Energietechnik

Oliver Probst, Monterey, Mexiko

Zusammenfassung

Die moderne Industriegesellschaft benötigt eine beträchtliche Menge Energie, für deren Bereitstellung eine geeignete Energieausgangsform (Primärenergie) über eine Umwandlungskette (Energiekette) hin zur Nutzenergie umgewandelt werden muß. Die weltweite Energieversorgung beruht heutzutage überwiegend (≈ 80%) auf der Nutzung der fossilen Energieträger Erdöl, Kohle und Erdgas sowie zu einem geringen Teil auf Kernenergie (≈ 6%) und erneuerbaren Energiequellen (regenerative Energie), wobei bei den letztgenannten Wasserkraft (≈ 6 %) sowie Biomasse (vorwiegend Holz, ≈ 8 %) überwiegen. Die beschränkte Verfügbarkeit der fossilen Energieträger gebietet, daß diese langfristig durch erneuerbare Energiequellen ersetzt werden; überdies zeichnet sich ab, daß angesichts der massiven Emissionen des Treibhausgases CO₂, das bei der Verbrennung fossiler Energieträger entsteht, und den damit verbundenen Klimaänderungen (Treibhauseffekt), eine Nutzung der vorhandenen Reserven nicht zulässig sein wird. Kurzfristige Alternativen bestehen im wesentlichen aus einem rationelleren Umgang mit den fossilen Enegieträgern und aus der verstärkten Nutzung der Kernenergie sowie der regenerativen Energiequellen bei gleichzeitig drastisch gesenktem Primärenergieverbrauch. Langfristig bleiben nur noch die ausschließliche Nutzung der regenerativen Energiequellen sowie die derzeit noch nicht großtechnisch realisierbare Nutzung der Kernfusion. Ein zügiger Übergang in eine energierationelle, auf der Nutzung erneuerbarer Energiequellen basierende Gesellschaft erscheint daher dringend geboten.

I. Grundlagen

Die Nutzung gespeicherter Energie in Form fossiler Energieträger mit Hilfe der Umwandlung von Primärenergie bis hin zur Energiedienstleistung stellt die Grundlage aller menschlichen Gesellschaften dar. Im Unterschied zum primitiven Urmenschen, dessen Energiebedarf im wesentlichen durch seine physiologischen Aktivitäten bestimmt war, benötigt der moderne Mensch ein Vielfaches der metabolisch notwendigen Energiemenge ( Abb. 1 ). Dies zusammengenommen mit dem exponentiellen Anstieg der Weltbevölkerung in den letzten Jahrhunderten hat zu einem ernormen Anstieg des Bedarfs an Primärenergie geführt ( Abb. 2 ).

I.1 Begriffe

Energie läßt sich definieren als gespeicherte Arbeit oder mithin als das Vermögen, mechanische, elektrische etc. Arbeit zu verrichten. In diesem strengen physikalischen Sinne kann Energie stets nur von der einen in die andere Form umgewandelt werden; sie kann im strengen Sinne also nicht verbraucht werden. Praktisch hat die Sprechweise des Verbrauchs von Energie sehr wohl Bedeutung, da bei einem Umwandlungsprozeß stets nur ein Teil der eingesetzten in nutzbare Energie umgewandelt werden kann (Wirkungsgrad), während der verbleibende Rest als Abwärme anfällt. Bei der Energieumwandlung unter Verwendung einer Wärmekraftmaschine wird stets Wärme in (zunächst) mechanische Arbeit umgewandelt. Die Umwandlungseffizienz ist durch den Carnotschen Wirkungsgrad

(Carnotscher Kreisprozeß) prinzipiell nach oben begrenzt (W gewonnene Arbeit, Q eingesetzte Wärmemenge, T₁ untere, T₂ obere Prozeßtemperatur). Derjenige Anteil einer Wärmemenge Q, der prinzipiell in Arbeit umwandelbar ist (also ηQ) wird als der Exergieinhalt von Q bezeichnet (Exergie). Bei der Umwandlung von Energie von einer Primärenergie bis hin zur vom Verbraucher in Anspruch genommenen Nutzenergie ist stets der Aufwand an Energie zum Aufbau und Betrieb der Umwandlungseinrichtungen in Rechnung zu stellen. Im Falle der fossilen Energieträger sind z.B. der Energieaufwand zur Förderung, Raffination, Transport der Energieträger sowie die energetischen Kosten des Baus und Betriebs der Kraftwerke und Raffinerien zu evaluieren. Die Nettonutzenergieausbeute während der Lebensdauer eines Kraftwerks führt zum Begriff des energetischen Erntefaktors. Bei einer realistischen Betrachtung sind hier auch die Kosten, die mit der Beseitigung von Umwelt- und Gesundheitsschäden verbunden sind, mit in Rechnung zu stellen.

I.2 Energienutzung/Treibhauseffekt

Der weltweite Verbrauch an Primärenergie belief sich 1990 auf ca. 10¹⁷ Wh = 100 PWh entsprechend ca. 13 Mrd. t SKE (Steinkohleneinheit). Der Anteil der Industreländer hieran betrug etwa 45 %, derjenige der Entwicklungs- und Schwellenländer bereits 30 % mit stark steigender Tendenz. Der Anteil der Stromproduktion am weltweiten Primärenergiebedarf betrug 1990 etwa 12 % mit ebenfalls steigender Tendenz. In Deutschland lag der Primärenergiebedarf 1991 bei knapp 400 Mio. t SKE bei einem Anteil von 40 % für die Stromerzeugung. Die Deckung dieses Energiebedarfs erfolgt weltweit weiterhin im wesentlichen unter Ausbeutung der Reserven an fossilen Energieträgern, die 1990 weltweit zu etwa 80% den Primärenergiebedarf deckten, während die Kernenergie in Form von Kernspaltungsreaktoren nur mit etwa 6 % und die erneuerbaren Energiequellen (vor allem Biomasse (Holz) und Wasserkraft) mit insgesamt etwa 14 % beitrugen. Der seit etwa 1930 drastisch ansteigende Verbrauch fossiler Energieträger hat eine Zunahme des atmosphärischen Spurengases CO₂ verursacht, das bei der Verbrennung des in allen fossilen Energieträgern dominierend vorhandenen Kohlenstoffs notwendigerweise freigesetzt wird. So werden bei der Verbrennung von 1 t Steinkohle 2,9 t CO₂ in die Atmosphäre emittiert; technisch praktikable Rückhalteverfahren für CO₂ sind derzeit nicht bekannt. Wenngleich CO₂ kein Luftschadstoff im eigentlichen Sinne ist, so kann doch der Anstieg seines relativen Anteils in der Atmosphäre dramatische Folgen für die Menschkeit auslösen. Durch seine starke Infrarotabsorption bei gleichzeitiger Transparenz im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums sorgt das CO₂ für eine partielle Rückhaltung der Wärmestrahlung der Erde, was zu einem globalen Temperaturanstieg (Treibhauseffekt) führen wird. Dieser grundsätzliche Sachverhalt wird inzwischen allgemein akzeptiert, wenngleich die Prognosen über den absoluten Wert des Temperaturanstiegs und die damit verbundenen Klimaänderungen zur Zeit noch unsicher sind.

II. Fossile Energieträger

II.1 Kraft-Wärme-Kopplung

Die Stromerzeugung in einem Verbrennungskraftwerk, das mit fossilen Brennstoffen betrieben wird, ist konzeptionell einfach ( Abb. 3 ): Der Brennstoff (Kohle, Öl, Gas etc.) wird in einem Kessel zur Verbrennung gebracht. Die erzeugte Wärme wird zur Erzeugung von Heißdampf benutzt, der seinerseits eine Dampfturbine antreibt. Die Dampfturbine ist mit einem Stromgenerator gekoppelt; die erzeugte Elektrizität wird auf die erforderlichen Hochspannungen transformiert und ins Verteilungsnetz eingespeist. Der beim Durchgang durch die Turbine abgekühlte Dampf kondensiert im Kondensator und wird anschließend einer erneuten Dampferzeugung zugeführt. Die bei der Kondensation freiwerdene Abwärme muß an ein externes Wärmereservoir (typischerweise Flußwasser) abgeführt werden. Wird eine Kraft-Wärme-Kopplung
( Abb. 4 ) eingesetzt, so kann die auf niedrigem Temperaturniveau (≈ 100°C) anfallende Abwärme für den Einsatz in der Raumheizung abgeführt werden. Für einen hohen Wirkungsgrad der Stromerzeugung ist eine hohe Turbineneintrittstemperatur sowie eine niedrige Abwärmetemperatur entscheidend. Heute erreichte Wirkungsgade für die Stromerzeugung liegen bei maximal 35-40 %. Eine Abwärmenutzung mittels Kraft-Wärme-Kopplung verschlechert zwar etwas den Wirkungsgrad für die Stromerzeugung, erhöht aber den Gesamtwirkungsgrad auf über 80 %. Da ein Großteil des Energiebedarfs ohnehin als Wärmebedarf anfällt, ermöglicht die kombinierte Strom- und Wärmeerzeugung eine erheblich günstigere Emissionsbilanz.

II.2 Emissionsminderung

In konventionell gefeuerten Kohlekraftwerken werden neben dem notwendigerweise anfallenden CO₂ die Luftschadstoffe SO₂ und Stickoxide (NO_x) sowie toxische Spurenstoffe wie Ar, Be, Cd oder Hg emittiert. Moderne Kohlekraftwerke verfügen daher über Vorrichtungen zur Entschwefelung, Entstickung und Entstaubung sowie zum Rückhalt der toxischen Spurenstoffe. Eine Entstaubung kann mit Hilfe von Zyklonen erfolgen, während toxische Spurenstoffe in elektrostatischen Abscheidern zurückgehalten werden. Eine wirkungsvolle Entschwefelung bzw. Reduktion der Stickoxidbildung kann z.B. mit Hilfe der Wirbelschichtfeuerung erfolgen.

III. Kernenergie

III.1 Kernspaltung

III.1.1 Grundlagen

Die Nutzung von Kernenergie in Kernreaktoren beruht auf der Spaltung des Uranisotops

in zwei Bruchstücke im Massenzahlenbereich zwischen etwa 90 und 100 sowie zwischen 134 und 144. Die Kernspaltungsreaktionen werden induziert durch den Einfang thermischer Neutronen, der instabile Formschwingungen des Kerns, gefolgt von der eigentlichen Kernspaltung, auslöst. Mögliche Reaktionen sind z.B.

oder

. Bei der Spaltung werden also neben einer Energiemenge von typischerweise 240 eV pro Spaltung auch zwei bis drei (schnelle) Neutronen freigesetzt. Diese Neutronen können ihrerseits weitere Spaltprozesse auslösen und somit zu einer Kettenreaktion führen, wenn sie in einem geeigneten Moderator auf thermische Energien abgebremst werden. Typische Moderatoren sind Wasser (H₂O oder D₂O, sog. schweres Wasser) und Graphit. Da eine effektive Neutronenproduktion > 1 zu einem exponentiellen Anstieg der Anzahl der Spaltprozesse und somit zu einer Explosion führen würde, muß im zeitlichen Mittel der sog. Vermehrungsfaktor exakt bei eins gehalten werden (bei Werten < 1 würde die Kettenreaktion erlöschen). Dies wird durch die Verwendung von Neutronenabsorbern – typischerweise Bor oder Cadmium – erreicht, die in die Zwischenräume zwischen den Brennelementen eingebracht werden können. Die Regelung des Vermehrungsfaktors wird durch die Tatsache ermöglicht, daß ein geringer Anteil der bei der Kernspaltung emittierten Neutronen als Folge des radioaktiven Zerfalls der Spaltprodukte entsteht und somit verzögert auftritt (verzögerte Neutronen). Der Anteil des spaltbaren Uranisotops

, der in Natururan nur 0,7 % beträgt, muß vor der Nutzung im Kernreaktor zunächst auf etwa 3 % angereichert werden (Anreicherung). Die hierfür eingesetzten Verfahren sind mit einem Energieaufwand von 2000-3500 kWh pro kg angereicherten Urans allesamt energetisch sehr aufwendig. Gängige Verfahren sind das Gasdiffusions-, das Gaszentrifugen- sowie das Trenndüsenverfahren.
III.1.2 Reaktortypen

Das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks beruht ähnlich wie das Prinzip der Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen auf der Erzeugung heißen Dampfes, der eine Dampfturbine mit angekoppeltem Stromgenerator (Generator) antreibt. Die heißen Abgase der Turbine werden in einem Kondensator unter Einsatz eines Kühlmittels zur Kondensation gebracht und anschließend mit Hilfe von Pumpen in den Dampferzeuger zurückbefördert. Gängige Kraftwerkstypen sind der Druckwasser- und der Siedewasserreaktor.

Eine Neuentwicklung, mit der die Verwirklichung des Konzepts der ›inhärenten Sicherheit‹ angestrebt wird (sog. katastrophenfreier Kernreaktor), ist der graphitmoderierte Hochtemperaturreaktor (HTR). Durch Ummantelung des Kernbrennstoffs mit einer SiC- sowie mehreren Kohlenstoffschichten und Aufschichtung in einer Kugelhaufenanordnung versucht man eine hinreichende Wärmeabfuhr auch im Ausfall der Kühlung durch passive Maßnahmen zu gewährleisten. Wegen seiner hohen Betriebstemperatur (750-950°C) verspricht der Hochtemperaturreaktor neben der direkten Stromerzeugung Perspektiven für die Erzeugung von Prozeßwärme sowie die Stromerzeugung in nachgeschalteten Gas- und Dampfturbinen. Im Gegensatz zum HTR sind die in der ehemaligen UdSSR üblichen graphitmoderierten wassergekühlten Reaktoren wegen ihres positiven Reaktionskoeffizienten auf eine mehrfach redundante aktive Regelung angewiesen; ein Temperaturanstieg im Reaktorkern führt hier nämlich im Gegensatz zu den im Westen üblichen Leichtwasserreaktoren zu einem Anstieg der Reaktivität. Der Katastrophenreaktor von Tschernobyl (Typ RBMK-1000) gehörte zu dieser Kategorie.
III.1.3 Entsorgung

Das Hauptproblem bei der Nutzung von Kernspaltungsreaktoren ist nach wie vor die Entsorgung der radioaktiven Abfallprodukte ( Abb. 6 ), die auch über geologische Zeitskalen hin sicher sein muß. Radioaktive Abfallstoffe (Abfall, radioaktiver) lassen sich klassifizieren in
(i) Abfallprodukte des Uranbergbaus, welche im wesentlichen ²³⁸Uran sowie dessen Zerfallsprodukte (²³⁴Uran, ²³⁰Thorium etc.) in niedrigen Konzentrationen enthalten,
(ii) große Mengen schwachaktiven Materials sowie
(iii) hochaktive Abfallstoffe aus abgebrannten Brennelementen und ggf. Abfälle aus der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen.

Hochaktive Materialien bestehen aus den Spaltprodukten sowie deren Zerfallsprodukten, Transuranen (z.B. Plutonium), die aus dem Neutroneneinfang von ²³⁸Uran enstehen, sowie weiteren durch Neutroneneinfang aktivierten Materialien. Transuranelemente sind sowohl chemisch höchst toxisch als auch stark radioaktiv und bedürfen daher einer besonders sorgfältigen Behandlung. Ein vollständiges, technisch abgesichertes und von einem sozialen Konsens gestütztes Entsorgungskonzept für radioaktive Abfallstoffe liegt bisher weltweit nirgendwo vor.

III.2 Kernfusion

III.2.1 Grundlagen

Ein alternatives Konzept zur Energiegewinnung aus Kernenergie bildet die Nachahmung der in der Sonne realisierten Kernfusion. Während auf der Sonne der (exotherme) Nettoprozeß

, also die Verschmelzung von vier Wasserstoffkernen zu Helium abläuft, wird für eine zukünftige Kernfusion unter terrestrischen Bedingungen wegen seines relativ hohen Wirkungsquerschnitts der Prozeß

, also die Verschmelzung von Deuterium (d) und Tritium (t) favorisiert. Deuterium ist in Form von schwerem Wasser mit einem relativ großen Anteil von H : d = 1:10^-4 in den Weltmeeren vorhanden und somit praktisch unerschöpflich. Tritium hingegen muß mittels Neutronenbeschuß aus Lithium erbrütet werden. Die Weltreserven an Lithium würden bei ausschließlicher Deckung des Weltenergiebedarfs aus der Kernfusion unter Zugrundelegung der aktuellen Verbrauchswerte für etwa 1000 Jahre ausreichen. Das Fusionprodukt Helium ist stabil, so daß primär keine Radioaktivität entsteht. Nachteilig ist allerdings der hohe Neutronenfluß, der im Strukturmaterial eines Fusionsreaktors Aktivierungen mit nachfolgendem radioaktiven Zerfall auslösen kann. Eine positive Konsequenz der Neutronenproduktion ist hingegen die Möglichkeit, bei Umgebung des eigentlichen Reaktors mit einem Lithiummantel den benötigten Brennstoff Tritium in situ zu erbrüten.
III.2.2 Reaktortypen

Mögliche Konzepte zur praktischen Realisierung der kontrollierten Kernfusion sind die Plasmafusion, bei dem die elektrostatische Abstoßung zwischen den Reaktionspartnern d und t durch Zufuhr entsprechender kinetischer Energie überwunden wird, die Laserfusion sowie die noch hypothetische Müon-katalysierte Fusion. Bei der am weitesten entwickelten Plasmafusion existieren zwei experimentell untersuchte Reaktortypen, die Tokamak- sowie die Stellaratoranordnung (Stellarator). Im europäischen Projekt JET (Joint European Torus) wurde 1991 für eine Zeitdauer von zwei Sekunden zum ersten Male Fusionsbedingungen erreicht, d.h. eine Nettoproduktion von Energie. Ein praktisch taugliches Reaktorkonzept soll in dem seit 1992 in Planung befindlichen europäisch-amerikanisch-russisch-japanischen Pilotprojekt ITER (Internationaler thermonuklearer Experimentalreaktor) demonstriert werden.

IV. Regenerative Energien

Unter regenerativen oder erneuerbaren Energiequellen versteht man all diejenigen Energienutzungsschemata, die ohne die Ausbeutung nur begrenzt vorhandener Vorkommen an Primärenergiequellen auskommen. Dies sind zum einen alle direkten und indirekten Nutzungsmöglichkeiten der Sonnenenergie sowie, in global erheblich geringerem Umfange, weitere Quellen wie die geothermische Energie (Erdwärme) und die Gezeitenenergie (Gezeitenkraftwerk). Den bisher auf globalem Maßstab bedeutendsten indirekten Einsatz der Sonnenenergie bildet Nutzung des Verdunstungs- und Kondensationszyklus (Wasserkraft) und der Biomasse (Tabelle 1).

IV.1 Direkte Nutzung der Sonnenenergie

IV.1.1 Thermische Nutzung

Der derzeit vielversprechendste Einsatz der Sonnenenergie besteht in ihrer direkten thermischen Nutzung ( Abb. 7 ). Das Grundprinzip besteht in der möglichst vollständigen Absorption der Sonnenstrahlung durch ein geeignetes Medium, gefolgt vom Abtransport der Wärme zur direkten Wärmenutzung oder zur Erzeugung von Elektrizität mit Hilfe einer Dampfturbine. Niedertemperaturwärme im Bereich von 40-60°C zur Warmwasserbereitung bzw. zur Raumheizung kann auf einfache Weise unter Verwendung von thermischen Flachkollektoren erzeugt werden, während für die Stromerzeugung sowie die Generierung von Prozeßwärme eine Konzentration der (direkten) Sonnenstrahlung erforderlich ist. Thermische Solarkraftwerke (Solarkraftwerk, Turmkraftwerk, Parabolrinnenkraftwerk, Heliostat) sind nur in Regionen mit mehr als 3000 Stunden ungetrübter Sonnenstrahlung im Jahr sinnvoll, während Flachkollektoren auch in gemäßigten Zonen wirtschaftlich betrieben werden können. Bei konsequenter Nutzung aller verfügbaren Dachflächen ließe sich bereits heute in Deutschland ein großer Anteil des Wärmebedarfs durch Flachkollektoren decken. Das größte Problem besteht hierbei derzeit noch in der Speicherung der erzeugten Wärme, die notwendig ist, da etwa 80 % des Energieeintrags aus der Sonneneinstrahlung während des Sommerhalbjahrs bei relativ geringem Wärmebedarf entstehen. Es existieren bereits erfolgversprechende Ansätze unter Ausnutzung der Latentwärmespeicherung sowie der thermochemischen Wärmespeicherung (Wärmespeicherung), jedoch gibt es auf diesem Gebiet noch einen beträchtlichen Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Alternativ wird die Entwicklung solarer Nahwärmenetze, die auf der Wärmespeicherung in unterirdischen Kavernen beruhen, vorangetrieben. Eine weitere wichtige Alternative ist die passive Sonnenenergienutzung (transparente Wärmedämmung, Trombewand), bei der die Hausfassade selbst als Sonnenkollektor fungiert. Begleitenden Maßnahmen zur Wärmedämmung kommt überdies eine sehr wichtige Rolle zu.
IV.1.2 Photovoltaik

In Solarzellen wird die einfallende Sonnenstrahlung zur direkten Umwandlung in elektrischen Gleichstrom genutzt. Verwendete Materialien sind typischerweise Zellen aus mono- und polykristallinem sowie aus amorphem Silicium. Das Grundprinzip beruht hierbei auf der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in der Solarzelle, die von einem inneren elektrischen Feld (an den vorhandenen p-n-Übergängen) getrennt werden und die dann zur jeweils gegensinnigen Elektrode wandern. Der Stromkreis wird von einem äußeren Verbraucher geschlossen, in dem die gewünschte Stromarbeit verrichtet wird. Die maximale bisher im Labor erreichte Effizienz (= Wirkungsgrad) der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom beträgt 33,7 %, wobei eine GaAs/GaSb-Tandemsolarzelle verwendet und das Sonnenlicht 50fach konzentriert wurde. Praktische Wirkungsgrade bei kommerziellen Zellen liegen im Bereich zwischen 10 und 15 %. Die Bedeutung eines hohen Wirkungsgrades erklärt sich daraus, daß bei höherem Wirkungsgrad die benötigte Kollektorfläche kleiner und somit der Materialeinsatz geringer ist; aus energetischer Sicht ist jedoch der Erntefaktor die wichtigere Größe: Auch bei geringerem Wirkungsgrad kann ein hoher Erntefaktor erzielt werden, wenn die benötigte Materialmenge und somit die (ökonomische und energetische) Investition klein genug ist. Dieser Aspekt wird bei den amorphen Solarzellenmaterialien (amorphe Halbleiter) berücksichtigt. Solarzellenmodule auf der Basis amorphen Siliciums sind bereits seit längerem bei Kleingeräten (Uhren, Taschenrechnern) im Einsatz und seit kurzem auch für Leistungsanwendungen erhältlich. Eine weitere vielversprechende Alternative stellen Solarzellen auf TiO₂-Basis dar, bei denen der Lichtabsorptions- und der Ladungstrennungschritt unter Verwendung anorganischer Farbstoffe und eines geeigneten Reduktionsagens entkoppelt werden. Derartige Zellen lassen sich sehr ökonomisch herstellen ( Abb. 8 ); früher auftretende Probleme mit der Langzeitstabilität der Farbstoffe sind in den letzten Jahren überwunden worden.

IV.2 Windenergie

Eine sinnvolle Nutzung der Windenergie kann bei durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten > 5m / s erfolgen; dies ist in Deutschland vor allem an den Küsten sowie in den Hochlagen der Mittelgebirge der Fall. Die Windgeschwindigkeit v (Mittelwert und Verteilung) ist der entscheidene Parameter, da die im Wind enthaltene Leistungsdichte mit der dritten Potenz von v anwächst:

. Die von einem Windgenerator umgewandelte Leistung ergibt sich zu

, wobei A eine effektive Querschnittsfläche darstellt und im Falle eines Horizontalachsenkonverters einfach durch die überstrichene geometrische Fläche gegeben ist:

. Heutzutage in kommerziellen Windgeneratoren erreichte Radien R liegen bei etwa 40 m, so daß überstrichene Flächen von mehr als 1000 m² zur Verfügung stehen. Der Wirkungsgrad η der Umwandlung liegt theoretisch maximal bei 59,3 %; praktisch werden Gesamtwirkungsgrade von 35-40 % erreicht. Staatliche Anreize in den letzten Jahren haben in Dänemark sowie seit kurzem auch in Deutschland und in den Niederlanden eine prosperierende Windenergieindustrie hervorgebracht, die neben dem Binnenbedarf insbesondere stark von der Förderung der Windenergienutzung in Kalifornien und von den hieraus resultierenden Exportmöglichkeiten profitiert hat ( Abb. 9 und Abb.10 ). In den genannten Regionen ist die Stromerzeugung aus Windenergie bereits heute wirtschaftlich konkurrenzfähig.

IV.3 Wasserkraft

Der von der Sonneneinstrahlung bewirkte Verdunstungs- und Kondensationszylus des Wassers ist zur Zeit eine der wichtigsten regenerativen Energiequellen. Bei der Laufwassernutzung (Laufwasserkraftwerk) wird Flußwasser zum Antrieb einer Turbine genutzt, häufig in Verbindung mit Schiffsschleusen. Beim Speicherkraftwerk wird i.a. Flußwasser mit Hilfe einer Talsperre aufgestaut; das Gefälle zum am Fuße der Staumauer befindlichen Generator wird zur Erzeugung elektrischen Stroms genutzt. Im Unterschied hierzu wird beim Gezeitenkraftwerk die Gravitationswirkung von Sonne und Mond ausgenutzt. Das weltweite Potential der Wasserkraftnutzung ist beträchtlich; es wird auf über 20 PWh (= 2 · 10¹⁶ Wh) pro Jahr geschätzt, entsprechend 20 % des Weltprimärenergieverbrauchs im Jahre 1990. Allerdings ist zu berücksichtigen, daß wegen der Umweltauswirkungen dieses Potential nur teilweise genutzt werden kann.

IV.4 Biomasse

Biomasse ist zusammen mit der Wasserkraft weltweit die wichtigste erneuerbare Energiequelle. In den Entwicklungsländern dominiert hierbei die Nutzung von Holz zur Verbrennung mit den damit verbundenen Umweltschäden durch Übernutzung. Neben dem Holz stehen Abfälle aus Forst- und Landwirtschaft, organische Bestandteile des Industrie-, Gewerbe und Hausmülls, menschliche und tierische Exkremente sowie speziell angebaute Energiepflanzen zur Verfügung. Die Nutzungsmöglichkeiten lassen sich in Verbrennung, Vergasung und Vergärung klassifizieren.

IV.5 Geothermie

Geothermische Energie oder Geothermie ist die im Erdinnern gespeicherte Wärmeenergie. Obgleich das gesamte Potential dieser Energiequelle (geschätzt etwa 1,5 · 10²⁶ J bis zu einer Tiefe von 10 km) etwa dem tausendfachen der vermuteten Kohlevorräte entspricht, ist nur ein sehr kleiner Teil dieser Energiemenge der praktischen Nutzung zugänglich. Eine Nutzung geschieht vornehmlich im Bereich sog. geothermischer Anomalien (geothermische Energie), bei denen aufgrund geologischer Gegebenheiten die heißen Magmamassen relativ nahe (wenige km) unterhalb der Erdoberfläche liegen. Eine weitere Voraussetzung besteht im Vorliegen eines Wasserleitersystems, das von zwei impermeablen Schichten nach oben und nach unten begrenzt und von einem Niederschlagsfeld gespeist wird. Das Wasser wird von den darunterliegenden Magmamassen geheizt und tritt auf natürliche Weise – je nach Beschaffenheit sowie entsprechend den genauen Druck- und Temperaturverhältnissen – als Dampf (z.B. Fumarolen) oder Heißwasser (z.B. Geysire) an der Oberfläche aus. Für eine technische Nutzung hingegen muß i.a. Dampf gezielt erbohrt werden. Stromerzeugung erfolgt i.a. durch eine direkte Entspannung über eine Dampfturbine entweder mit nachfolgender direkter Entlassung in die Atmosphäre oder mit angeschlossenem Kondensator und Abtrenneinheit für die im Dampf enthaltenen nichtkondensierbaren Spurengase. Heißwasser läßt sich ebenfalls zur Stromerzeugung nutzen, wenn ein organischer Rankine-Zyklus verwendet wird, allerdings bei entsprechend niedrigen Wirkungsgraden. Die Ende 1996 weltweit aus Geothermie erzeugte Elektrizität betrug 38 GWh/Jahr, entprechend 0,4 % des weltweiten Stromverbrauchs (vgl. Tabelle). In neuerer Zeit wurden Untersuchungen zu sog. nichtkonventionellen Nutzungsformen der Geothermie durchgeführt, wie z.B. im Hot-Dry-Rock- oder im Magma-Verfahren. In ersterem wird versucht, die im trockenen Tiefengestein enthaltene Wärme mittels eines Umlauferhitzerprinzips zu entziehen, während beim Magma-Verfahren an eine direkte Nutzung der heißen Magmamassen gedacht wird.

V. Weitere Energieumwandlungssysteme

V.1 Brennstoffzellen

Eine wichtige Rolle beim Übergang von einer auf der Nutzung fossiler Energieträger beruhenden zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft kann den sog. Brennstoffzellen zukommen. In einer Brennstoffzelle läuft eine sog. kalte Verbrennung ab, bei der aus einer exothermen Redox-Reaktion ohne den Umweg der Wärmeerzeugung elektrischer Strom produziert wird. Der theoretische Wirkungsgrad ist daher nicht durch die Carnot-Effizienz begrenzt. Die Entwicklung von Brennstoffzellen wurde in der Vergangenheit stark für Weltraumanwendungen vorangetrieben; in der letzten Zeit sind jedoch bereits mehrere Pilotkraftwerke auf Brennstoffzellenbasis errichtet worden. Zur Zeit existieren vier Hauptentwicklungslinien für Brennstoffzellen (BZ): (i) Niedertemperatur-BZ mit alkalischem Elektrolyten, (ii) Mitteltemperatur-BZ mit phosphorsaurem Elektrolyten, (iii) Hochtemperatur-BZ mit einer Carbonatschmelze als Elektrolyten sowie (iv) Hochtemperatur-BZ mit einem oxidkeramischen Elektrolyten. Alkalische Brennstoffzellen weisen einen hohen realen Wirkungsgrad auf, verursachen jedoch hohe Investitionskosten. Mittel- und Hochtemperatur-BZ versprechen geringere Investitionskosten bei vergleichbaren Wirkungsgraden. Brennstoffzellen können i.a. nicht direkt mit fossilen Energieträgern betrieben werden, sondern bedürfen einer Reformierung des Brennstoffs. Auch bei Berücksichtigung der Reformierungsverluste kann ein hoher Wirkungsgrad eines brennstoffzellengestützten Kraftwerks bei erheblich geringeren Emissionen erwartet werden. Die günstige Emissionsbilanz verspricht weiterhin Perspektiven für den Einsatz im Straßenverkehr.

Ausblick

Die lokalen und globalen Bedrohungen der Umwelt bedürfen eines raschen und entschlossenen Vorgehens der Weltgemeinschaft. Die Industrieländer können zur Lösung dieser Probleme mit einer Senkung ihres Energieverbrauchs durch eine Effizienzsteigerung und eine entschlossene Förderung der erneuerbaren Energiequellen beitragen. Ein Ausbau der Kernspaltungstechnik kann nur mittelfristig zur Lösung des Energie- und des CO₂-Problems beitragen, wobei auch zu berücksichtigen ist, daß das Problem der dauerhaft sicheren Endlagerung von radioaktiven Abfallprodukten nicht gelöst ist. Die Fusionstechnologie wird trotz wichtiger wissenschaftlicher Fortschritte kurz- und mittelfristig nicht zur Verfügung stehen; überdies sind die Umweltauswirkungen der Fusionsreaktortechnologie noch nicht genau bekannt. Die Fortschritte bei den eneuerbaren Energieträgern berechtigen zu der Hoffnung, daß bei einer konsequenten Weiterentwicklung dieser Technologien und gleichzeitiger Schaffung staatlicher Anreize sowie Steigerung der Energieeffizienz eine umweltfreundliche Energienutzung mittel- und langfristig möglich sein wird.

Literatur

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Klaus Heinloth: Energie, B.G. Teubner, 1983.
Klaus Heinloth: Energie und Umwelt. Klimaverträgliche Nutzung von Energie, B.G. Teubner Stuttgart, VDF Zürich, 1993.
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Joseph Priest: Energy. Principles, Problems, Alternatives, 4th edition, Addison-Wesley, 1991.
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K. Schultze (Hrsg.): Klima-verträgliche Energienutzung, Arbeitskreis Energie auf der 59. Physikertagung Berlin, Deutsche Physikalische Gesellschaft.
Wayne C. Turner: Energy Management Handbook, The Fairmont Press, 1993.

Energietechnik 1: Entwicklung des Energieverbrauchs pro Person vom primitiven Urmenschen bis heute. Man beachte auch die großen Verbrauchsunterschiede zwischen den führenden Industrieländern.

Energietechnik 2: Entwicklung des Weltprimärenergieverbrauchs im 20. Jh.

Energietechnik 3: Schema zur Emissionskontrolle bei einem modernen Kohlekraftwerk mit 500 MW_e elektrischer Leistung, einer Kapazitätsauslastung von 80 % und einem Gesamtwirkungsgrad von 35 %.

Energietechnik 4: Getrennte Strom- und Wärmeerzeugung gegen Kraft-Wärme-Kopplung. Man erkennt, daß bei einer gleichzeitigen Strom- und Wärmeerzeugung erheblich größere Gesamtwirkungsgrade möglich sind.

Energietechnik 5: Energieflußbild der Erde. Die natürlichen Energieflüsse, die im wesentlichen aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche resultieren, dominieren bei weitem den vom Menschen hervorgerufenen Energieumsatz. Dennoch tragen die insbesondere von der Verbrennung fossiler Energieträger hervorgerufenen Emissionen an Kohlendioxid (nebst weiteren Treibhausgasen) zur globalen Klimaveränderung bei. Bei der Abschätzung des Nutzungspotentials der regenerativen Energiequellen ist zu berücksichtigen, daß trotz des großen Energieangebots die Energiedichte klein ist, somit i.a. ein großer Flächenbedarf erforderlich ist. Angaben in EJ / Jahr.

Energietechnik 6: Der sog. Brennstoffkreislauf für Leichtwasserkernreaktoren. Der abgebrannte Kernbrennstoff kann prinzipiell einer Wiederaufbereitung und anschließenden Nutzung im Kernreaktor zugeführt werden. Die Wiederaufbereitung ist in Deutschland derzeit nicht realisiert. Über die Fragen der Endlagerung der abgebrannten Kernbrennstoffe ist ebenfalls z.Z. noch nicht entschieden.

Energietechnik 7: Möglichkeiten der direkten und indirekten Nutzung der Sonnenenergie.

Energietechnik 8: Entwicklung des Photovoltaik-Markts in den letzten 15 Jahren. Die Entwicklung der Jahre 1986-1994 läßt sich durch einen jährlichen Anstieg von 15 % charakterisieren. Die Verteilung auf die verschiedenen Zelltechnologien ist durch 50 % monokristallines Silicium (Czochralski-Verfahren), 30% polykristallines Silicium, 20% amorphes Silicium gegeben.

Energietechnik 9: Entwicklung der Energieproduktion aus Windenergie in Europa zwischen 1980 und 1995. Dänemark hat die längste Windenergietradition, ist inzwischen dank den jüngsten Förderprogrammen von Deutschland in der Windenergieerzeugung überflügelt worden.

Energietechnik 10: Windenergieerzeugung in Nordamerika und in Europa zwischen 1980 und 1995. Die Windenergieerzeugung in Nordamerika findet überwiegend in Kalifornien statt.

Energietechnik 1: Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen (ausgenommen Wasserkraft) im Jahre 1994. Obgleich etwa 99,98 % des gesamtem Potentials an erneuerbaren Energiequellen sich aus der Sonnenenergie ableiten (vgl. Abb. 5), wird gegenwärtig die Sonnenenergie nur zu einem sehr geringen Anteil genutzt. Hingegen hat die Nischentechnologie Geothermie bereits einen recht hohen Entwicklungsstand.