigen. Von Nachhaltigkeit kann also nur gesprochen werden, wenn die Nutzung von Holz (nicht nur energietechnisch) mit der Zeit der Wiederaufforstung zumindest identisch ist. Rodet man Wälder schneller als deren Nachwachsen gesichert ist, geht der Waldbestand zurück. Es verbleiben kahle Flächen und im schlimmsten Fall führt der Kahlschlag zu Bodenerosionen. Das bedeutet, dass der Boden infolge der fehlenden Vegetation an Stabilität verliert. Die Wurzeln der einst dort vorhandenen Vegetation zersetzen sich. Den Rest "erledigen" Wind und Niederschläge, die das vorhandene Erdreich abtragen. Oft bleiben kahle Felsen oder unfruchtbare Sandflächen zurück. An Berghängen besteht zudem das große Risiko eines Hangrutsches oder bei Niederschlägen der Vermurung. In den tropischen Regenwäldern ist ein sehr extremer Raubbau zu erkennen. Aus puren Profitinteressen werden großflächige Regionen des sich über Jahrtausende entwickelnden Urwaldes rigoros gerodet, um Anbauflächen für hochindustrialisierte Monokulturen zu gewinnen, die schon nach wenigen Jahren keinen Ertrag mehr liefern können. Auch das geschäft mit edlen Tropenhölzern fördert diesen für die gesamte Welt nachteiligen Trend.

All diese medial laut diskutierten Fakten stellen "Holz" als Werkstoff und Energieträger in Frage. Hinzu kommen weitere Probleme wie beispielsweise der Feinstaub, der ein unerwünschtes Nebenprodukt des Hausbrandes ist. Alle Herausforderungen sind jedoch in den Griff zu bekommen, sei es durch eine verantwortungsvolle und nachhaltige Bewirtschaft der Wälder oder durch Einsatz von Filtertechnologien.

Als Energieträger sind aber auch nicht zuletzt die biologischen Abfälle von große Interesse. Holzbruch und Abfälle aus der Holz verarbeitenden Industrie sind ebenso geeignet wie beispielsweise Abfälle der Landwirtschaft und von Kläranlagen. Hier wird die Biomasse einem Fäuleprozess unterworfen, wie es in ähnlicher Form auch grundsätzlich in der Natur geschieht. Es entsteht Methan-Gas, was übrigens ein noch stärker wirkendes Treibhausgas ist als Kohlendioxid. Dieses Methangas kann jedoch weiter verarbeitet werden, beispielweise zu Bio-Treibstoff oder direkt in lokalen Anlagen zur Verstromung eingesetzt werden. Grundsätzlich hat Gas gegenüber direkt erzeugtem Strom den Vorteil, speicherfähig zu sein. Es kann dann energietechnisch genutzt werden, wenn ein Bedarf dafür gegeben ist.

In der Biomasse als Energieträger stecken enorme Potenziale, jedoch hat dies auch die gewinnorientierte Wirtschaft erkannt. An den Börsen sind Spekulanten auf den lukrativen Markt aufmerksam geworden. Dies hat nicht nur direkten Einfluss auf die Preise für Bioenergie, sondern vor allem auch auf Preise und Verfügbarkeit von Lebensmitteln. Agrarflächen werden schon seit Jahren im Bereich der EU still gelegt, allein um die Märkte stabil zu halten. Dabei werden Flächenstilllegungen sogar subventioniert. Ein freier Markt existiert also nicht. Kritisch ist dabei, dass eine einzudämmende Überproduktion einer sehr breiten Massen an hungernden Menschen gegenüber steht. Dies ist ein moralisches Problem, was nicht grundsätzlich der Bioenergie zuzuschreiben ist. Es ist aber ohne Frage Aufgabe der Gesellschaft, diese Tatsache bei der Umsetzung einer Energiesystemtransformation zu berücksichtigen und die Situation keinesfalls aus Profitinteressen weiter zu eskalieren.

(rs/02-2016)

 

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Das Themengebiet "Biomasse" ist zur Zeit in der redaktionellen Bearbeitung. Bis zum Spätsommer 2016 werden zu diesem Thema Berichte in der Rubrik "Regenerative Energie / Biomasse" zu lesen sein.

 

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Regenerative Energie

In den Medien ist viel von grünem Strom und von Nachhaltigkeit zu lesen. Es wird von einer „Energiewende“ gesprochen, hin zu so genannten erneuerbaren bzw. regenerativen Energien. Betrachtet man die so genannte Energiewende einmal objektiv und möglichst wertungsfrei, dann wird schnell deutlich, dass sich in diesem Kontext viele Marketingphrasen entwickelt haben.

Sinn dieser Sprachkapriolen ist es natürlich auch, den etablierte Energieversorgern ein positives Images zu verleihen. Ob ein Energieversorger ein positives und vor allem „grünes“ Image erlangen kann, nur weil ab und zu ein Solarpark oder eine Windkraftanlage in Betrieb genommen wird, während das Unternehmen gleichzeitig große Summen beispielsweise in Braunkohle investiert, darüber lässt sich streiten. Auch ist es groß in Mode geworden, den Zuwachs regenerativer Energien als Begründung der Pläne für einen groß angelegten Stromtrassenausbau heran zu ziehen. Der Bedarf der Energiewirtschaft und eines europäischen Energiemarktes wird nur selten wahrgenommen. Auch diese Rahmenbedingungen sind jedoch für das Funktionieren einer modernen Gesellschaft von Bedeutung und es wäre naiv, diese Themen grundsätzlich auszusparen.

Eine erfolgreiche „Energiewende“ (der Begriff „Energiesystemtransformation“ erscheint passender) setzt voraus, dass die Menschen verstehen, worum es dabei überhaupt geht. In diesem Beitrag soll deswegen der Begriff der „regenerativen“ Energie und dessen Bedeutung erklärt werden.

Regenerativ bedeutet „erneuerbar“

Dem Physiker lässt der Begriff der „erneuerbaren“ Energie graue Haare wachsen, denn dieser Begriff an sich steht im klaren Widerspruch zum Energieerhaltungssatz! Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie weder erzeugt noch vernichtet und damit auch nicht „verbraucht“ werden. Somit kann Energie also auch nicht „erneuert“ werden. Energie kann nur von einem Zustand in einen anderen gewandelt werden!

Anders sieht es aus, wenn man den Energieträger betrachtet. Die Sonne geht jeden Tag neu auf. Wind weht – abhängig von der Region und der Jahreszeit – mehr oder weniger stark, aber eben auch grundsätzlich. Auch die Wasserkraft gehört zu den so genannten regenerativen Energieträgern. Wasser- und Windkraft sowie Solarenergie sind die klassischen umweltfreundlichen Energieträger. Vor allem aber stehen sie grundsätzlich jedermann zur Nutzung zur Verfügung. Es gibt kein Monopol auf diese Energieträger und diese Energieträger bieten große Chancen zur autonomen Selbstversorgung.

Etwas weniger im Fokus der Medien sind die Biomasse und die Geothermie. Beide Energieträger haben große Potenziale, sind aber auch kontrovers diskutiert.

Sind Öl und Kohle „regenerative“ Energieträger?

An dieser Stelle sei die kühne Behauptung aufgestellt: Öl und Kohle seien regenerative Energieträger! - Es sei noch weiter gegangen und behauptet, dass Öl und Kohle gespeicherte Solarenergie sind. Ein Teil Wahrheit steckt in diesen Aussagen, doch der Teufel steckt im Detail.

Ein Beispiel ist die Kohle: Kohle ist aus abgestorbenen Urwäldern in den damals sumpfigen Regionen entstanden. Die Biomasse der Bäume wurde im Laufe der Jahr von anderen Sedimentschichten - zum Beispiel Ton - überdeckt. Weitere Schichten durch erneutem Bewuchs führten letztlich zu der geologischen Struktur, wie man sie im Steinkohlebergbau kennt: die Flöze.

Der “Inkohlungsprozess“ erfolgt in zwei sehr langfristigen Phasen. In der ersten Phase, die biochemische Phase, bauen Mikroorganismen die organischen Substanzen wie Proteine und Kohlenhydrate ab. Mit der Zeit bildet sich im Moor eine Torfschicht. Die zweite, geochemische Phase, beginnt mit dem Abschluss des Torfsedimentes von der Luft und durch Kompression infolge des zunehmend stärkeren, auf der Torfschicht lagernden Gewichtes. Durch hohem Druck und hoher Temperatur werden unter anderem Wasser aus dem Material heraus gepresst und die Kohle beginnt, zu versteinern. Je nachdem, wie alt die Kohle ist und in welcher Tiefe sie gefunden wird, unterscheidet sie sich insbesondere durch ihren Gehalt an Kohlenstoff und Feuchtigkeit, aber auch durch eingeschlossene flüchtige Gase wie Methan und Kohlendioxid. Praktisch bedeutsam ist die Unterscheidung zwischen Torf, Braunkohle und Steinkohle. Während Steinkohle vorwiegend weit unter der Erdoberfläche zu finden ist (Ausnahmen sind durch geologische Verwerfungen begründet) wird Braunkohle nahe der Erdoberfläche im Tagebau gewonnen. Torf kann mit einfachsten Werkzeugen in trocken gelegten Moorgebieten abgebaut werden, allerdings wird dessen Abbau in weiten Teilen Europas durch den Naturschutz reglementiert oder sogar eingeschränkt.

Im Gegensatz zur Kohle, die in erster Linie aus pflanzlichen Ablagerungen entstand, ist Erdöl ein Produkt aus Kleinstlebewesen wie Algen. Nach deren Tod sanken diese auf dem Meeresgrund ab. Handelt es sich hier um sehr tiefliegende und sauerstoffarme Regionen, entsteht ein organischer Schlamm. Auch hier wirken letztlich wieder Druck und Temperatur und es entsteht Erdöl sowie Erdgas.

Sowohl Kohle als auch Erdöl und Erdgas sind in der Regel nur durch Grabungen bzw. Bohrungen zu erreichen. Nach dem lateinischen Begriff “fodio“ (graben) bzw. fossilis (ausgegraben), spricht man auch von fossilen Energieträgern.

Wie gesehen, sind also auch Kohle und Öl grob betrachtet – über den Lebenszyklus des Planeten betrachtet – regenerative Energieträger. Beide Materialien sind aus organischen Stoffen entstanden, die sich wiederum erst unter dem Einfluss von Sonnenenergie entwickelten. Tatsächlich setzt die Verbrennung von Öl, Gas und Kohle nur den Kohlenstoff in die Atmosphäre frei, den einst Pflanzen und Mikroorganismen aufnahmen. Zyniker mögen dies ins Feld führen und deswegen von einer CO2-neutralen Energiequelle sprechen. Dabei sollte jedoch nie vergessen werden, dass der Kohlenstoff vor rund 250 Millionen bis 400 Millionen Jahren der Atmosphäre entzogen wurde. In diesem Zeitraum gab es eine Kaltphase vor rund 300 Millionen Jahren, jedoch vor allem sehr ausgeprägte Warmphasen mit bis zu +10K bis +12K über dem aktuellen Temperaturniveau. Zum Vergleich: Auf dem Klimagipfel im Dezember 2015 in Paris wurde über einen möglichen Anstieg der durchschnittlichen Temperatur in der Erdatmosphäre um maximal 2K gestritten.

Öl, Kohle und Gas scheiden aus zwei Gründen für die Einstufung als „erneuerbare“ Energieträger aus: Die Zeit der Wandlung von der Biomasse bis zum Rohstoff Kohle oder Öl ist mit mehreren hundert Millionen Jahren zu lange. Eine Erneuerung der Öl-, Kohle- und Gasvorkommen in der Erdkruste wird also erst dann abgeschlossen sein, wenn es möglicherweise die Menschheit nicht mehr geben wird. Der zweite Grund ist die Menge des in den fossilen Energieträgern gespeicherten Kohlenstoffes. Diese Menge liegt deutlich über der Menge, die die heutige Atmosphäre aufnehmen kann, ohne die Durchschnittstemperatur der Erde signifikant zu erwärmen.

Kritiker der Theorie des Klimawandels führen an, dass Vulkane ebenso einen Einfluss auf diese Entwicklung haben. Das ist korrekt, jedoch hilft es wenig, als „meteorologischer Trittbrettfahrer“ durch unkontrollierten Ausstoß von Treibhausgasen den Erwärmungseffekt zu beschleunigen. Weiterhin fehlt die natürliche CO2-Kompensation durch die ungebremste Abholzung großer Waldflächen, insbesondere der tropischen Regenwälder, die maßgeblichen regulativen Einfluss auf das Weltklima haben.

Schon sehr kurzfristig wird es also keinen Weg geben, die CO2-Emissionen drastisch zu reduzieren, wenn möglich, vollkommen zu stoppen. Der ideale Weg ist möglicherweise der Entzug von CO2 aus der Atmosphäre. Die als Rechtfertigung für den Weiterbetrieb von Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen entwickelte Carbon Capture and Storage-Technologie (CCS) sieht vor, CO2 aus den Kraftwerksabgasen heraus zu filtern und in tiefen Erdregionen endzulagern. CCS ist hoch umstritten, denn im Falle einer Störung können extrem große Mengen CO2 in die Atmosphäre entweichen. Jedes Lebewesen in der Umgebung würde ersticken, ohne die Gefahr rechtzeitig erkennen zu können.

Kohlendioxid ist also insgesamt ein großes Problem, dessen Tragweite keine weiteren Emissionen mehr zulässt. Weltweit ist dies aber nach wie vor nicht durchsetzbar. Offenbar sind die Risiken des CO2-Einflusses auf das Klima nicht verstanden worden. Oft kann man wohl aus reiner Profitgier sogar von berechnender Ignoranz ausgehen.

Kernkraft als eine Ur-Energie

Kernenergie, wie man sie aus den bekannten Kernkraftwerken oder gar aus den nuklearen Waffensystemen kennt, ist mitnichten eine regenerative und – trotz vieler Bekundungen – keinesfalls eine umweltfreundliche Energieform. Die Gewinnung des Rohstoffes Uran ist mit gefährlichen Eingriffen in die Natur verbunden. Das spaltbare Material ist in den falschen Händen brandgefährlich und die Entsorgung ausgebrannter Brennelemente aber auch des kontaminierten Materials, welches der Betrieb eines Kernkraftwerkes mit sich bringt, ist ausgesprochen problematisch.

Der geneigte Leser wird sich also fragen, warum Kernenergie in dieser Publikation und insbesondere in einem einleitenden Beitrag zur regenerativen Energie Erwähnung findet. Bei genauer Betrachtung wird man schnell erkennen, dass man sich der Kernenergie nicht entziehen kann, denn sie ist Teil der Natur und insbesondere des gesamten Universums. So ist Solarenergie, die man auf der Erde subjektiv als Licht und Wärmestrahlung wahrnimmt, das Ergebnis gewaltiger Kernfusionsprozesse. Geothermie hingegen basiert zu einem großen Teil auf Wärme, die bei Kernspaltungsprozessen tief innerhalb der Erde freigesetzt wird. Die Erde selbst ist also ein gewaltiges Kernkraftwerk. Ein Strahlungsrisiko gibt es allerdings mit der Nutzung von Geothermie nicht, denn die nuklearen Vorgänge finden in weit größeren Tiefen statt als in denen, wo Wärmesonden ins Erdreich getrieben werden.

Die Kraft des Mondes

Der Vollständigkeit wegen soll der Einfluss des der Erde am nächsten befindlichen Himmelskörpers nicht vergessen werden. Der Mond ist in Kombination mit der Erdrotation verantwortlich für die Gezeiten der Meere. Auch diese Bewegungen, die besonders an der Nordsee wegen der extrem flachen Struktur des Wattenmeeres eindrucksvoll zu beobachten, jedoch überall auf der Welt messbar sind, lassen sich energietechnisch nutzen. Auch Gezeitenkraft gehört zu den regenerativen Energieträgern.

Fazit: Verstehen ist wichtig!

Diese kleine Einführung – nicht nur – in die Thematik der regenerativen Energieträger zeigt bereits, wie kontrovers das Thema Energietechnik und Energiewirtschaft allgemein sein kann. Sogar dieser vorangehende Satz birgt erneut ein Beispiel, dass es besonders auf Begrifflichkeiten ankommt, um das sehr komplexe Thema und vor allem die unterschiedlichen Interessenlagen richtig zu verstehen. Das Thema ist spannend. In diesem Abschnitt werden deswegen die – vorwiegend technischen – Hintergründe sowie praktische Einsatzszenarien der regenerativen Energieträger dargestellt:

  • Sonnenenergie

  • Windkraft

  • Wasserkraft

  • Gezeitenkraftwerke

  • Geothermie

  • Biomasse

(rs/12-2015)