Energiequelle

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Energiequelle

Der Begriff Energiequelle wird in der Energiewirtschaft und Energietechnik verwendet.

Inhaltsverzeichnis

Begriffsunterscheidung

Umgangssprachlich und in nicht-wissenschaftlicher Literatur werden die Begriffe Energie, Energietr√§ger und Energiequelle oft als Synonyme verwendet, doch im wissenschaftlichen Bereich der Energietechnik sind damit unterschiedliche Bedeutungen verbunden. Die Energiequelle ist in einem abgeschlossenen System das Element, welches die Energie meist durch Umwandlung aus einer anderen Energieform zur Verf√ľgung stellt, der Energietr√§ger hingegen ist die mengenm√§√üige, bilanzierf√§hige Einheit, welche Energie enth√§lt oder √ľbertr√§gt. Veranschaulichen l√§sst sich das an der Sonne, welche mit ihren Kernfusionen die wichtigste Energiequelle f√ľr die Erde darstellt und welche ihre Energie in Form von Strahlung (Energietr√§ger) zur Verf√ľgung stellt.

Irdische Energiebilanz

Die auf der Erde nutzbaren Energiequellen entstammen zum gr√∂√üten Teil aus der Strahlung der Sonne. Die Sonnenstrahlung kann unmittelbar umgewandelt werden (Solarkollektor); meist erfolgt die Nutzung jedoch mittelbar, indem eine Wechselwirkung der Sonneneinstrahlung mit der Erdoberfl√§che eine Energiewandlung stattfindet (Biologisch umgesetzte Energie (Holz, Kohle, Erd√∂l), Wetterauswirkungen (Wind, Wasserkraft). Das Spektrum der auf die Erde einfallenden Sonnenstrahlung entspricht n√§herungsweise dem eines schwarzen K√∂rpers bei der mittleren Temperatur der Sonnenoberfl√§che (5778 K). Bezogen auf die mittlere Oberfl√§chentemperatur der Erde betr√§gt der Carnotfaktor 0,95, so dass die Strahlungsenergie nahezu als reine Exergie angesehen werden kann. Damit Energiequellen genutzt werden k√∂nnen muss eine Temperatursenke vorhanden sein, die die Erdoberfl√§che darstellt. Diese wiederum emittiert W√§rmestrahlung, die spektral dem Spektrum eines schwarzen Strahlers bei der Erdoberfl√§chentemperatur entspricht und die reine Entropie bezogen auf die Umgebungsbedingungen darstellt. Die Bestandteile der Atmosph√§re beeinflussen die R√ľckstrahlung durch Absorption (Erderw√§rmung). Der Weltraum selber wiederum ist √ľber die Kugelraumfl√§che betrachtet nahezu schwarz, so dass die irdische Infrarotw√§rmestrahlung von der Erde in den Weltraum emittiert werden kann. Die auf die Erde einfallende Sonnenstrahlung und die emittierte W√§rmestrahlung m√ľssen im Mittel gleich gro√ü sein, damit das Temperaturgleichgewicht der Erde gegeben ist. Die auf der Sonnenenergie basierenden Energiequellen werden mit Maschinen in eine dem Menschen n√ľtzende Energie umgewandelt, und die Energie wird letztendlich als Entropie zeitversetzt in den Weltraum emittiert.

Formen von Energiequellen

Der Mensch braucht seit jeher verschiedene Formen von Energie zum (√úber-)leben. Mit der Industrialisierung hat der Energiebedarf der Menschheit zugenommen und sich gewandelt. Die Hauptenergiequelle der Erde ist die Sonne. Die Sonnenenergie ist auch die treibende Kraft f√ľr viele andere Energietr√§ger wie zum Beispiel Wind, Biomasse, Meeresstr√∂mungen, Wasserkreislauf und andere.

Weitere als Energiequellen durch Umwandlung nutzbare Energieformen sind die Kernenergie und die Gravitationskraft der Erde.

Anteil der einzelnen Energiequellen in Deutschland

Prim√§renergieverbrauch f√ľr Deutschland
Statistikart Primärenergieverbrauch nach Wirkungsgradprinzip 2005 [1] 2010 [2]
Mineral√∂l 36,0 % 33,6 %
Erdgas 22,7 % 21,8 %
Steinkohle 12,9 % 12,1 %
Braunkohle 11,2 % 10,7 %
Erneuerbare Energien 4,6 % 9,4 %
Kernenergie 12,5 % 10,9 %
Sonstige 1,5 %
Gesamt 14244 PJ 14057 PJ
  • Anteil der einzelnen Energiequellen an der Stromerzeugung in Deutschland[3]
Energiequelle 1990 1995 2000 2005 2008
Steinkohlekraftwerke 23,8 25,9 23,8 21,4 22,2
Braunkohlekraftwerke 32,5 28,3 26,6 26,9 26,0
√ľbrige Festbrennstoffverbrennung 1,2 1,2 1,8 2,2 2,6
Heizölverbrennung 2,0 1,6 1,3 1,7 1,6
Gaskraftwerke 8,2 8,4 9,0 11,2 13,8
Wasser-/ Windkraftwerke 1,1 2,0 2,8 3,8 4,3
Kernkraftwerke 31,2 32,7 34,7 32,8 29,5

(Anteile in %)

Fossile Energiequellen

‚Üí Hauptartikel: Fossile Energie

Fossile Energietr√§ger sind aus Biomasse entstandene Stoffe, die ‚Äď durch Sedimentschichten von der Atmosph√§re abgeschlossen ‚Äď nicht verrotten konnten und so ihre chemische Energie erhielten. Fossile Energietr√§ger sind Kohle, Erdgas, Erd√∂l und Methanhydrat. Allen fossilen Energietr√§gern sind gemeinsam, dass sie nur in begrenztem Ma√ü vorhanden sind und ihre Verwendung mit mehr oder weniger hohen CO2-Emissionen verbunden ist (siehe Treibhauseffekt, Klimawandel, Klimaschutz).

Kohlekraftwerke

Braunkohlekraftwerk Niederaußem bei Köln

Stein- und Braunkohle bildeten sich im Karbon bzw. Terti√§r aus abgestorbenen Pflanzen, die im Morast absackten und langsam zusammengedr√ľckt wurden. Der Prozess bei dem sich abgestorbenes organisches Material zuerst in Torf dann in Braunkohle und zuletzt in Steinkohle umwandelt wird als Inkohlung bezeichnet und ist durch Zunahme des relativen Kohlenstoffanteils gekennzeichnet. Daher hat Steinkohle einen h√∂heren Heizwert als Braunkohle.

Steinkohle wird in Deutschland unter Tage in Stollen und Schächten abgebaut, während die weiter oben liegende Braunkohle nach dem Abräumen der Deckschichten (Abraum) im Tagebau abgebaut werden kann.

Kohle wird zur Stromerzeugung in Dampfkraftwerken verfeuert. Weiterhin wird Steinkohle in der Stahlherstellung und in geringem Umfang, wie auch Braunkohle, zum Betrieb von Wohnraumheizungen (Kohleöfen) verwendet.

Kohle ist ein heimischer Energietr√§ger, sichert also Arbeitspl√§tze und vermindert die Importabh√§ngigkeit; Au√üerdem ist Strom aus Kohlekraftwerken je nach Bedarf abrufbar, ben√∂tigt also keine ‚ÄěSchattenkraftwerke‚Äú zum Ausgleich von Schwankungen. Dies gilt f√ľr Braunkohlekraftwerke allerdings nur sehr eingeschr√§nkt, da diese in der Grundlast, also mit konstanter Leistung betrieben werden. Heimische Steinkohle ist verglichen mit Importkohle sehr teuer und muss massiv subventioniert werden, um konkurrenzf√§hig zu bleiben.

Kohle ist als fossiler Energietr√§ger nur in begrenztem Umfang vorhanden, und als Grundstoff f√ľr die chemische Industrie eigentlich zu schade zum Verbrennen. Au√üerdem ist die Verbrennung von Kohle im Vergleich mit anderen fossilen Energietr√§gern mit vergleichsweise hohen CO2-Emissionen verbunden, da Kohle im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht. Die Verbrennung von Kohle ist zudem ‚Äď bedingt durch die enthaltenen Verunreinigungen ‚Äď mit relativ hohen Schadstoffemissionen (Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen, St√§ube) verbunden, die in modernen Kohlekraftwerken mit hohem technischen Aufwand reduziert werden. Der Tagebau bei der Braunkohle verursacht ‚Äď zun√§chst enorme Umweltsch√§den durch die Inanspruchnahme des Landes. Nach Jahrzehnten entstehen durch planm√§√üige Rekultivierung Fl√§chen mit √§hnlicher oder besserer Bodenqualit√§t als vorher. Au√üerdem werden mit den auf der Braunkohle stehenden Siedlungen Kulturg√ľter zerst√∂rt. Nach der Verbrennung verbleiben Asche und Filterst√§ube die fachgerecht entsorgt werden sowie Gips aus der Rauchgasentschwefelung, der heute in der Baustoffindustrie Anwendung findet.

Ein Kohlekraftwerk gibt auch im Normalbetrieb radioaktive Stoffe durch die Freisetzung der in der Kohle enthaltenen nat√ľrlichen Radioaktivit√§t (40K, Uran, Thorium) mit Abluft an die Umgebung ab. Bislang konnten jedoch keine sch√§dlichen Belastungen f√ľr die unmittelbare Umgebung nachgewiesen werden.

√Ėlkraftwerke

Erdölförderung mit einer Tiefpumpe

Erd√∂l entstand vor etwa 70 Millionen Jahren aus abgestorbenen Wassertieren und -pflanzen durch Sedimentation der Mikroorganismen in Verbindung mit mineralischen Schwebstoffen. Es besteht im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen. Typische Verunreinigungen sind Schwefel-Verbindungen, Schwefelwasserstoff und Stickstoff-Verbindungen. Erd√∂l wird zur Stromerzeugung in Dampfkraftwerken, als Ausgangsstoff f√ľr Treibstoffe (Benzin, Diesel), in √Ėlheizungen sowie als Grundstoff in der chemischen Industrie verwendet.

Strom aus √Ėlkraftwerken ist je nach Bedarf abrufbar, ben√∂tigt also keine ‚ÄěSchattenkraftwerke‚Äú zum Ausgleich von Schwankungen. In geringerem Ma√üe als Kohle ist Erd√∂l aus der Nordsee ein heimischer Energietr√§ger, er sichert so in einer strukturschwachen Umgebung Arbeitspl√§tze. Die Vorkommen in der Nordsee sind allerdings sehr begrenzt.

Erd√∂l ist als fossiler Energietr√§ger nur in begrenztem Umfang vorhanden, und als essentieller und vielseitiger Grundstoff f√ľr die chemische Industrie (Grundstoff f√ľr Schmierstoffe, Kunststoffe und vieles andere) noch bei weitem wertvoller als der Grundstoff Kohle. Die Verbrennung von Erd√∂l verursacht gr√∂√üere CO2-Emissionen als die Verbrennung von Erdgas und weniger als die Verbrennung von Kohle. Sie ist mit relativ hohen Schadstoffemissionen (Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen) verbunden, die sich nur mit hohem technischen Aufwand reduzieren lassen. Erd√∂l ist ein Umweltschadstoff (√Ėlpest). Die Gewinnung von Erd√∂l f√ľhrt zu Umweltbelastungen, sowohl bei der normalen Gewinnung (Leckagen) als auch bei Tankerungl√ľcken (siehe z. B. Exxon Valdez, Amoco Cadiz, u. a.). Nach der Verbrennung verbleiben Filterst√§ube zur Entsorgung sowie Gips aus der Rauchgasentschwefelung.

Zudem besteht ein Problem bei Erd√∂l in dem Peak-Oil genannten F√∂rdermaximum. Ist der Peak, das Maximum erreicht, beginnt die F√∂rderrate zu sinken. Dies f√ľhrt bei gleich bleibendem oder steigendem Verbrauch an Erd√∂l zu einer immensen Preissteigerung und eventuell zu Versorgungsengp√§ssen.

Verbrennung von Erdgas

Erdgas entstand zusammen mit dem Erd√∂l, es ist der unter normalen Temperaturbedingungen gasf√∂rmige Anteil des Umwandlungsprozesses. Erdgas besteht vorwiegend aus Methan (CH4). Typische Verunreinigungen sind Schwefel-Verbindungen, Schwefelwasserstoff und Stickstoff-Verbindungen. Erdgas wird zur Stromerzeugung mit Gasturbinen, zum Heizen und seit einiger Zeit auch als PKW-Treibstoff (CNG) verwendet. Erdgas ist au√üerdem Ausgangsstoff f√ľr Synthesegas, das in der chemischen Industrie Verwendung findet ( Methanol, Wasserstoff und Ammoniak).

Erdgas enth√§lt im Vergleich zu Kohle und Erd√∂l erheblich weniger Verunreinigungen (z. B. Schwefelverbindungen), setzt daher bei der Verbrennung weniger Schadstoffe frei und ist somit ein vergleichsweise umweltfreundlicher fossiler Energietr√§ger. Erdgas enth√§lt zudem ‚Äď chemisch gesehen ‚Äď einen h√∂heren Wasserstoffanteil als Kohle oder Erd√∂l und setzt daher bei gleichem Energieertrag weniger Treibhausgas CO2 frei. Allerdings ist unverbranntes Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, selbst ein sehr effektives Treibhausgas (siehe Treibhauspotenzial). Erdgas aus Leckagen f√∂rdert also ebenfalls den Treibhauseffekt. Erdgas wird heute zur Stromerzeugung haupts√§chlich in Gasturbinen- oder GuD-Kraftwerken (Gas- und Dampfkraftwerken) eingesetzt. Diese Kraftwerke erreichen einen sehr hohen Wirkungsgrad von 55 bis 60 % und k√∂nnen im Gegensatz zu Kohle- oder Kernkraftwerken bei Bedarf sehr kurzfristig Strom liefern, sind also spitzenlasttauglich und k√∂nnen gut zum Ausgleich von Lastschwankungen, Kraftwerksausf√§llen oder Leistungsschwankungen, z. B. von Windkraftanlagen, eingesetzt werden.

Verbrennung von Methanhydrat

Methanhydrat (Methanklathrat, Methaneis) ist eine Einlagerungsverbindung (Klathrat), eine an milchiges Eis erinnernde Substanz, die aus Methan besteht, das physikalisch in Wasser eingelagert ist. Die Wassermolek√ľle umschlie√üen das Methan vollst√§ndig.

Erstmals wurde Methanhydrat 1971 im Schwarzen Meer entdeckt. Methanhydrat bildet sich am Boden von Meeren bzw. tiefen Seen, wo der Druck um 20 bar gen√ľgend hoch und die Umgebungstemperatur mit 3 bis 4 ¬įC niedrig genug ist.

Bei niedrigerem Druck ist Methanhydrat instabil und zersetzt sich zu Wasser und freiem Methan, das theoretisch analog zum ähnlich zusammengesetzten Erdgas genutzt werden könnte. Die größten Vorkommen von Methanhydrat wurden an den Hängen der Kontinentalschelfe ausgemacht.

Bei gesch√§tzten zw√∂lf Billionen Tonnen Methanhydrat ist dort mehr als doppelt so viel Kohlenstoff gebunden wie in allen Erd√∂l-, Erdgas- und Kohlevorr√§ten der Welt. Die M√∂glichkeiten zum wirtschaftlichen Abbau der Methanhydratfelder werden derzeit im Rahmen mehrerer Versuchsprojekte u.a. in kanadischen und japanischen K√ľstengew√§ssern auf ihre Machbarkeit hin gepr√ľft. Ein kommerzieller Abbau von Methanhydraten wird ab 2015 bis 2020 f√ľr m√∂glich gehalten.[4]

Die Verbrennung von Methanhydrat setzt etwa gleich viel CO2-Emissionen frei wie die von Erdgas, so dass diese ebenfalls zur Globalen Erw√§rmung beitr√§gt, allerdings in geringerem Ma√ü als Kohle oder Erd√∂l. Weiterhin ist Methan selbst ein starkes Treibhausgas, das weitaus effektiver ist als CO2 (siehe Treibhauspotenzial). Beim Abbau m√ľssten also hohe Anspr√ľche an die Vermeidung von Leckagen und anderen Methanfreisetzungen gestellt werden.

Die Ausbeutung der Methanhydratvorkommen an Kontinentalschelfen erfordert weiterhin umfangreiche Untersuchungen bez√ľglich der Hangstabilit√§t. So k√∂nnen Hangrutsche an Kontinentalschelfen durch ihre Gr√∂√üe von mehreren hundert Kilometern zu Tsunamis f√ľhren.

M√ľllverbrennungsanlagen

In M√ľllverbrennungsanlagen wird ein Teil der in Abfall enthaltenen Energie in W√§rme und/ oder in elektrische Energie umgeformt. Manchmal werden M√ľllverbrennungsanlagen den erneuerbaren Energiequellen zugerechnet; dies w√§re jedoch nur korrekt, wenn Abf√§lle aus Biomasse verwendet w√ľrden. Weil aber meistens sowohl fossile als auch regenerative Stoffe verbrannt werden, ist die Einordnung problematisch.

Regenerative Energiequellen

Strom aus Erneuerbaren Energien von 2004‚Äď2006[5]
‚Üí Hauptartikel: Erneuerbare Energie

Erneuerbare Energiequellen tragen ihren Namen, weil sie im Gegensatz zu den ‚Äď begrenzt vorhandenen ‚Äď fossilen Energietr√§gern st√§ndig direkt (Sonnenlicht) oder indirekt (Wind, Wasserkraft, Wellen, Biomasse) von der Sonne oder aus anderen, nicht-fossilen Quellen (Geothermie: radioaktiver Zerfall im Erdinneren, Gezeitenkraftwerke: Bewegung von Mond und Erde) gespeist werden. Sie gehen daher nach menschlichen Ma√üst√§ben nie zur Neige. Regenerative Energiequellen werden seit Tausenden von Jahren von der Menschheit genutzt. Industriell sind sie aber, abgesehen von Wasserkraftwerken, derzeit durch hohe Anfangsinvestitionen und nicht stetigen Energiefluss noch unattraktiv. Deshalb wird die Nutzung von regenerativen Energiequellen in vielen L√§ndern von den Regierungen durch Subventionen gef√∂rdert. Dies soll den Einsatz attraktiv machen und die Weiterentwicklung f√∂rdern. Die Erzeugung von erneuerbarer Energie ist ‚Äď vom Bau der Kraftwerke abgesehen ‚Äď CO2-frei und setzt keine weiteren Schadstoffe frei.

Windkraftanlagen

Windkraftanlage: Enercon E-40
‚Üí Hauptartikel: Windenergie

Unterschiedlich warme Luftschichten f√ľhren zu einer Verfrachtung von Luft, die als Wind bezeichnet wird. Windkraftanlagen nutzen heute die Bewegungsenergie des Windes, um diese mit Hilfe von Propellern in mechanische Energie und schlie√ülich in einem Generator in elektrische Energie umzuwandeln. Windenergie wurde bereits seit dem 10. Jahrhundert in Windm√ľhlen genutzt, um Getreide zu mahlen.

Die energetische Amortisationszeit ist extrem kurz, sie liegt bei wenigen Monaten bis zu einem Jahr. Die Nutzung der Windenergie birgt keine nennenswerten Sicherheitsrisiken. Eine Windkraftanlage ist sehr zuverl√§ssig, die technische Verf√ľgbarkeit liegt zwischen 95 und 99 %, die energetische bei ca. 70 und 85 %. Alle installierten Windkraftanlagen zusammen k√∂nnen weder gleichzeitig ausfallen, noch ist es wahrscheinlich, dass sie gleichzeitig keinen oder maximalen Strom liefern. Dazu ist die Windenergie unabh√§ngig von Brennstoffen und deren Preisentwicklung; die Stromkosten entstehen fast ausschlie√ülich durch Kosten f√ľr die Finanzierung der notwendigen Investitionen. Dieser Faktor f√ľhrt dazu, dass bei weiter steigenden konventionellen Energiepreisen die Stromgewinnung aus Windenergie konkurrenzf√§higer wird. Als rein einheimische Energiequelle verringert sie die Abh√§ngigkeit von den globalen Preissteigerungen anderer Energiequellen.

Windkraftanlagen sind direkt von den gerade herrschenden Windverh√§ltnissen abh√§ngig, die Erzeugung schwankt also. Bei Windstille oder zu starkem Wind erzeugen sie keinen Strom. Die Anlaufgeschwindigkeit typischer Windkraftanlagen liegt bei 2-4 m/s, w√§hrend die Abschaltgeschwindigkeit bei den meisten Anlagen ca. 25 m/s betr√§gt, bei ausgesprochenen Schwachwindanlagen z.T. auch nur 20 m/s. Allerdings existiert bei bestimmten Windkraftanlagen die M√∂glichkeit, sie auch bei h√∂heren Windgeschwindigkeiten in einem leistungsreduzierten Betrieb weiter zu betreiben[6], wodurch einerseits die Stromausbeute erh√∂ht wird, andererseits aber auch der Bedarf an Regelenergie sinkt, da bei Sturm nur ein Teil der Leistung vom Netz geht. Da die Speicherung von Strom aktuell nur mit von Umwandlungsverlusten behafteten Pumpspeicherkraftwerken erfolgen kann, m√ľssen unter anderem konventionelle Kraftwerke, die ihren Strom aus nicht schwankungsbehafteten Quellen beziehen, diese Schwankungen ausgleichen. Durch die mittlerweile recht gute Prognostizierbarkeit des Windangebots sinkt dieser Anteil aber auf unter 10 % der Windenergiekapazit√§t und kann von bestehenden Kraftwerken innerhalb ihrer Regelt√§tigkeit aufgebracht werden. Deren Wirkungsgradreduzierung liegt, wie bei der Regelt√§tigkeit durch wechselnden Bedarf, bei nur wenigen Prozentpunkten.

Wasserkraftanlagen

Wasserkraftwerk Grand Coulee Dam, USA

Wasserkraftwerke nutzen die Energie aus der Erdanziehung oder Bewegungsenergie von stetig flie√üendem Wasser, um daraus mittels Wasserturbinen mechanische Energie und daraus wiederum elektrische Energie zu gewinnen. Da der nat√ľrliche Wasserkreislauf von der Sonne angetrieben wird, ist Wasserkraft indirekt eine Form der Solarenergie. Wasserkraft wird im Wesentlichen zur Erzeugung von Strom genutzt, die direkte Verwendung mechanischer Arbeit (Wasserm√ľhlen) ist eher verschwindend gering. Strom aus Wasserkraftwerken ist nach Bedarf abrufbar, ben√∂tigt also keine ‚ÄěSchattenkraftwerke‚Äú zum Ausgleich von Schwankungen.

Die f√ľr Wasserkraftwerke in der Regel n√∂tigen Stauseen sind auf geeignete, nur begrenzt zur Verf√ľgung stehende Gel√§ndestrukturen angewiesen. Wasserkraft ist also von der gewinnbaren Menge her stark begrenzt; die M√∂glichkeiten in Deutschland sind weitgehend ausgereizt. Au√üerdem ist die Anlage von Stauseen fl√§chenintensiv. Wenn beim Anlegen von Stauseen W√§lder geflutet werden, entsteht bei der nachfolgenden Verrottung des organischen Materials eine gro√üe Menge Methan, das als Treibhausgas wirkt. Au√üerdem wird bei dem Prozess Sauerstoff verbraucht, so dass in dieser Phase (die viele Jahre dauern kann) der Stausee f√ľr Wasserbewohner ziemlich lebensfeindlich ist.

Gezeitenkraftwerke

Gezeitenkraftwerk in Kanada
Schema eines Wellenkraftwerks mit pneumatischer Kammer

Gezeitenkraftwerke nutzen die kinetische Energie der mit den Gezeiten verbundenen Meeresstr√∂mungen, um daraus elektrische Energie zu gewinnen. Dazu werden in geeignet geformten Flussm√ľndungen oder an √§hnlichen K√ľstenlinien mit starkem Tidenhub Staud√§mme mit Turbinen errichtet. Eines der bekanntesten Gezeitenkraftwerke ist das Gezeitenkraftwerk Rance in der M√ľndung der Rance bei Saint-Malo, Frankreich.

Gezeitenkraftwerke sind nur an Orten rentabel, die eine geeignete K√ľstenlinie mit einem starken Tidenhub aufweisen; solche Orte sind nur sehr begrenzt verf√ľgbar. Die st√§ndige Korrosion durch das Salzwasser bewirkt hohe Unterhaltungskosten. Au√üerdem stellen Gezeitenkraftwerke unter Umst√§nden einen erheblichen Eingriff in teilweise sehr sensible √Ėkosysteme dar.

Meeresströmungskraftwerke

Ein Meeresstr√∂mungskraftwerk nutzt die kinetische Energie aus der nat√ľrlichen Meeresstr√∂mung zur Bereitstellung von elektrischem Strom.

Derzeit gibt es einige Meeresströmungskraftwerke im Erprobungsstadium:

  • Seaflow
  • Kobold (Stra√üe von Messina)
  • Hammerfest (Norwegen)

Das Seaflow wurde von der Universit√§t Kassel geplant und mit Unterst√ľtzung eines britischen Ministeriums vor der K√ľste von Cornwall in der Stra√üe von Bristol im S√ľdwesten Englands gebaut. Zurzeit wird es getestet.

Wellenkraftwerke

Wellenkraftwerke nutzen die Energie der durch den Wind auf der Wasseroberfl√§che des Meeres erzeugten Wellen. Die Entwicklung steht derzeit noch am Anfang. Es gibt seit 2000 das weltweit erste Wellenkraftwerk mit einer Pneumatischen Kammer, das Strom in ein kommerzielles Stromnetz einspeist. Statt der erwarteten Jahresdurchschnittsleistung von 500 kW wurde 2005/2006 jedoch nur 21 kW erreicht.[7] Wellenkraftwerke mit Auftriebsk√∂rpern sind noch in der Erprobungsphase. Ende 2007 sollten die 3 ersten Anlagen vor Portugal in Betrieb gehen. Sie nutzen in Schlangenform die Wellenbewegung um zwischen mehreren Gliedern die Bewegung hydraulisch auf Generatoren zu √ľbertragen. Viele Versuchsanlagen wurden durch Winterst√ľrme zerst√∂rt, die etwa hundertmal so viel Leistung liefern wie die Wellenbewegung w√§hrend der anderen Jahreszeiten. Da deshalb mit Wellenkraftwerken noch keine ausreichenden Erfahrungen vorliegen, wei√ü man √ľber die √∂kologischen Auswirkungen, z. B. auf Meereslebewesen, bisher wenig.

Wellenkraftwerk bei letzten Tests im Hafen von Peniche, Portugal

Osmosekraftwerke

Grundlegendes Prinzip eines Osmosekraftwerks

Osmosekraftwerke sind Wasserkraftwerke, die aus dem unterschiedlichen Salzgehalt von S√ľ√ü- und Salzwasser Energie gewinnen k√∂nnen. So durchdringt nach dem Prinzip der Osmose eine ionenarme Fl√ľssigkeit (z. B. das S√ľ√üwasser aus einem Fluss) eine Membrane in Richtung einer ionenreicheren Fl√ľssigkeit (z. B. Meerwasser), wobei sich ein Osmosedruck aufbaut. Bei geeignetem Aufbau kann der Fl√ľssigkeitsstrom eine Turbine antreiben und dabei Strom erzeugen.[8]

In Skandinavien gibt es bereits Versuchsanlagen an Flussm√ľndungen, das Verfahren ist jedoch noch weit von der Wirtschaftlichkeit entfernt. Ein ungel√∂stes Problem ist die schnelle Verschmutzung der Membran. Wesentlicher Vorteil w√§re (im Gegensatz z. B. zu Wind und Sonne) die stetige Verf√ľgbarkeit von Energie, solange sowohl S√ľ√ü- als auch Salzwasser verf√ľgbar ist.

Sonnenenergie in direkter Nutzung

‚Üí Hauptartikel: Sonnenenergie

Zur direkten Nutzung der Energie aus der Strahlung der Sonne kann diese entweder direkt (Photovoltaik) oder indirekt (solarthermisch) in elektrischen Strom verwandelt oder unmittelbar als Solarwärme genutzt werden. Es fallen keine Brennstoffkosten an, ein Solarkraftwerk benötigt allerdings einen gewissen Wartungsaufwand.

Das Angebot an Sonnenenergie ist an das Tageslicht gebunden und daher schwankend (Tag/Nacht, Wetter, Jahreszeit), daher ist die Gewinnung von Solarstrom mit dem Einsatz von steuerbarer Reserveenergie (‚ÄěSchattenkraftwerke‚Äú) verbunden. In Mitteleuropa ist sowohl das Angebot an Solarenergie als auch die Wettersituation unzureichend. Solarthermische Kraftwerke und in klimatisch g√ľnstigeren Regionen (S√ľdeuropa, Afrika, etc.) sind geplant (siehe Desertec).

Photovoltaik

Solarmodul an einer Autobahnbr√ľcke

Bei der Photovoltaik wird Sonnenlicht mittels Solarzellen direkt in elektrischen Gleichstrom umgewandelt.

Die energetische Amortisationszeit ist relativ kurz, sie liegt bei wenigen Jahren. Das Sonnenenergieangebot folgt zeitlich grob dem jeweils aktuellen Strombedarf, tags√ľber und gerade zur Mittagsspitze erreicht die Solarenergie ihr Angebotsmaximum, sie ist somit sehr gut f√ľr Mittellastdeckung geeignet und aufgrund dessen ein Baustein im Energiemix. Dazu ist die Photovoltaik unabh√§ngig von Brennstoffen und deren Preisentwicklung; die Stromkosten entstehen ausschlie√ülich durch Investitions- und (geringe) Wartungskosten. Dieser Faktor erm√∂glicht, dass bei weiter steigenden konventionellen Energiepreisen die Stromkosten aus Photovoltaik kontinuierlich sinken werden. Solarenergie ist eine rein einheimische Energiequelle, kann aber die Abh√§ngigkeit von globalen Preissteigerungen anderer Energiequellen nicht verhindern. Eine Photovoltaikanlage ist sehr zuverl√§ssig und praktisch wartungsfrei. Alle installierten Anlagen zusammen k√∂nnen nicht gleichzeitig ausfallen. Sie liefern bei Dunkelheit zwar keinen Strom, dann aber ist auch der Strombedarf geringer. In Deutschland ist die Photovoltaik als dezentrale Technik realisiert, die Energie wird dort erzeugt, wo sie auch verbraucht wird, Leitungsverluste entfallen.

Nutzung von Solarthermie

Sonnenkollektoren auf einem Dach

Bei der Solarthermie (Solarw√§rmenutzung) wird die beim Auftreffen des Sonnenlichts auf eine Oberfl√§che durch Absorption entstehende W√§rme in Sonnenkollektoren √ľber ein Tr√§germedium (z. B. Wasser) gesammelt und zum Heizen oder zur Brauchwassererw√§rmung genutzt. Eine Nutzung zur Stromgewinnung ist in Mitteleuropa √∂konomisch nicht zu realisieren.

Das Angebot an Sonnenenergie ist an das Tageslicht gebunden und daher schwankend (Tag/Nacht, Wetter, Jahreszeit); Tageszeit- und Wetterschwankungen lassen sich allerdings bei der Solarw√§rmenutzung mittlerweile durch W√§rmespeichertechniken (z. B. Latentw√§rmespeicher) weitgehend ausgleichen. Die jahreszeitlichen Schwankungen sind gravierender, da Solarw√§rme f√ľr Heizzwecke genau dann am wenigsten zur Verf√ľgung steht, wenn man sie ben√∂tigt. Eine langfristige Speicherung von W√§rme vom Sommer zum Winter ist trotz der thermischen Verluste technisch m√∂glich, scheitert zurzeit an der Wirtschaftlichkeit, dazu sind die Brennstoffpreise nicht hoch genug.

Solarthermische Kraftwerke und Aufwindkraftwerke

Schema eines Solarturmkraftwerks

Bei Sonnenw√§rmekraftwerken wird das Sonnenlicht √ľber eine gro√üe Anzahl von Spiegeln auf einen Kollektor konzentriert, wodurch die f√ľr ein Kraftwerk mit Dampfkreislauf notwendigen Temperaturen erreicht werden. Probleme bereitet die K√ľhlung des Dampfes nach der Turbine, weil in den sonnenreichen Gebieten meist Wassermangel herrscht.

Aufwindkraftwerke erzeugen durch eine geeignete Konstruktion (ein umgekehrter Trichter) einen starken thermischen Aufwind, der sich mit Turbinen nutzen lässt. Wegen zu geringer Sonnenstrahlung sind diese Kraftwerke in Deutschland nicht einsetzbar.

Umwandlung von Biomasse

Rapsfeld

Biomasse z√§hlt zu den nachwachsenden Rohstoffen, d. h. sie steht nicht unbegrenzt zur Verf√ľgung (wie etwa Windenergie), kann jedoch (im Gegensatz zu fossilen Energietr√§gern) nach dem Ernten innerhalb kurzer Zeit auf nat√ľrliche Weise wieder entstehen. Biomasse entsteht durch die Umwandlung von Energie aus der Sonnenstrahlung mit Hilfe von Pflanzen √ľber den Prozess der Photosynthese in organische Materie. Biomasse stellt damit gespeicherte Sonnenenergie dar. Der Unterschied von Biomasse zu anderen Nutzungsarten der Sonnenenergie ist deren Unabh√§ngigkeit von den Zeiten der Sonneneinstrahlung. Biomasse l√§sst sich in vielen unterschiedlichen Arten nutzen, z. B. durch:

  • die direkte Verbrennung von Holz und anderer Biomasse (die √§lteste Nutzung von Biomasse zur Energiegewinnung),
  • Umwandlung durch Mikroorganismen in Biogas, das f√ľr Kraftwerke, als Treibstoff, oder zum Heizen verwendet werden kann sowie
  • Umwandlung durch chemische Prozesse, z. B. in Biodiesel oder Alkohole.

Die zur Verwendung tauglichen biologischen Stoffe sind ebenfalls vielf√§ltig, so k√∂nnen neben Pflanzlichen √Ėlen und Fr√ľchten f√ľr Biodiesel auch die restlichen Teile der Pflanzen, wie Holz, Stroh usw. f√ľr z. B. BtL-Kraftstoff sowie tierische Exkremente f√ľr Biogas und biologische Siedlungsabf√§lle (Deponiegas) zur Gewinnung von Heizstoffen eingesetzt werden.

Biomasse ist als Nischen-Energiequelle sinnvoll, soweit sie Abfallprodukte land- und forstwirtschaftlicher Prozesse bzw. biologisch abbaubare Siedlungsabf√§lle nutzt und bei deren Beseitigung mithilft. Ein gro√üma√üst√§blicher Einsatz mit speziell hierzu erzeugter Biomasse, z. B. zur gro√üma√üst√§blichen Umstellung von Diesel auf Biodiesel, scheitert weitgehend am enormen Fl√§chenaufwand bei der Erzeugung der Biomasse. Zudem sind die √∂kologischen Belastungen bei der intensiven landwirtschaftlichen Nutzung problematisch. Nicht zuletzt ist die Ressource Biomasse durch die Erzeugungskapazit√§t der Erde begrenzt (Energiebeitrag der Sonne, verf√ľgbare Fl√§che) und durch den Menschen schon in erheblichem Ma√ü genutzt.[9]

Nutzung von Erdwärme (Geothermie)

Schemazeichnung f√ľr die Stromgewinnung aus Geothermie

Die geothermische Energie ist die in Form von thermischer Energie (umgangssprachlich W√§rme) gespeicherte Energie unterhalb der Erdoberfl√§che. Im Erdinneren sind immense Mengen (rund 1.011 Terawattjahre) an thermischer Energie gespeichert, die teilweise aus der Zeit der Erdentstehung erhalten sind, √ľberwiegend aber durch den Zerfall nat√ľrlicher radioaktiver Isotope entstehen. Die Temperatur im Erdkern betr√§gt sch√§tzungsweise 6000 ¬įC, im oberen Erdmantel noch 1300 ¬įC. 99 % des Erdballs sind hei√üer als 1000 ¬įC, nur 0,1 % sind k√ľhler als 100 ¬įC. Dabei nimmt im Schnitt die Temperatur um 3 ¬įC pro 100 m Tiefe zu. Manche Gebiete haben jedoch einen h√∂heren Temperaturgradienten, so zum Beispiel Gebiete in den USA, Italien, Island, Indonesien oder Neuseeland.

Die Nutzung der Erdw√§rme zur Stromerzeugung setzt Schadstoffe wie im Wasser gel√∂ste Salze und Gase frei. Die Gewinnung von Erdw√§rme ist kaum mit anderen Emissionen (z. B. Infraschall) oder Beeintr√§chtigungen des Landschaftsbildes verbunden.

Nukleare Energiequellen

‚Üí Hauptartikel: Kernenergie

Kernkraftwerke

Schema eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor

Bei der Kernspaltung von Uran oder Plutonium entstehen Energie und Neutronen, die ihrerseits wiederum weitere Spaltungen auslösen. Diese bei dieser Kettenreaktion frei werdende Energie wird in einem Kernreaktor kontrolliert genutzt. Der Betrieb eines Kernkraftwerkes ist CO2-frei und setzt keine klimaschädlichen Schadstoffe frei.

Ein Kernkraftwerk gibt auch im Normalbetrieb geringe Mengen radioaktiver Stoffe mit Abluft (Edelgase) und Abwasser an die Umgebung ab, die dadurch hervorgerufene Strahlenbelastung der Bev√∂lkerung liegt dabei weit unterhalb der Schwankungsbreite der nat√ľrlichen Strahlenbelastung und ist auch etwa um den Faktor 50 geringer als die Strahlenbelastung, die beispielsweise ein Kohlekraftwerk durch die Freisetzung der im Brennstoff enthaltenen nat√ľrlichen Radioaktivit√§t (40K, Uran, Thorium) abgibt. Kernkraftwerke sind ‚Äď von j√§hrlichen Wartungen abgesehen ‚Äď hochverf√ľgbar (mehr als 90 %), eignen sich besonders f√ľr eine konstante Leistungsabgabe und sind daher klassische Grundlastkraftwerke; ihre Stromerzeugungskosten liegen deutlich unter denen eines Kohlekraftwerkes (allerdings sind in diesen Kosten nicht enthalten die enorm hohen Kosten f√ľr das Abwracken stillgelegter Atomkraftwerke und f√ľr die Endlagerung strahlender Abf√§lle √ľber Jahrzehntausende). Kernkraftwerke sind langlebig, einige haben in den USA Verl√§ngerungen der Betriebsgenehmigungen auf bis zu 60 Jahre Laufzeit erhalten.

Nutzung des Kernzerfalls

Radionuklidbatterie (Schema)

Der Zerfall von radioaktiven Stoffen kann als Energiequelle benutzt werden, dabei wird die entstehende Zerfallsw√§rme in Radionuklidbatterien zur Stromgewinnung auf thermoelektrischer Basis und zum Heizen genutzt. Die gewinnbaren Energiemengen sind gering, daf√ľr sind Radionuklidbatterien sehr robust, absolut wartungsfrei und langlebig. Kernzerfallsgeneratoren wurden fr√ľher u. a. f√ľr Herzschrittmacher verwendet, heutzutage werden sie vornehmlich als Stromquelle und Heizung f√ľr Raumsonden im √§u√üeren Sonnensystem eingesetzt, da dort Solarzellen keine ausreichende Leistung und keine W√§rme liefern. Im strengen Sinn ist die Erde ebenfalls eine Radionuklidbatterie, da die bei der Geothermie genutzte Erdw√§rme der g√§ngigen Lehrmeinung zufolge zum gro√üen Teil vom radioaktiven Zerfall langlebiger Radioisotope im Erdinneren herr√ľhrt.

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 2005
  2. ‚ÜĎ AG Energiebilanzen eV
  3. ‚ÜĎ bmwi.de BMWi Energie in Deutschland, S.21 PDF, Gr√∂√üe: 1,1 MB
  4. ‚ÜĎ Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltver√§nderungen: Sondergutachten 2006. Abgerufen am 17. Oktober 2010.
  5. ‚ÜĎ bmwi.de BMWi Energiestatistiken S.20
  6. ‚ÜĎ [1] Vgl. Enercon-Sturmregelung]
  7. ‚ÜĎ www.wavegen.co.uk ISLAY LIMPET PROJECT MONITORING FINAL REPORT Englisch, PDF
  8. ‚ÜĎ www.wissenschaft.de Osmose-Kraftwerke nutzen den unterschiedlichen Ionengehalt von Fluss- und Meerwasser
  9. ‚ÜĎ www.wissenschaft.de Der Mensch nutzt bereits ein Viertel aller Biomasse

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