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Alternative Energiequellen
Neben den fossilen Energieressourcen bieten uns die Erde und ihre Umgebung Möglichkeiten zur Energiegewinnung, die nahezu unerschöpflich sind. Viele dieser Alternativen sind jedoch noch nicht ausgereift, so dass diese regenerativen (=erneuerbaren) Energieträger derzeit noch einen sehr geringen Anteil an der weltweiten Energieversorgung haben. Aber wenn die anderen Quellen, wie Kohle oder Öl, erschöpft sind, werden die Länder, die früh mit der Nutzung und Forschung auf diesem Gebiet begonnen haben, einen enormen Vorteil haben. Eines dieser Länder ist die Bundesrepublik Deutschland , die seit vielen Jahren forscht und ihr Wissen und ihre Produkte auf den Markt bringt. In Zukunft will die Bundesrepublik Deutschland jedoch verstärkt erneuerbare Energien nutzen. Noch vor wenigen Jahren war Deutschland der führende Exporteur von Umwelttechnologien. Der zukünftige Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch und an der Stromeinspeisung wird in den Zahlen der Prognos-Studie dargestellt. Trotz aller Zweifel und öffentlicher Diskussionen über Sinn und Unsinn des aktuellen Stromeinspeisegesetzes hat es mit seinen Vergütungssätzen neben den Förderprogrammen einen wesentlichen Beitrag zum Wachstum der erneuerbaren Energien geleistet.
Solarenergie
Aktive Nutzung der Sonnenenergie
Die Sonne ist eine Wärmequelle. Beispielsweise wird Wa
sser in einem in der Sonne liegenden Gartenschlauch in einem schwarzen Schlauch stärker erhitzt als in einem helleren. Genau dieses Grundprinzip wird in der Solartechnik zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme genutzt (“Solarthermie”) (Solarthermie ist eine Energieform und eine Technologie zur Nutzung von Sonnenenergie zur Erzeugung von Wärmeenergie oder elektrischer Energie für den Einsatz in der Industrie, im Wohn- und Gewerbebereich). Anstelle des Gartenschlauches wird eine schwarze Empfangsfläche verwendet, die die Sonnenenergie aufnimmt (absorbiert) und in Wärme umwandelt. Durch diesen Absorber strömt Luft oder Wasser , so dass die Wärme transportiert werden kann. Es gibt viele verschiedene Absorber aus verschiedenen Materialien (Metalle und Kunststoffe). Um die Effizienz zu steigern, wird der Treibhauseffekt in Kombination mit einer guten Wärmedämmung genutzt.
Ein Absorber mit einem wärmeisolierenden Kasten und einer Glasabdeckung wird auch als Flachkollektor bezeichnet (siehe Bild unten). Da die Sonne nicht immer scheint, wenn Sie die Energie nutzen wollen, benötigen Sie einen Speicher. Die Kombination von Kollektoren mit Speichern und Rohrleitungen (für den Transport) wird als solarthermische Anlage bezeichnet. Es erfüllt die drei für eine optimale Nutzung notwendigen Funktionen, nämlich die Umwandlung, den Transport und die Speicherung der Sonnenenergie. Solarkraftwerke Solarkraftwerke gibt es zum Beispiel in der kalifornischen Mojawe-Wüste . Mit Hilfe von Hohlspiegeln, die eine Gesamtfläche von 70.000 m2 haben, wird der Brennpunkt dieser Spiegel auf die Spitze eines Turms gerichtet, in dem Wasser verdampft und der Dampf eine Turbine betreibt. Diese erzeugt dann Strom. Natürlich wurden im Laufe der Jahre auch andere Möglichkeiten der Nutzung der Sonnenenergie gefunden, wie z.B. die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. Solarzellen Solarzellen wurden zum ersten Mal in der Raumfahrt zur Versorgung von Satelliten eingesetzt. Diesen Prozess, nämlich die direkte Umwandlung der Sonne in elektrische Energie, nennt man Photovoltaik (PV). Die oben genannten Solarzellen werden für diesen direkten Einsatz verwendet. Sie bestehen aus einem Halbleitermaterial, (Halbleiter sind kristalline oder amorphe Festkörper mit ausgeprägten elektrischen Eigenschaften) wie Silizium, und bestehen aus Schichten (siehe folgende Abbildung). Die positive leitfähige Schicht ist im Verhältnis zur negativen leitfähigen Schicht sehr dünn. Der interne photoelektrische Effekt (Der photoelektrische Effekt oder die Photoionisation ist die Emission von Elektronen oder anderen freien Trägern, wenn Licht auf ein Material fällt) erzeugt Strom aus Licht. Da einzelne Zellen eine sehr niedrige Spannung liefern, werden mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet.
Je nach verwendetem Material (monokristallin, polykristallin oder amorph) hat das Silizium unterschiedliche Wirkungsgrade, die sich seit der Erfindung vor mehr als 150 Jahren auf bis zu 17,5% verbessert haben. Der Einsatz dieser Technologie in Deutschland ist aufgrund der relativ hohen Produktionskosten und der damit verbundenen nutzbaren Sonneneinstrahlung derzeit nicht rentabel. Obwohl es möglich wäre, den 80fachen Stromverbrauch der Bundesrepublik Deutschland zu decken, wenn die gesamte Sonneneinstrahlung auf diesem Gebiet (BRD) mit Hilfe von Solarzellen genutzt würde, ändert dies nichts an der derzeitigen Unrentabilität. Würde 1% der öffentlichen Stromerzeugung mit Photovoltaik erzeugt werden, (Photovoltaik ist ein Begriff, der die Umwandlung von Licht in Strom mit Hilfe von Halbleitermaterialien, die den photovoltaischen Effekt aufweisen, ein Phänomen, das in Physik, Photochemie und Elektrochemie untersucht wurde), müsste jeder deutsche Stromkunde zwei Pfennig pro Kilowattstunde bezahlen. Andererseits lohnt sich der Einsatz in afrikanischen Ländern, da die Sonneneinstrahlung hier sehr hoch und intensiv ist. Aufgrund der hohen Kosten werden jedoch nur wenige Dörfer und Trinkwasserförderer auf diese Weise mit Strom versorgt. Passive Nutzung der Sonnenenergie Neben der aktiven Nutzung ist auch die passive Nutzung der Sonnenenergie möglich. Diese Art der Nutzung ist bereits sehr alt und basiert auf meist einfachen Prinzipien wie dem Treibhauseffekt. Mit dem heutigen Wissen ist es jedoch möglich, auf diese Weise Energie zu sparen. Für Fenster ist die Dämmung entscheidend, während Wintergärten den Treibhauseffekt (Der Treibhauseffekt ist der Prozess , bei dem die Strahlung aus der Atmosphäre eines Planeten die Oberfläche des Planeten auf eine Temperatur erwärmt, die über dem liegt, was sie ohne seine Atmosphäre wäre) ähnlich wie bei Fenstern. Bei richtiger Nutzung von Wintergärten (richtige Ausrichtung, keine Heizung, keine offenen Türen, etc.) kann dies zu einer Energieeinsparung von 15-30% beitragen. Transparente Wärmedämmung Eine weitere Möglichkeit der passiven Nutzung der Sonnenenergie ist die so genannte transparente Wärmedämmung (Wärmedämmung ist die Reduzierung des Wärmeübergangs zwischen Objekten in Wärmekontakt oder im Bereich der Strahlungseinwirkung), die dafür sorgt, dass Licht in den Raum eindringen kann, gleichzeitig aber auch verhindert, dass Wärme entweicht. Das Sonnenlicht fällt durch die transparente Isolierschicht (ein Bündel aus horizontal angeordnetem Trinkhalm-l (Ein Trinkhalm ist ein Schlauch zum Überführen eines Getränks aus seinem Behälter in den Mund des Trinkers) auf eine schwarz lackierte Wand, die sich dann erwärmt. Diese Technologie ist noch recht neu, aber im Idealfall (korrekte Ausrichtung, etc.) wurden Energiegewinne von 100-200 kWh/m2 gemessen. Dadurch können die Heizkosten um bis zu 80% gesenkt werden.
Diese Nutzung ist bereits älter als man denkt, da sie in der Natur vorkommt, da das Fell des Eisbären dieser Technologie ähnlich ist. Der Eisbär (Der Eisbär ist ein fleischfressender Bär, dessen Heimatgebiet weitgehend innerhalb des Polarkreises liegt, der das Eismeer, die umliegenden Meere und die umliegenden Landmassen umfasst) die Haare sind innen hohl, so dass das Sonnenlicht auf die schwarze Haut darunter fallen kann. Windkraft Windkraft wird seit langem wirtschaftlich genutzt, in der Vergangenheit wurde sie jedoch nur für den Betrieb von Pumpen oder Mühlen genutzt.
Die Nutzung zur Stromerzeugung ist dagegen noch recht jung und kann sich aufgrund der geringen Rentabilität im Vergleich zur Nutzung von Steinkohle für die Stromversorgung des öffentlichen Stromnetzes nicht etablieren. Die Stromerzeugungskosten aus neuen regenerativen Anlagen in Deutschland sind in Anlage 9 dargestellt. 12-20 Pf/kWh (Die Kilowattstunde ist eine abgeleitete Energieeinheit von 3,6 Megajoule) ind Energie ist wesentlich teurer als Steinkohle. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Bedeutung dieser Energiequelle in Zukunft zunehmen wird, wenn andere Quellen wie Öl oder Kohle erschöpft oder teurer werden. Dennoch würde eine optimale Nutzung in Deutschland nur eine umgerechnete Energiemenge von rund 12 Millionen Tonnen erfordern. SKE, die etwa 3% des deutschen Primärenergieverbrauchs decken könnte. Die obige Abbildung zeigt, wo in Deutschland solche Systeme rentabel sein könnten (gemessen an der Windgeschwindigkeit). Kleinere Windkraftanlagen sind für Privatanwender besonders interessant, während größere Anlagen, so genannte Windparks, aufgrund der hohen Kosten im Vergleich z.B. zu Kohle selten sind. Im Jahr 1990 gab es etwa 10 Parks in Deutschland. Auf Helgoland (Helgoland ist ein kleiner deutscher Archipel in der Nordsee) beispielsweise liefert eine 1,2-MW-Anlage Strom für die Insel. Die relativ fortschrittliche deutsche Windkrafttechnologie stößt bei den Entwicklungsländern, für die deutsche Unternehmen Anlagen bauen, auf zunehmendes Interesse. Wasserkraft Wasserkraft ist auch eine Energiequelle, die seit Jahrtausenden von der Menschheit genutzt wird.
Um 500 v. Chr. wurde er jedoch nur zum Antrieb einfacher Maschinen verwendet. (Eine einfache Maschine ist eine mechanische Vorrichtung, die die Richtung oder Größe einer Kraft ändert.) Die bis ins 19. Jahrhundert verwendeten Wasserräder, auch in Verbindung mit Dämmen, hatten nur eine geringe Leistung und reichten daher für größere Anforderungen nicht aus.
Erst Ende des 19. Jahrhunderts wurden schnelle Turbinen entwickelt, die höhere Leistungen erzielen konnten und somit später für die Umwandlung in Strom geeignet waren. Unter den anderen erneuerbaren Energiequellen (Wind- und Solarenergie ), (Solarenergie ist strahlendes Licht und Wärme von der Sonne, die durch eine Reihe sich ständig weiterentwickelnder Technologien wie Solarwärme, Photovoltaik , Solarthermie, Solararchitektur, Salzschmelzkraftwerke und künstliche Photosynthese genutzt wird) die Wasserenergie leistet den größten Beitrag zur Energieversorgung der Welt, aber dieser Anteil ist im Vergleich zu anderen Versorgungsoptionen (Öl, Gas, Kohle, etc.) sehr gering. Ihr Anteil an der Stromerzeugung in der Bundesrepublik Deutschland ist jedoch der größte aller erneuerbaren Energien (Erneuerbare Energie ist Energie, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, die natürlich auf menschlicher Zeitskala wie Sonnenlicht, Wind, Regen, Gezeiten, Wellen und Erdwärme nachgefüllt werden), wie in Anlage 10 dargestellt. In Deutschland konnten 1990 nur 1,1% des Primärenergieverbrauchs durch Wasserkraft gedeckt werden.
Damals gab es in Westdeutschland 600 Wasserkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 6330 MW. Dies entspricht 7% der gesamten installierten Kraftwerksleistung. Das bedeutet, dass diese Anlagen nur kurzzeitig in Spitzenzeiten betrieben werden und einen “wertvollen” Spitzenstrom haben. Im Jahr 1990 befanden sich acht weitere Wasserkraftwerke im Bau, die später 90 MW Energie liefern sollten. Zudem gab es in Deutschland mehr als 3200 private Anlagen, die jedoch nicht das öffentliche Stromnetz versorgen. Wasserkraft wird auch zu besonderen Anlässen von Gezeitenkraftwerken genutzt, (Gezeitenkraft oder Gezeitenenergie ist eine Form der Wasserkraft, die die aus den Gezeiten gewonnene Energie in nützliche Energieformen, hauptsächlich Strom, umwandelt), wie in Frankreich an der Mündung des Flusses Rance (Die Rance ist ein Fluss im Nordwesten Frankreichs), siehe Abbildung unten. In diesem speziellen Fall, wo der Unterschied zwischen Ebbe und Flut genutzt wird, beträgt der Tidenhub 8,40 Meter. Aufgrund dieser Seltenheit hat das Kraftwerk eine Spitzenleistung von 240 MW. In Deutschland ist eine solche Nutzung meist nicht möglich, da der Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut (Tidenhub) auf der Nordsee (Die Nordsee ist ein Randmeer des Atlantiks zwischen Großbritannien, Skandinavien, Deutschland, den Niederlanden, Belgien und Frankreich ) nur 2,50 Meter beträgt. Experten gehen davon aus, dass in Deutschland rund 80% des technischen und wirtschaftlichen Potenzials der Wasserkraft genutzt wird.
Der weitere Ausbau erfolgt buchstäblich”aus Gründen des Naturschutzes”. Die Behauptung, die Wasserkraft sei die umweltfreundlichste Art der Stromerzeugung, ist jedoch nicht ganz richtig, denn die Überlastung, Umleitung oder Begradigung von Flüssen verursacht auch andere Probleme, da das natürliche Gleichgewicht gestört ist. Die Folgen können z.B. Überschwemmungen oder Überschwemmungen sein. Diese Folgen und Gefahren sind jedoch im Vergleich zur Kernenergie äußerst gering. Andere Energiequellen Neben den”klassischen” Energiequellen gibt es andere, die weniger erforscht und genutzt werden. Nutzung der Erdwärme Es ist möglich, die Erdwärme der Erde zu nutzen. Die Geothermie (Geothermie ist Wärmeenergie, die in der Erde erzeugt und gespeichert wird) omes zu 30% aus dem noch glühenden Kern der Erde und zu 70% aus dem Zerfall von radioaktiven Isotopen, z.B. Uran, (Uran ist ein chemisches Element mit Symbol U und Ordnungszahl 92), die im Gestein des Erdmantels enthalten sind. Leider ist die Nutzung dieser Energieträger technisch extrem schwierig und damit unrentabel, da die Temperatur der Erdoberfläche nur alle 30 Meter in Richtung Erdkern um etwa 1°C ansteigt. Die Erdwärme kann daher nur an Orten mit geothermischen Anomalien wirtschaftlich genutzt werden, d.h. dort, wo das heiße Magma (Magma bedeutet “thick unguent”) eine Mischung aus geschmolzenem oder halbgeschmolzenem Gestein, flüchtigen Bestandteilen und Feststoffen ist, die sich unter der Erdoberfläche befindet und auf anderen terrestrischen Planeten und einigen natürlichen Satelliten zu erwarten ist) höher an der Oberfläche liegt und das Gestein erwärmt. Wenn Wasser erhitzt wird und auf natürliche Weise die Erdoberfläche erreicht, spricht man von einem heißen Qüllen. In Kalifornien , Island (Island ist ein nordisches Inselland im Nordatlantik) Italien , wo solche Bedingungen herrschen, werden sie auch wirtschaftlich genutzt. Ein dort eingesetztes Kraftwerk kann eine Leistung von 400 MW erbringen, wenn die Bedingungen künstlich (durch Tiefbohren) verbessert werden. Darüber hinaus kann das Warmwasser zur Beheizung benachbarter Siedlungen genutzt werden (siehe Abbildung unten). In Deutschland gibt es einen solchen Ort nur in den neun Ländern, nämlich bei Magdeburg a (Magdeburg ist die Hauptstadt und die zweitgrößte Stadt des Landes Sachsen-Anhalt) und Cottbus. Biomasse Biomasse (Biomasse ist ein Branchenbegriff für die Energiegewinnung durch Verbrennung von Holz und anderen organischen Stoffen) s entweder organische Abfälle oder sogenannte Energiepflanzen. In Deutschland werden organische Abfälle seit langem zur Energiegewinnung genutzt. Im Jahr 1990 produzierten 14 Biogasanlagen in Deutschland eine Gesamtleistung von rund 700 kW. Das Biogas (Biogas bezieht sich typischerweise auf ein Gemisch verschiedener Gase, die durch den Abbau von organischer Substanz in Abwesenheit von Sauerstoff entstehen) besteht zu 65 % aus Methan , (Methan ist eine chemische Verbindung mit der chemischen Formel ), die bei der Zersetzung von tierischen oder pflanzlichen Stoffen entsteht. Der optimale Aufschlussprozess erfordert jedoch eine Mindesttemperatur, die einen Energieverbrauch von 20-60% der Bruttoproduktion erfordert. Darüber hinaus gibt es in der Bundesrepublik Deutschland noch über 100 Anlagen, die das in Kläranlagen erzeugte Gas zur Energieerzeugung nutzen, sowie rund 50 Anlagen, die aus dem bei der Abfallentsorgung anfallenden Gas Strom erzeugen (Abfallwirtschaft oder Abfallentsorgung sind alle Tätigkeiten und Maßnahmen, die zur Bewirtschaftung von Abfällen von der Entstehung bis zur Endlagerung erforderlich sind). Außerdem hatten 1989 47 Müllverbrennungsanlagen einen Energiegehalt von umgerechnet 2,5 Millionen Tonnen. SKE. Der Trend bei dieser Art der Stromerzeugung ist steigend, da sich in der Bundesrepublik Deutschland zu diesem Zeitpunkt 20 Müllverbrennungsanlagen im Bau oder in Planung befanden. Nicht zuletzt die positive, aber dennoch umweltschädliche Nebenwirkung der Abfallminimierung (Abfallminimierung ist ein Prozess der Eliminierung, bei dem die Menge der in der Gesellschaft anfallenden Abfälle reduziert und die Entstehung von schädlichen und hartnäckigen Abfällen verhindert wird, indem die Bemühungen zur Förderung einer nachhaltigeren Gesellschaft unterstützt werden). Energiepflanzen sind Pflanzen, die schnell wachsen und sich als Brennstoff eignen, sowie ertragreiche Zucker und stärkehaltige Ackerpflanzen, die zur Kraftstoffherstellung genutzt werden können. Letztere Option wird in größerem Umfang in Brasilien genutzt (Brasilien , offiziell die Föderative Republik Brasilien , ist das größte Land sowohl in Südamerika als auch in Lateinamerika), aber ansonsten wird sie in diesem Land nicht genutzt, da der große Platzbedarf und die höheren Kosten diese Alternative unrentabel machen. Studien aus dem Jahr 1990 zeigten, dass der Betrieb eines Dieselmotors w (Der Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor, bei dem die Zündung des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs durch die hohe Temperatur verursacht wird, die ein Gas erreicht (d.h. mit Rapsöl kostet DM 2,4 (Blok D ist eine Oberstufe, die bei sowjetischen und späteren russischen Einwegstartsystemen wie N1, Proton-K und Zenit verwendet wird) pro Liter. Brennstoffzelle Die Brennstoffzellentechnologie ist eines der neuesten Forschungsgebiete unserer Zeit. Angetrieben von Raumfahrtprojekten wird diese Alternative nun auch für kommerzielle Anwendungen interessant. Die Diskussionen um Umweltschutz und rationelle Energienutzung wecken das Interesse in einer Vielzahl von Branchen, in denen der Einsatz von Brennstoffzellen möglich erscheint: von Energieversorgungsunternehmen bis hin zu Automobilherstellern. Brennstoffzellen sind wie Batterien elektrochemische Energiewandler, aber eine kontinuierliche Versorgung mit dem gasförmigen Brennstoff (meist Wasserstoff) (Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem chemischen Symbol H und der Ordnungszahl 1) ermöglicht auch eine kontinuierliche Gewinnung von elektrischer Energie. Wie bei einer Batterie finden zwei Halbreaktionen räumlich getrennt an zwei Elektroden statt, wie in Anlage 12, obere Abbildung, schematisch am Beispiel der sogenannten Membran-Brennstoffzelle dargestellt.
(Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät, das die chemische Energie aus einem Brennstoff durch eine chemische Reaktion von positiv geladenen Wasserstoffionen mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel in Strom umwandelt). Die Emissionen sind nicht CO2, sondern H2O, (Wasser ist eine transparente und nahezu farblose chemische Substanz, die der Hauptbestandteil der Ströme, Seen und Ozeane der Erde und der Flüssigkeiten der meisten Lebewesen ist) Wasser. Da es sich, wie bereits erwähnt, um eine sehr neue Technologie handelt, gibt es noch keine umfangreichen Zahlen zur Stromerzeugung und zu den Kosten. Es ist jedoch davon auszugehen, dass diese Technologie aufgrund ihrer Umweltverträglichkeit (keine Emission beim Einsatz von Wasserstoff) und ihrer besonderen Leistungsfähigkeit (hoher Wirkungsgrad auch bei Teillast, Stromerzeugung bei gleichzeitiger Wärmeerzeugung) eine Zukunft hat. Noch in diesem Jahr soll entschieden werden, ob eine solche Anlage in Köln gebaut wird. Der Gesamteindruck mag sein, dass die regenerativen und umweltfreundlicheren Energiequellen teurer sind, aber die Preise sollten nicht einfach verglichen werden. Steinkohle oder Braunkohle , (Braunkohle , oft auch Braunkohle genannt, ist ein weiches braunes, brennbares Sedimentgestein aus natürlich verdichtetem Torf) ist zum Beispiel viel billiger als Windkraft , aber man muss auch die großen Schäden berücksichtigen, die der Tagebau für die Landschaft und das natürliche Gleichgewicht verursacht. Wir müssen auch erkennen, dass die extrem billige Kernenergie mit anderen Problemen verbunden ist, die nicht gelöst werden können, wie zum Beispiel die Endlagerung. Obwohl diese Kosten im Vergleich zur Nutzung der Windkraft immer noch gering sind, (Windkraft ist die Nutzung der Luftströmung durch Windkraftanlagen zur mechanischen Stromerzeugung), besteht auch die Gefahr einer GAU, die die Menschheit vor 10 Jahren empfand. Diese Mängel, insbesondere in ärmeren Ländern, sollten deutlich machen, dass diese Art der Energieerzeugung keine gute Lösung ist. Die höheren Kosten alternativer Energieformen lassen diese umweltfreundliche Methode jedoch leider in einem völlig falschen Licht erscheinen, so dass es sich die großen Stromversorger nicht leisten können, mit größeren Schritten umzusteigen. Wenn beispielsweise eine Windkraftanlage (eine Windkraftanlage ist ein Gerät, das die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandelt) von einem großen Stromerzeuger in Deutschland gebaut wird, dann wird diese Investition in der Regel offiziell als “Pilotanlage für Testanlagen in Sonderfällen” präsentiert, wird aber tatsächlich zu Werbezwecken genutzt, um den Kunden zu zeigen, wie umweltbewusst ihr Stromanbieter ist.