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Erneuerbare Energie


Erneuerbare Energie, auch regenerative Energie genannt, bezeichnet Energie aus nachhaltigen Quellen, die nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich sind. Das Grundprinzip ihrer Nutzung besteht darin, dass aus den in der Umwelt laufend stattfindenden Prozessen Energie abgezweigt und der technischen Verwendung zugeführt wird.

Die vom Menschen nutzbaren Energieströme entspringen unterschiedlichen Primärquellen:

der thermonuklearen Umwandlung in der Sonne,
dem radioaktiven Zerfall im Erdinnern,
der Erdrotation und den damit verbundenen Effekten (Gezeiten).
Auf der Erde können diese Energiequellen in Form von Sonnenlicht und -wärme, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und Erdwärme genutzt werden.

Begriff:

Die in der Sonne ablaufende Kernfusion ist die Quelle der solaren und der meisten regenerativen Energien, mit Ausnahme der Geothermie und der Gezeitenkraft. Die Sonne hat eine restliche Brenndauer von voraussichtlich etwa 5 Milliarden Jahren, so dass heute bei regenerativen Ressourcen nicht das Problem der zeitlich begrenzten Reserven auftritt.

Energie kann nicht erneuert oder regeneriert werden (Energieerhaltungssatz), daher ist der Begriff "erneuerbare Energie" streng genommen falsch. Man versteht unter der "Nutzung der erneuerbaren Energien" einen Prozess der Energieumwandlung (z. B. Umwandlung in Elektrizität), dem aus den oben genannten Quellen ständig Energie zugeführt wird, ohne dass dabei begrenzte Ressourcen verbraucht werden. Sonnenenergie wird zu einem recht kleinen Teil in natürlichen Prozessen kontinuierlich umgewandelt und zu einem größeren Teil direkt in den Weltraum reflektiert oder auf der Erde thermisch absorbiert. Dient der in die Biosphäre eingetragene Teil dem Aufbau von Strukturen, dann kann er entropiesenkend wirken; erwärmt er die Biosphäre, so wirkt er entropiesteigernd. Die durch Sonneneinstrahlung, Erdwärme oder infolge Strukturabbaus (wie der Verbrennung von Biomasse) erwärmte Biosphäre wiederum emittiert Energie im Infrarotbereich zurück in den Weltraum, so dass ihr Energiehaushalt insgesamt weitgehend ausgeglichen ist.

Die Nutzung erneuerbarer Energien bedeutet eine Umleitung eines Teils dieser Energieströme, um sie für den Menschen nutzbar zu machen, bevor sie wieder in den ursprünglichen Prozess eingegliedert werden.

Im Gegensatz zur Nutzung laufender Prozesse steht der Abbau von fossilen Energieträgern wie Steinkohle oder Erdöl, die heute sehr viel schneller verbraucht als neu gebildet werden. In einem strengen Sinn wären auch sie erneuerbar, allerdings nicht auf menschlichen Zeitskalen, da deren Bildung meist mehrere 100 Mio. Jahre dauert. Der umgangssprachliche Gebrauch der Begriffe "Erneuerbarkeit" und "Regeneration" weist auf diesen Unterschied hin: Entscheidend ist das Prinzip der Nachhaltigkeit, das heißt, dass der Mensch eine Ressource nicht stärker beansprucht, als sie sich regenerieren kann. Dies betrifft sämtliche mit der Energienutzung verbundenen Schnittstellen zwischen Zivilisation und Natur, also sowohl die Quellen als auch die Senken der vom Menschen kontrollierten Energie- und Stoffströme.

Besonders anschaulich ist der Prozess der Erneuerung bei Energie aus Biomasse: Für nahezu alle laufenden Prozesse in der irdischen Biosphäre ist die Sonne der ständige Energielieferant. Diese Prozesse können sogenannte nachwachsende Rohstoffe hervorbringen, deren forcierte Verbrennung, etwa zu Heiz- oder Antriebszwecken, an die Stelle natürlicher Verrottung tritt. Dabei wird gerade so viel Kohlendioxid frei, wie die gewachsene Biomasse der Atmosphäre zuvor entnommen hat.

Global sind Luft und Wasser unerschöpflich vorhanden. Werden beide zusammengefügt, entsteht durch Verdunstungskälte ein nachhaltiges Kältepotential, welches z. B. in der Klimatechnik in Form der adiabaten Kühlung direkt zur Raumklimatisierung genutzt wird.

Die Kernspaltung in Kraftwerken wird nicht zu den erneuerbaren Energien gezählt, da diese sich aus endlichen, auf der Erde nicht regenerierbaren Rohstoffen (Uran oder Thorium) speist und zudem in erheblichem Umfang Stoffe hinterlässt, die sich in keinen natürlichen Kreislauf einfügen lassen. Ähnliches gilt für eine etwaige zukünftige Nutzung von Kernfusionsreaktoren, die in der sich derzeit entwickelnden Form Lithium verbrauchen. Auch eine Kernfusion auf Basis der in großen Mengen vorhandenen Protonen, die technisch noch ferner liegt, wird von den meisten Fachleuten nicht zu den erneuerbaren Energien gezählt.

Arten:
Bioenergie (aus Biomasse bzw. Energiepflanzen)
Holz
Pflanzenöl ("Pöl")
Fettsäuremethylester (Biodiesel)
BtL-Kraftstoffe
(Bio-)Ethanol und Cellulose-Ethanol
Biogas (Biogasanlage)
Biowasserstoff (Dampfreformierung)
Geothermie
Tiefe Geothermie
Oberflächennahe Geothermie
Solarenergie
Photovoltaik (Photovoltaikanlage)
Solarthermie (Sonnenkollektor, Sonnenwärmekraftwerk)
Solarchemie
Thermik (Thermikkraftwerk)
Wasserkraft
Gezeitenkraft
Strömungsenergie des Meeres
Meereswärme
Staudämme und Staumauern
Osmosekraftwerk (Unterschiedlicher Salzgehalt von Süß- und Salzwasser)
Wellenenergie des Meeres
Windenergie (Windmühlen bzw. Windenergieanlage)
Aufwind- oder Thermikkraftwerk
Verdunstungskälte
adiabate Kühlung

Physikalisches und technisches Potenzial:

Die auf die Erde eingestrahlte Sonnenenergie beträgt etwa das Zehntausendfache des aktuellen menschlichen Energiebedarfs. Erdwärme und Gezeitenkraft liefern relativ dazu geringere, aber immer noch absolut hohe Beiträge. Rein physikalisch betrachtet, steht damit mehr Energie zur Verfügung, als in absehbarer Zukunft gebraucht werden wird.

In einigen Beispielprojekten ist es gelungen, den an einem Ort benötigten Energieverbrauch dezentral mit Erneuerbaren Energien zu decken (Nullenergiehaus, Bioenergiedorf). Daneben gibt es immer wieder Anläufe für zentrale Großprojekte auf Basis Erneuerbarer Energien. Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ergaben, dass mit weniger als 0,3 Prozent der verfügbaren Wüstengebiete in Nord-Afrika und im Nahen Osten durch Solarthermische Kraftwerke genügend Strom und Trinkwasser für den steigenden Bedarf dieser Länder sowie für Europa erzeugt werden kann. Die Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC), ein internationales Netzwerk von Wissenschaftlern, Politikern und Experten auf den Gebieten der erneuerbaren Energien und deren Erschließung, setzt sich für eine solche kooperative Nutzung der Solarenergie ein. Eine Nutzung der Passatwinde im Süden Marokkos soll die solare Energieerzeugung ergänzen.

Bedeutung:

In einigen Ländern (z. B. in Deutschland, Spanien, USA, aber auch China) nimmt die regenerativ gewonnene Energiemenge derzeit rasch zu. Ein noch schnelleres Wachstum wird jedoch durch - im Vergleich zu konventionellen Energieträgern - relativ hohe Investitionskosten erschwert.

Erneuerbare Energiequellen werden die fossilen und die Kernfission als Energiequelle langfristig wahrscheinlich zum Großteil ersetzen, da diese nur in begrenztem Umfang auf der Erde zur Verfügung stehen und ihr Einsatz ökologisch problematisch ist. Insbesondere tragen erneuerbare Energien im Idealfall nicht zur globalen Erwärmung bei; die Klimafolgen bei der Nutzung von Biomasse, zum Beispiel durch unerwünscht entweichendes Methan, sind deutlich geringer als bei fossilen Energieträgern.

Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern wird bei der Nutzung der meisten Erneuerbaren Energien kaum Kohlenstoffdioxid ausgestoßen. Lediglich bei der Herstellung der Kraftwerke und bei der Verbrennung von Biomasse wird CO2 in die Umwelt abgegeben, welches jedoch in der Regel nur so viel ist wie die zur Herstellung der Biomasse nötigen Pflanzen der Atmosphäre beim Vorgang der Photosynthese entzogen haben. Hierbei spricht man von CO2-Neutralität. Allerdings hat eine geänderte Landnutzung, zum Beispiel durch Anbau von Energiepflanzen, durchaus ökologische Auswirkungen. Diese folgen unter anderem aus der geänderten Menge an gebundenem CO2 und dem notwendigen Einsatz von Düngemitteln. Dabei entsteht das sehr klimaschädliche Lachgas. Es wirkt auf seine Masse bezogen 300-mal stärker als Kohlendioxid und schadet der Umwelt, da es die Wärmestrahlung, die sonst ins Weltall entweichen würde, reflektiert. Gerade bei der Herstellung von Salpetersäure, die in der chemischen Industrie benötigt wird, fallen große Mengen von Lachgas an.

Auch aus dem Blickwinkel endlicher fossiler Ressourcen ist ein schneller Ausbau der erneuerbaren Energien dringend erforderlich. Da es ein mögliches Szenario ist, dass der Peak Oil, der Zeitpunkt des Ölfördermaximums, ab dem immer weniger Öl gefördert werden kann, zu einer überdauernden wirtschaftlichen Krise führen wird, besteht die Gefahr, dass dann der Umstieg auf die Alternativen zu Öl und Kohle aufgrund schwacher oder zusammenbrechender Konjunktur viel größeren Aufwand erfordern würde, als das im Moment der Fall wäre. Man spricht von einer wirtschaftlichen Abwärtssprirale mit zunehmenden Veteilungskonflikten die einem Ausbau erneuerbarer Energiequellen die nötige stabile Basis entzöge.

Der Einsatz erneuerbarer Energien bietet also sowohl ökologisch als auch langfristig ökonomisch großes Potenzial, vor allem durch das Vermeiden der mit anderen Energieformen verbundenen negativen Begleiterscheinungen (Folgeschäden). Ob die erhofften ökologischen Vorteile im Einzelfall realistisch sind, kann jedoch nur durch eine Ökobilanz festgestellt werden. So müssen bei der Biomasse-Nutzung z. B. Landverbrauch, chemischer Pflanzenschutz und Reduzierung der Artenvielfalt der erwünschten CO2-Reduzierung gegenübergestellt werden. Die Abschätzung wirtschaftlicher Nebeneffekte ist ebenfalls mit erheblichen Unsicherheiten behaftet.

Zeitliche Verfügbarkeit:

Gegen erneuerbare Energien wird häufig eingewendet, dass Sonne und Wind nicht gleichmäßig zur Verfügung stehen und nur begrenzt vorhergesagt werden können. Diese Unsicherheiten verschärfen insbesondere im Stromnetz die Differenz zwischen gesichertem Angebot und Nachfrage. Da sich größere Mengen Strom nicht ohne verlustbehaftete Umwandlung in andere Energieformen speichern lässt, müssen hierfür organisatorische und technische Vorkehrungen getroffen werden.

Ob die vermehrte Nutzung von Solarstrom und Windenergie die Schere zwischen Angebot und Nachfrage weiter öffnet, ist allerdings umstritten. Während die konventionellen Kraftwerke rund um die Uhr die gleiche Leistung zur Verfügung stellen (können), passen Photovoltaikkraftwerke gut zum Tagesgang im Lastprofil (tagsüber wird mehr Strom benötigt als nachts). Bei Solarthermischen Kraftwerken hingegen können Wärmespeicher (z. B. Flüssigsalztanks) einen Teil der am Tage gewonnenen Wärme aufnehmen und die Dampfturbine nachts antreiben oder bei Nachfragespitzen zusätzlichen Dampf erzeugen. Um eine Versorgungssicherheit auch bei lang anhaltendem schlechtem Wetter zu gewährleisten, ist hier auch eine Zusatzfeuerung durch Öl, Erdgas oder Biomasse möglich. Windkraftwerke arbeiten im (europäischen) Winterhalbjahr stärker als im Sommer und gleichen damit sowohl den Jahresgang im Verbrauch als auch die jahreszeitlichen Schwankungen im Solarstrom aus.

Technisch unproblematisch ist der Umgang mit einem Überangebot an Strom. Wasserkraftwerke mit Staumauern können die Energieumwandlung mehrere Wochen bis Monate, Biogasanlagen mehrere Stunden ohne größere Verluste aufschieben. Photovoltaik- und Windenergieanlagen können zumindest abgeschaltet und innerhalb von etwa 30 s (Selbsttest und Anfahren eines Photovoltaik-Wechselrichters) bis wenige Minuten (größere Windenergieanlagen) wieder in Betrieb genommen werden. Dies ist sogar ein Vorteil gegenüber großen Dampfkraftwerken und Kernkraftwerken, die nach einer Abschaltung mehrere Stunden bis zur vollen Leistung benötigen. Allerdings wird durch die Abschaltung von Photovoltaik- oder Windenergieanlagen, anders als bei Wasserkraftwerken, Biogasanlagen und konventionellen Kraftwerken, kein Brennstoff gespart. Daher ist es meist wirtschaftlicher, den Strom für nachrangige, zeitlich weniger fixierte Zwecke zu "verschwenden" oder Energiespeicher damit aufzuladen.

Zur Deckung eines akuten Strommangels können Wasserkraftwerke und Biogaskraftwerke kurzzeitig über ihrer Durchschnittsleistung, die durch den Nachschub an Wasser und Biomasse begrenzt ist, betrieben werden. Mit der heutigen Informationstechnik ist es auch möglich, zeitlich flexible Stromverbraucher (z. B. Zementmühlen, Kühl- und Heizsysteme) vorübergehend herunterzuschalten oder vom Netz zu nehmen ("Lastabwurfkunden", "Demand-Side-Management").

Die Speicherung von elektrischer Energie durch Umwandlung in mechanische Energie wird bereits seit 1924 mit Pumpspeicherkraftwerken praktiziert. An Druckluftspeicherkraftwerken wird mit Pilotanlagen geforscht. Für Druckluftspeicher nutzt man Kavernen in Salzstöcken, in denen Druckluft mit 100 Bar gespeichert wird und bei Bedarf eine Druckluftturbine antreibt. Dabei wird ein Wirkungsgrad von etwa 42 Prozent; durch zusätzliche Nutzung der Abwärme 55 Prozent; und durch Rückführung der bei der Dekompression entstehenden Abwärme in die Kaverne sogar bis zu 70 Prozent erreicht.

Ausführlicher zum Thema Erneuerbare Energie bei Wikipedia.


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Alternative Energien

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  Ich hatte da mal einen Artikel im Reportermagazin Stern gelesen. Ist allerdings schon eine Weile her. Ich vermute mal, die werden mit ihren Ideen im Ausland erfolgreicher sein als in Deutschland. Zumal wie es aussieht sie keinerlei politische Unterstützung erhalten. Sie stehen also in Konku ... (DaveD, )

  Der VW-Chef hat jetzt seinen Managern angekündigt das es als Dienstwagen in absehbarer Zeit nur noch E-Autos gibt. Da werden die Manager mal merken was das für ein verdammter Scheiss ist. Hoffentlich ein Weg um in die Realität zurück zu finden. (Ralphi-K, )

  Überall wo sich Politik einmischt wird’s Brühe. Egal ob Berliner Flughafen oder E-Auto. Am Anfang entwickelten sich alternative Antriebe parallel zu einander. Bis die Politik das E-Auto favorisierte und von dem Augenblick an ging die Realität flöten. (Dora39, )

  Die Idee mit dem Elektroauto ist schon nicht schlecht. Aber Planung, Produktion, Markteinführung ist Deutschland schwer möglich. Die etwas Älteren werden sich noch an den Transrapid erinnern. Das war Zukunftstechnologie. Und was ist in Deutschland außer dieser Referenzstrecke daraus geworden ... (Helmfried, )

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