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Globale und nationale Rahmenbedingungen des Energiewesens
Energie als grundlegender gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Faktor
Die Leistungskraft einer Volkswirtschaft hängt in entscheidendem Maße von einer umweltgerechten, wirtschaftlichen und stabilen Energieversorgung ab. Deren Bedeutung nimmt in dem Maße zu, inwieweit der Industrialisierungsgrad sowie der Lebensstandard einer Nation fortgeschritten sind. Insbesondere in den hoch industrialisierten Staaten stellt die Versorgung der Volkswirtschaften mit Elektrizität, Wärme und Treibstoffen einen entscheidenden Schlüsselfaktor für Wirtschaftswachstum, allgemeinen Wohlstand und Lebensstandard dar.
Mit einem Anteil von 91% am weltweiten Primärenergiebedarf nehmen die fossilen Energieträger Erdöl, Kohl und Erdgas eine Spitzenstellung ein (Stand: 1998).
Hier herrscht jedoch eine ungleiche Verteilung, denn derzeit verbrauchen rund 25% der Weltbevölkerung 75% der weltweit produzierten Energie (HARTMANN, 2004).
Dass die Höhe des Bruttosozialproduktes eines Landes eng mit dem Energieverbrauch korreliert, wies die UNO bereits 1985 nach. Demnach lag der pro Kopf Verbrauch in hoch industrialisierten Staaten mit hohem Bruttosozialprodukt wie z.B. den USA fast tausendmal höher als z.B. in Äthiopien (HARTMANN, 1992).
Einen wichtigen Hinweis auf die soziale und gesellschaftliche Bedeutung der Energieversorgung liefert auch die Tatsache, dass die durchschnittliche Lebenserwartung eng mit dem spezifischen Energieverbrauch korreliert.
So betrug die durchschnittliche Lebenserwartung von Männern in Entwicklungsländern mit einem Energieverbrauch von weniger als 50 kg Steinkohleneinheiten (SKE) pro Kopf und Jahr teilweise nicht mehr als 35 Jahre (HARTMANN, 1992).
HARTMANN (1992) stellt in diesem Zusammenhang die These auf, dass „...eine mittlere Lebenserwartung von 70 Jahren und mehr ... nur in einem ökonomischen System garantiert werden kann mit:
einem hohen Grad der Industrialisierung einem hohen BSP je Person und Jahr und einer relativ guten Versorgung an Energie“
Der Energiehunger der Industrienationen macht deren Volkswirtschaften jedoch besonders anfällig gegenüber einer Verknappung der vorgenannten Energieträger.
Der Energiemarkt erlebt derzeit einen Umbruch nie gekannter AusmaĂźe.
Die aktuelle Rohstoff- und Energieknappheit, hervorgerufen durch die unvermindert starke Nachfrage der Industrieländer und verstärkt durch die rasant wachsenden Volkswirtschaften asiatischer Schwellenländer, allen voran Chinas und Indiens, wirft erneut die Frage nach Alternativen auf. Besonders Erdöl, das mit 40% am weltweiten Primärenergiebedarf der wichtigste Energieträger ist, wird an den internationalen Märkten zunehmend knapper.
So kletterte der Preis für ein Barrel Rohöl (159 Liter) bereits im August 2005 auf das vorher nie erreichte Rekordniveau von über 65 Dollar. Im Herbst des gleichen Jahres stiegen die Preise zeitweise sogar noch weit über diese Marke.
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Globaler und nationaler Klimaschutz
Bereits in der Antike, aber auch im Mittelalter hat der Mensch große Mengen an Energie und Rohstoffen benötigt und dabei massiv in seine Umwelt eingegriffen. Die Rodung ganzer Wälder mit den einher gehenden Folgen der Bodenerosion und -verarmung, dem Ausbleiben von Süßwasserzufuhr und letztendlicher Verödung oder Desertifikation ganzer Landstriche war Folge erster zivilisatorischer Gehversuche des Menschen. Meist waren die Hüttenindustrie und etwas später der massive Flottenausbau für teilweise irreversible Umweltschäden verantwortlich. Interessanterweise hatte diese Ausbeutung natürlicher Ressourcen nicht nur massive Umweltschäden, sondern auch erste Rohstoffknappheiten und entsprechende Schutzmaßnahmen zur Folge. So wurde die Eibe (Taxus baccata) als unverzichtbares Bogenholz bereits im Mittelalter in England unter strengen Naturschutz gestellt.
Bedingt durch die große Holznot am Anfang des 19. Jahrhunderts in Deutschland, gründete sich die geregelte Forstwirtschaft und prägte kurz darauf erstmalig den Begriff der Nachhaltigkeit. Mit dem Beginn der industriellen Revolution war Holz, bedingt durch seine im Vergleich geringere Energiedichte und damals nur schwer kalkulierbaren Verfügbarkeit, nicht mehr der bevorzugte Energieträger. Es wurde vielmehr erst durch Kohle und später zusätzlich durch Erdöl und Erdgas ersetzt.
Durch Erschließung entsprechender Lagerstätten schien der Mensch unerschöpfliche und jederzeit verfügbare fossile Energiequellen erschlossen zu haben. Mit dem steigenden Verbrauch natürlicher Kohlenstoffsenken ging jedoch auch ein kontinuierlicher Anstieg der Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre einher. Dabei nehmen neben den Verbrennungskraftwerken auch die Industrie, der Verkehr sowie Brandrodungen als Emittenten eine gewichtige Rolle ein (LUDOLPH, 2004).
So stieg der atmosphärische Gehalt an Kohlendioxid innerhalb von nur 200 Jahren von 0,28‰ (1790) um ein Viertel auf 0,35‰ (1990) an. Nimmt man die verstärkende Wirkung weiterer zusätzlich freigesetzter, klimarelevanter Spurengase wie Methan, Distickoxid oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe hinzu, erreichte der äquivalente Kohlendioxidgehalt in der Erdatmosphäre bereits 1990 den Wert von 0,42‰ (FABIAN, 1992; HEINLOTH, 1995).
Im Jahre 1993 waren 5,6 Milliarden Menschen für eine jährliche CO2-Emission von 22,3 Milliarden Tonnen verantwortlich (LUDOLPH, 2004).
Kohlendioxid ist aufgrund seiner Absorptionseigenschaften solarer Wärmestrahlung und als essentieller Bestandteil der pflanzlichen Photosynthese unverzichtbar für das Leben auf der Erde. Die bereits beschriebene, anthropogen verursachte Freisetzung des CO2 und anderer Spurengase durch Aufschluß fossiler Kohlenstoffsenken führt jedoch langfristig zu einer zusätzlichen Erwärmung der Erdatmosphäre, die weitreichende Folgen bis hin zum globalen Klimawandel haben kann. Da CO2 im Vergleich mit den weiteren Spurengasen zu über 50% für den Treibhauseffekt verantwortlich ist, kommt diesem Gas eine besondere Bedeutung zu. Es soll jedoch ergänzt werden, dass auch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (22%) und Methan (13%) eine wichtige Rolle sowohl beim natürlichen als auch anthropogenen Treibhauseffekt spielen (LUDOLPH, 2004).
Wenn auch mangels kurzfristiger Alternativen die energetische Nutzung fossiler Energieträger noch in naher Zukunft den weitaus größten Anteil am Gesamtenergieaufkommen ausmachen wird, ist die sofortige Entwicklung geeigneter Strategien zur Abwehr eines drohenden Klimawandels und der sich abzeichnenden Rohstoffknappheit in den Fokus der Weltöffentlichkeit gelangt.
Bereits seit Ende der Siebziger Jahre versucht die internationale Staatengemeinschaft auf diese Entwicklungen zu reagieren. Die wichtigsten Etappen internationaler Klima- und Energiepolitik sind im Folgenden chronologisch aufgefĂĽhrt:
1979 Erste Weltklimakonferenz in Genf
1980 "Global 2000" Bericht im Auftrag von US-Präsident Carter
1987 Brundtland Report: AbschluĂźbericht "Our Common Future" wird vorgelegt
1990 Zweite Weltklimakonferenz in Genf
1991 "Erdgipfel" in Rio de Janeiro - Klimarahmenkonvention wird von 154 Staaten unterzeichnet
1997 Verabschiedung des Kyoto-Protokolls
2001 USA steigen aus Kyoto-Protokoll aus
2002 USA verabschiedet nationales Klimaschutzprogramm
2002 Ratifizierung des Kyoto-Protokolls durch EU und Deutschland
2002 Weltgipfel nachhaltige Entwicklung in Johannesburg
2005 Start des Emissionshandels in der EU
2005 Kyoto-Protokoll tritt in Kraft
mehr zum Thema Klimaschutz im Lexikon der Nachhaltigkeit...
Der Strommarkt der Bundesrepublik Deutschland
Deutschland ist mit einem Verbrauch von knapp 500 Millionen Tonnen SKE der fünftgrößte Energiemarkt der Welt. Zur Deckung seines Bedarfs muss dieser Markt 60% der benötigten Energie sowohl in Form primärenergetischer Rohstoffe als auch in Form elektrischen Stroms importieren (GVST, 2004).
Der Strommarkt in Deutschland war vor 1998 klar aufgeteilt. Es existierten festgelegte Versorgungsgebiete, die von einem jeweiligen Versorgungsunternehmen monopolistisch bedient wurden. Dem Versorger gehörte unter anderem nahezu die gesamte energietechnische Infrastruktur, neben den Kraftwerken waren dies vor allem die Leitungsnetze innerhalb des garantierten Versorgungsgebietes.
Die vor 1998 agierenden öffentlichen Versorger seien im nachfolgend aufgeführt:
• Badenwerk AG
• Bayernwerk AG
• Berliner Kraft- und Licht AG (Bewag)
• Energie-Versorgung Schwaben
• Hamburgische Electricitäts-Werke AG (HEW)
• Preussen Elektra AG
• Rheinisch Westfälische Elektrizitätswerke AG (RWE)
• Vereinigte Elektrizitätswerke Westfalen AG (VEW)
• Vereinigte Energiewerke AG (VEAG)
1993 wurden 86,1% der erzeugten Elektrizität von diesen Unternehmen bereitgestellt. Weitere Stromproduzenten waren die Industrie (12,7%) sowie die Deutsche Bahn (1,2%). (vgl. HAKIUS, 2001).
Ein echter Wettbewerb auf dem Strommarkt fand bis 1998 nicht statt. Das sollte sich quasi über Nacht ändern. Pläne der EU, die Strommärkte innerhalb der einzelnen Mitgliedsstaaten zu liberalisieren, wurden, anders als in Rest-Europa, durch die damalige Regierung ohne Übergangszeit umgesetzt. Strom kann jetzt auch von Anbietern bezogen werden, die nicht im Bezugsgebiet des ehemals zuständigen Versorgers agieren. Dieser wird verpflichtet, die Durchleitung des „Fremdstroms“ durch seine Netze zu dulden, kann jedoch hierfür Durchleitungsgebühren verlangen, da er weiterhin uneingeschränkte Verfügungsgewalt über sein Verteilernetz hat.
SCHUMANN & ROSENKRANZ (2003) bezeichnen das Belassen der Verfügungsgewalt der Stromkonzerne über die Verteilernetze als den grundlegenden Konstruktionsfehler der Strommarktliberalisierung. Anders als bei der Neuordnung des Telekommunikationsmarktes hatte man es versäumt, eine diesbezügliche Regulierungsbehörde zu schaffen.
So reagierten die ehemaligen Gebietsmonopolisten auf die Liberalisierung umgehend, jedoch nicht, wie erhofft, mit Preisschlachten um neue Kunden und mehr Wettbewerb, sondern vor allem mit einer Fusionswelle nie gekannten AusmaĂźes.
zum Artikel von SCHUMAMM & ROSENKRANZ 2003...
Aus Preussen Elektra, VEBA und dem Bayernwerk entstand die heutige E.on.
Und die ehemalige VEW wurde von RWE geschluckt. Den Rest teilen sich die schwedische Vattenfall-Europe, in der die HEW und VEAG aufgingen, sowie die Energie Baden-WĂĽrttemberg (EnBW).
Da E.on und RWE jedoch die Mehrheit bei 41 der 54 regionalen Verteilerunternehmen und an mehr als 130 Stadtwerken halten, wurde ĂĽber Nacht aus einem Oligopol ein marktbeherrschendes Quasi-Duopol (vgl. SCHUMANN & ROSENKRANZ; 2003).
Im Gegensatz zu vielen anderen Ländern gibt es in Deutschland kein eigenständiges Energieministerium.
Nach DIEDERICH (2004) „...gehört die gesetzliche Regelung der Energiewirtschaft zur konkurrierenden Gesetzgebung. In erster Linie zuständig ist der Bund und innerhalb der Bundesregierung vor allem das Bundesministerium für Wirtschaft sowie in Angelegenheiten der Forschungs- und Technologieförderung das Bundesministerium für Bildung, Forschung- und Technologieförderung und in Nuklearsicherheitsfragen das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit.“
Die wichtigsten energiepolitischen Instrumente der vorangegangenen Rot-GrĂĽnen Regierung gelten bis zu ihrer eventuellen Novellierung bzw. Neufassung weiter und seien im Folgenden kurz aufgefĂĽhrt:
• das Gesetz zur Förderung der Erneuerbaren Energien (EEG)
• der Atomausstieg
• die Ökosteuer
• der Handel mit Emissionsrechten.
Bis 2020 sollten nach dem Willen der rot-grünen Regierung 20% des deutschen Strombedarfs aus regenerativen Energien gedeckt werden (derzeitiger Stand rund 10%). Weiterhin wurde eine stärkere Dezentralisierung des Energiewesens angestrebt. Kohlekraftwerken sollte auch weiterhin eine bedeutende Rolle zufallen, der Atomausstieg war beschlossen, ist jedoch aktuell wieder in den Fokus der öffentlichen Diskussion gelangt.
Die wichtigsten Argumente der vorangegangenen Rot-Grünen Bundesregierung für diese angestrebte Entwicklung waren vor allem der Beitrag Erneuerbarer Energien zum Klimaschutz durch Vermeidung von CO2–Emissionen sowie die Wirkung dieses recht jungen Industriezweiges als Beschäftigungsmotor. Die durchweg mittelständig geprägte Windkraftbranche zum Beispiel setzte 2003 mit 3,5 Milliarden Euro jährlich mehr um als alle Unternehmen der Bio- und Gentechnologie zusammen (ROSENKRANZ & SCHUMANN, 2003). Derzeit sind in Deutschland knapp 15.000 Windkraftanlagen am Netz- auch für den ehemaligen Umweltminister Jürgen Trittin eine beispiellose Erfolgsgeschichte. Mit dieser Entwicklung einher geht eine rasante technische Entwicklung der Anlagen, deren installierte Einzel-Nennleistung derzeit bis 5 Megawatt beträgt.
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Energie-Physikalische Grundlagen und Begriffe
Physikalische Grundlagen
Eine anschauliche, wenn auch aus heutiger Sicht leicht unvollständige Fassung der wichtigsten Eigenschaft des Begriffes „Energie“ (aus dem Griechischen en-ergeia, wirkende Kraft – vgl.HARTMANN, 2004) lieferte Max Planck 1897:
„Energie ist die Fähigkeit eines Systems, äußere Wirkungen hervorzubringen.“
Energie wird jedoch oft auch als
„...die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten oder Wärme abzugeben“
definiert (aus: HARTMANN, 2004). Die energetischen Erscheinungsformen können sehr unterschiedlich sein: Energie als Bewegungs- oder Ruheenergie (kinetische E. und potentielle E.), in Form von Wärme oder elektromagnetischen Wellen, chemische Energie und als elektrische Energie. Energie kann von einer Form in die andere überführt werden, geht jedoch nach dem ersten Satz der Thermodynamik („Energieerhaltungssatz“) nie verloren. Die Summe aus allen Erscheinungsformen der Energie bleibt innerhalb eines geschlossenen Systems immer gleich (HAKIUS 2001). Im Rahmen dieses Textes ist unter dem Begriff „Energie“ ausschließlich elektrische- und Wärmeenergie gemeint.
mehr zu Grundlagen der Thermodynamik hier...
Elektrische Energie (Strom) entsteht aus gerichteter Elektronenbewegung, die innerhalb eines negativ und positiv gepolten Leiters stattfindet. Die Fließrichtung kann sowohl gleichlaufend (Gleichstrom) als auch permanent wechselnd (Wechselstrom) sein. Elektrischer Strom wird in der überwiegenden Anzahl heutiger Kraftwerke aus der Umwandlung von Wärmeenergie erzeugt.
mehr zum Thema elektrischer Strom hier...
Wärmeenergie entsteht bei Abstandsänderungen von Elektronen vom Idealorbitalumlauf. Die mit der Beherrschung des Feuers bereits seit Jahrtausenden gebräuchlich genutzte Form der Wärmeenergie kann vereinfacht auch als „Schalenenergie“ bezeichnet werden. Diese wird frei, wenn Elektronen zum Verlassen ihrer angestammten Orbitale gezwungen werden. Dieser Prozess läuft bei normaler oxidativer Verbrennung ab und ist z.B. die physikalisch/chemische Grundlage aller fossil befeuerten Kraftwerkstypen. Aufgrund der geringen Bindungskräfte zwischen Atomkern und Schale werden hier im Verhältnis zur Menge eingesetzten Brennstoffes relativ geringe Energiemengen frei.
Ein um vielfaches höheres Energiepotential kann bei der Trennung von Teilen innerhalb des Atomkerns nutzbar gemacht werden. Die zwischen den Kernteilchen herrschenden elektrostatischen Bindungskräfte sind so gewaltig, dass bei Kernspaltung eine ungeheure Energiemenge freigesetzt wird, die scheinbar in keinem rationalen Verhältnis zur äußerst geringen Menge an benötigtem Spaltmaterial steht. Diese umgesetzten, in der Größenordnung der Bindungskräfte liegenden Energiemengen betragen mehrere 106 Elektronenvolt. Bekanntermaßen nutzen ausschließlich Atomkraftwerke die im Atomkern steckenden Bindungskräfte zur friedlichen Energiegewinnung (DOGIGLI, 1958; HARTMANN, 2004).
mehr Grundlegendes und Wissenswertes zum Thema “Energie” hier...
Energieverwendung
Verwendung findet Energie vor allem zur Verrichtung mechanischer und elektrischer Arbeit, zur Raumwärme- und Warmwassererzeugung sowie zur Bereitstellung von Prozesswärme für industrielle Anwendungen (HOLZBAUR et al. 1996).
Energieumwandlung
Nach HAKIUS (2001) muss die Erscheinungsform von Energie, bevor sie nutzbar wird, in den meisten Fällen erst umgewandelt werden. Die Energiearten, die in den unterschiedlichen Stadien der Transformation anzutreffen sind, seien umseitig stichpunktartig erläutert:
Primärenergie:
der Energieinhalt aller in der Natur vorkommenden Energieträger wie zum Beispiel Erdöl, Erdgas, Kohle, Kernbrennstoffe, Holz, Biomasse, Biogas, die noch keiner Umwandlung unterworfen wurden
Sekundärenergie:
der Energieinhalt von aus Umwandlung von Primärenergieträgern erzeugten Energieträgern wie zum Beispiel Heizöl, Benzin, Diesel, Strom
Endenergie:
Energieinhalt des vom Verbraucher eingesetzten Energieträgers (Primärenergieträger oder Sekundärenergieträger)
Nutzenergie:
vom Verbraucher nach Umwandlung in andere Energieformen (wie zum Beispiel Heizwärme, mechanische Arbeit, Licht) genutzte Endenergie
(nach: HOLZBAUR et al. 1996; HAKIUS 2001)
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Energetischer Wirkungsgrad
Innerhalb der Umwandlungskette von Primärenergie zu Nutzenergie kommt es zu Energieverlusten, die in Abhängigkeit zu den am Transformationsprozess beteiligten Größen (Energiegehalt der Primärenergie, technischer Entwicklungsstand der Verbrauchseinrichtung für Nutzenergie, Transformationstechnologie etc.) unterschiedliche Effizienzgrade aufweisen. Zum Effizienzvergleich wird in den meisten Fällen der Wirkungsgrad (Griechisch: eta) herangezogen:
Wirkungsgrad = gewonnene Energie / aufgewendete Energie
Da während der Umwandlung in Nutzenergie immer Verluste auftreten, ist der Wirkungsgrad stets kleiner als Eins. Der Wirkungsgrad wird in der Regel in Prozent angegeben (HAKIUS 2001). Das folgende anschauliche Beispiel aus HARTMANN (2004) soll dies anhand einer Glühlampe verdeutlichen:
„Aus 100 % Kohle als Primärenergieträger wird im Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad Eta=0,37 elektrische Energie erzeugt. Bei Transport und Verteilung der elektrischen Energie gehen ca. 10 % verloren, d.h. es ist Eta=0,9. Schließlich wird nun in der Leuchte nur ein Anteil von rund 10 % der eingespeisten elektrischen Energie in die Nutzenergie Licht umgewandelt, d.h. es gilt Eta=0,1. Der Rest wird als Wärme abgestrahlt. Für Etages resultiert damit ein Wert von 0,033, d.h. nur ca. 3,3 % der eingesetzten Primärenergie werden in Nutzenergie (hier Licht) umgewandelt.“
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Energieträger
Energieträger werden definiert als Energierohstoffe in ihrer natürlichen Form und vor jeglicher Umwandlung, die eine gewisse Energiemenge pro Volumen- oder Masseneinheit beinhalten (HARTMANN (2004). Diese Energieträger werden auch als rohstoffgebundene Energiequellen bezeichnet. Hierzu zählen zum Beispiel alle fossilen Energieträger wie etwa Kohle, Erdöl oder Erdgas, jedoch auch Uran als Kernbrennstoff (HOLZBAUR et al., 1996). Des Weiteren müssen auch das Sonnenlicht sowie Erdwärme und Gravitation/Fliehkraft als Energieträger aufgeführt werden, die kontinuierlich eine gewisse Leistung je Fläche liefern und für die Erneuerbaren Energien von essentieller Bedeutung sind.
Primäre Energieträger liefern stets Energie ohne Energieeinsatz (HARTMANN; 2004).
Derzeit wird der weit überwiegende Teil des weltweiten Energiebedarfs durch den Einsatz und Verbrauch fossiler Energieträger gedeckt, deren entscheidende Vorteile eine hohe Energiedichte und ihr nahezu weltweites Vorkommen sind. Darüber hinaus sind sie speicherfähig und können im Dauerlastbetrieb kontinuierlich und bedarfsgerecht abgerufen werden. Problematisch sind jedoch die Endlichkeit der abbaubaren fossilen Vorkommen und die zusätzliche Anreicherung der Atmosphäre mit klimaschädigenden Spurengasen.
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Nicht regenerative Energieträger
Nicht regenerative Energieträger- auch als erschöpfliche Energieträger bezeichnet, decken aktuell den weitaus größten Anteil des Primärenergiebedarfs der Welt. Ihre größten Vorteile liegen, wie bereits erwähnt, in deren hohen Energiedichten und ausgeprägten Speicherfähigkeit. Kohle war der wichtigste Energieträger der Industriellen Revolution. Diese Rolle wurde im 20. Jahrhundert vom Erdöl übernommen. Setzt sich die derzeitige Entwicklung steigenden weltweiten Energiebedarfs fort, werden die natürlichen, abbauwürdigen Uran –und Erdölvorkommen noch im Verlauf des 21. Jahrhunderts erschöpft sein. Es seien nun im Folgenden die bedeutendsten nicht regenerativen Energieträger vorgestellt.
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Kohle
Die Entstehung von Kohlelagerstätten ist, wie alle fossilen Primärenergieträger auch, eng an das Erdgeschichtlich weit zurückliegende natürliche Absterben und Anlagern höherer Landpflanzen gebunden. Durch sedimentative und/oder tektonische Vorgänge bedingte, steigende Druckverhältnisse führten letztlich zur Herausbildung unserer heutigen Braun-, Steinkohlen- und Anthrazitvorkommen (Inkohlung). Die Entstehung der Steinkohlen liegt erdgeschichtlich bedeutend weiter zurück als die der Braunkohlen und gründet sich auf tropische Sumpfwälder und Waldmoore, die vor 300-400 Millionen Jahren von Pflanzen wie Schachtelhalmen und Bärlappgewächsen bewachsen waren. Die bedeutend jüngeren Braunkohlenlagerstätten entstanden vor 40-60 Millionen Jahren. Die ehemaligen Braunkohlenwälder besaßen ein weit differenzierteres Artenspektrum als Steinkohlenwälder. Typische Vertreter waren unter anderem Sumpfzypressen, Mammutbäume, Palmen, Kiefern oder Erlen.
Kohle ist nach seiner chemischen Zusammensetzung kein reiner Kohlenstoff, sondern es handelt sich vielmehr um ein kompliziert zusammengesetztes Gemisch aus hochmolekularen Kohlenstoffverbindungen, die neben Kohlenstoff zumeist noch Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel enthalten (OSTEROTH, 1989).
mehr zur Kohleentstehung hier...
Kohle stellt neben dem Erdöl den bei weitem bedeutendsten fossilen Primärenergieträger der Neuzeit dar. Seit dem Beginn der Industriellen Revolution in England, insbesondere mit der Erfindung der Dampfmaschine, wird die in Kohlen in hoher Konzentration enthaltene Primärenergie intensiv genutzt. Kohleverbraucher siedelten in der Anfangszeit der Industrialisierung vorwiegend in Regionen, in denen Kohlelagerstätten vorhanden waren.
Im Verlauf des 20. Jahrhunderts wurden Braun- und Steinkohle in einigen Bereichen (z.B. Treibstoffe) sukzessive durch die Verwendung von Erdöl ersetzt. Volkswirtschaften ohne nennenswerte eigene Erdölvorkommen (z.B. China) sind auch heute noch stark auf die energetische Nutzung von Stein- und Braunkohle fokussiert. Als historisches Beispiel sei die ehemalige DDR aufgeführt, in der die Braunkohle den einzigen in relevanten Größenordnungen verfügbaren fossilen Primärenergieträger zur Sicherung der energetischen Grundversorgung der Volkswirtschaft darstellte.
Auch in der wiedervereinigten Bundesrepublik Deutschland hat die Kohle nach wie vor einen wesentlichen Anteil am Gesamt-Primärenergieverbrauch. Im Jahre 2001 betrug in der Bundesrepublik Deutschland der Anteil des Verbrauchs an Kohle (Braun- und Steinkohle) 24,3% des Gesamt-Primärenergieverbrauchs, wobei Mineralöle 38,5 % und Erdgas 21,5% ausmachten (HARTMANN,L., 2004). So ist die Bundesrepublik Deutschland mit 175 Millionen Tonnen Jahresförderung nach wie vor der größte Braunkohleproduzent der Welt. Der aktuelle Gesamtvorrat an Steinkohle in Deutschland wird auf 23 Milliarden Steinkohleeinheiten geschätzt. Der angenommene Vorrat an deutscher Braunkohle beträgt derzeit 12,5 Milliarden Tonnen Steinkohleneinheiten (REICHEL, 2004).
virtuelles Steinkohlebergwerk...
Die energetische Nutzung von Braun- und Steinkohle geschieht in der Regel in „konventionellen“ Verbrennungskraftwerken. Die über bzw. unter Tage gewonnene Rohkohle wird zur Verbesserung der Brennstoffeigenschaften und Minimierung negativer Umweltauswirkungen einer Vorbehandlung unterzogen (z.B. Entschweflung, Zerkleinerung). Der Primärenergieträger wird dann innerhalb einer Umwandlungskette über Sekundärenergie (z.B. Wasserdampf) und Endenergie (z.B. elektrischer Strom) in Nutzenergie (z.B. Licht) umgewandelt (HARTMANN, 2004).
Die technische Entwicklung von Steinkohlekraftwerken hat seit dem 19. Jahrhundert besonders im Hinblick auf die Erzielung höherer Nettowirkungsgrade große Fortschritte gemacht. Moderne Kraftwerkstypen arbeiten heute bei herkömmlicher Produktionstechnik mit Wirkungsgraden, die zwischen 37% und 42% liegen. Betrug der Verbrauch je produzierter Kilowattstunde Strom im 19.Jahrhundert noch 12 kg Steinkohle, werden heute für die gleiche Stromausbeute noch 0,316 kg Steinkohle benötigt. Der CO2- Ausstoß reduzierte sich im gleichen Zeitraum von 32kg CO2/1 kWh auf nur noch 0,82 kg CO2/1 kWh. Noch höhere Wirkungsgrade von ca. 60% (HARTMANN, 2004) lassen sich bei fossil befeuerten Kraftwerken durch den Einsatz kombinierter Gas- und Dampfturbinen (GuD-Kraftwerke) und durch den Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung erzielen (LUDOLPH, 2004).
Ähnliche Effizienzsteigerungen gelten für modernisierte bzw. neue Braunkohlekraftwerke. Mit der nach der Wiedervereinigung Deutschlands begonnenen und jetzt weitgehend abgeschlossenen Modernisierung des ostdeutschen Braunkohle-Kraftwerksparks wurden die Vorgaben des Kyoto-Protokolls durch Deutschland bereits bei Unterzeichnung weitgehend erfüllt (SCHUMANN & ROSENKRANZ, 2003). Im Februar 2005 hatte Deutschland so bereits eine Reduktion der klimarelevanten Treibhausgase um 19% im Vergleich zum Referenzjahr 1990 vorzuweisen (SZYJA, 2005). In den kommenden zwei Dekaden werden aufgrund veralteter Kraftwerkstechnik vor allem in den Alt-Bundesländern neue Kapazitäten im Umfang von 40.000 Megawatt Leistung benötigt, entsprechend der Größe von etwa 30 Atomkraftwerken der Brokdorf-Klasse (SCHUMANN & ROSENKRANZ, 2003). Wärmekraftwerke der neueren Generation erreichen bedeutend höhere Wirkungsgrade bei gleichzeitig um 40% geringeren CO2-Emissionen, so dass die angestrebte Verpflichtung der Reduktion um insgesamt 21% im Vergleich zu 1990 durch weitere Kraftwerksmodernisierung problemlos erreicht werden kann (SCHUMANN & ROSENKRANZ, 2003).
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Erdöl und Erdgas
Die weitaus meisten Erdgasvorkommen sind an das Vorkommen von Erdöl gebunden, es wird in diesem Zusammenhang auch von assoziierten Erdgasen gesprochen. Aufgrund dieser Eigenschaft werden beide Energieträger im Rahmen eines gemeinsamen Kapitels behandelt.
Erdgas besteht zu einem weit überwiegenden Teil aus Methan (CH4). Weitere Bestandteile sind in der Regel Schwefelwasserstoff (H2S), Kohlendioxid (CO2) sowie in geringen Mengen Stickstoff (N) und Helium (He). Die Verteilung der Kompartimente kann schwanken, jedoch gibt OSTEROTH (1989) den durchschnittlichen Methananteil mit 80% an. Erdgas ist aufgrund seiner im Vergleich zur Steinkohle geringeren CO2-Emissivität geeignet, einen Austausch in der Verwendung fossiler Energieträger zu bewirken. Während die Verwendung von Steinkohle 93 kg CO2 Emission pro pro Giga-joule Wärmeerzeugung freisetzt, werden bei Verwendung von Erdgas nur 55 kg CO2 pro Gigajoule emittiert. Wegen der grundsätzlichen Endlichkeit von Erdgas wird dies jedoch nur für einige Jahrzehnte möglich sein (HEINLOTH, 1995).
Die Entstehung des Erdöls liegt erdgeschichtlich weit zurück. Bereits im Präkambrium begann es sich in flachen Binnenseen und Randmeeren aus winzigen, primitiven Lebewesen zu bilden. In warmen oberen Wasserschichten traten diese Lebewesen in Form von Plankton so zahlreich auf, dass die Gewässer einer sämigen Suppe geglichen haben müssen. Über geologische Zeiträume hinweg starben kontinuierlich Teile der Populationen ab und sedimentierten sich am Meeresboden. Diese Akkumulation abgestorbener organischer Substanz vermischte sich mit Sedimenten aus Flussläufen und Gebirgsbildung und wandelte sich unter Druck zu Erdöl um. Durch fortschreitende Drücke der Deckgebirge wurde das Öl letztendlich durch Gesteinsporen in seine heutigen Lagerstätten (poröse Kalk- und Sandsteine, Ölfallen) gepresst (OSTEROTH 1989).
mehr zur Entstehung von Erdöl und Erdgas hier...
Wie eingangs bereits erwähnt, stellt Erdöl mit einem Anteil von 40% am weltweiten Primärenergiebedarf aktuell den bedeutendsten Energieträger dar. Der Grund dafür ist, dass es einige herausragende Eigenschaften aufweist.
So ist seine Energiedichte im Vergleich zu anderen Primärenergieträgern besonders hoch, wie in nachfolgender Vergleichsreihe ersichtlich wird (HOLZBAUR et al., 1996).
1 kg Erdöl: ca. 1,5 SKE | 1m³ Erdgas: 1,35 SKE | 1 kg Brennholz: 0,57 SKE
Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, dass Erdöl flüssig und somit leicht förder- und transportierbar ist. Letzteres gilt auch für Erdgas. Beide Primärenergieträger sind durch Pipelines auch über geographisch große Entfernungen zum Abnehmer transportierbar, müssen also nicht zwingend in unmittelbarer Nähe der Lagerstätten weiterverarbeitet werden. Dies ermöglicht auch eine Förderung auf dem Meer.
mehr zum Thema Erdöltransport hier...
Sichere Angaben über die derzeit noch vorhandenen Reserven gibt es nicht, nach Erhebungen der Petroconsultants-Datenbank in Genf nehmen die Erdölreserven jedoch bereits seit 20 Jahren kontinuierlich ab, da die Neufunde nicht mehr in der Lage sind, den Verbrauch auszugleichen. Im Jahre 2000 gab es nach Schätzungen der Petroconsultants-Datenbank noch weltweite Ölreserven von ca. 800 Gigabarrel (HARTMANN, 2004).
mehr Informationen zum nahen Ende des Ă–lzeitalters hier...
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Kernenergie
Kernenergie macht sich die elektrostatischen Bindungskräfte zwischen den Atomkerne bildenden Teilchen (Protonen und Neutronen) zunutze. Diese Bindungskräfte können bis zu 106 Elektronenvolt betragen (DOGIGLI, 1958).
Zur Energiefreigabe müssen Kernteilchen durch Abspaltung oder Fusion zum Verlassen ihrer angestammten Position gebracht werden. Ergebnis von Kernspaltung und -fusion ist neben der massenäquivalenten Energiefreigabe stets die Entstehung neuer Elemente.
mehr zum Thema Kernenergie hier...
Kernspaltung
Bei Zerfall eines Uran 236 - Kerns werden Neutronen frei, welche sich an Uran 235 -Kernen unter Bildung von Uran 236 anlagern und dieses unter erneuter Neutronenabgabe wiederum zum Zerfall bringen. Sind genügend Uran 235 Kerne vorhanden (kritische Masse), kommt eine selbständig ablaufende Kettenreaktion in Gang. Die Spaltvorgänge führen zu Massenverlusten, das heißt, die Summe der Massen der Spaltprodukte ist geringer als die Masse des ursprünglich eingesetzten Kernbrennstoffs Uran 235. Der Massenverlust (m) verhält sich äquivalent zur Energiefreigabe (E), da gilt:
E = m * c²
(HOLZBAUR et.al, 1996).
Die Energiefreigabe kann sowohl ungesteuert bzw. ungebremst (Kernwaffen) als auch gesteuert bzw. gebremst (Atomreaktoren) ausgelöst werden.
mehr zur Kernspaltung hier...
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Kernfusion
Während einer Kernfusion verschmelzen zwei Wasserstoffatome zu einem Heliumatom unter Freisetzung der Bindungsenergie. Dieser Prozess läuft permanent auf der Sonne ab.
Das nutzbare energetische Potential wäre auch auf der Erde nahezu unerschöpflich, da Wasserstoff als Brennstoff - anders als Uran - im Universum praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht. Ein Fusionsreaktor würde die Energiefrage auf der Erde somit schlagartig lösen, doch liegt seine technische Entwicklung zur Praxisreife noch in weiter Ferne, auch wenn diesbezüglich immer wieder Anstrengungen unternommen werden (HOLZBAUR et.al, 1996).
mehr zum Fusionsreaktor-Projekt ITER hier...
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Zivile Kernkraftnutzung in der öffentlichen Diskussion
Ăśber kaum eine andere Energiequelle wurde in den letzten Jahren so kontrovers diskutiert wie ĂĽber Atomkraft. Grund dafĂĽr ist die wohl einzigartige Mischung aus positiven und negativen Attributen.
So ist Kernkraft zumindest vom Standpunkt des Klimaschutzes eine der saubersten Technologien zur Stromerzeugung überhaupt. Die gasförmigen Emissionen großer Kernkraftwerke beschränken sich im Wesentlichen auf reinen Wasserdampf aus dem Kühlkreislauf. Klimarelevante Gase werden nicht emittiert.
Im Jahr 2004 betrug der Anteil der Kernenergie am deutschen Strommix etwa 30%. Würde dieser Anteil ebenfalls durch fossil befeuerte Kraftwerkstypen abgedeckt, läge die jährliche deutsche CO2 -Emission um etwa 150 Millionen Tonnen höher (LUDOLPH, 2004; HEINLOTH, 1995). Kernenergie wirkt einem weiteren Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre zumindest verlangsamend entgegen.
Ein weiteres, oft gehörtes Argument pro Kernkraft sind die günstigen Gestehungskosten für Atomstrom. Jedoch muss in diesem Zusammenhang erwidert werden, dass in die Berechnung des Strompreises noch nicht die externen Folgekosten eingehen, die nach der Nutzung für die ungefährliche Zwischen- und Endlagerung abgebrannter Brennelemente über mehrere tausend Jahre zulasten der Allgemeinheit anfallen werden.
In Deutschland fallen jährlich 550 bis 600 Tonnen hochradioaktiven Mülls an. Die Frage eines Standortes zur sicheren Endlagerung ist nach wie vor völlig ungeklärt.
Da auch die weltweiten Uranvorkommen erschöpflich sind, ist die Möglichkeit einer energetischen Nutzung der Kernspaltung zudem zeitlich begrenzt.
Deutsche Atomkraftwerke gelten zwar als die sichersten der Welt. Doch die Katastrophe von Tschernobyl hat eindringlich gezeigt, dass Super GAU-Ereignisse zumindest theoretisch jederzeit und überall möglich sind. Das Ereignis hat auch bewiesen, welche globalen Auswirkungen ein solcher Unfall haben kann. Die Tschernobyl Katastrophe vom 26.04.1986, bei der das 2000fache der Radioaktivität der Hiroshimabombe über der Nordhemisphäre freisetzt wurde, gilt nach wie vor als das größte von Menschen verursachte Desaster der Geschichte. Das Ausmaß der damit verbundenen negativen externen Umweltwirkungen ist monetär kaum eindeutig bezifferbar. Bei vorsichtiger Schätzung dürfte jedoch ein Mindestschaden von mehreren hundert Milliarden Euro entstanden sein.
mehr zur Tschernobyl-Katastrophe hier...
Aufgrund anhaltenden Widerstands großer Teile der Bevölkerung nimmt die Kernkraftnutzung in Deutschland nur mäßig zu, während sie in weltweitem Maßstab betrachtet jedoch weiter an Bedeutung gewinnt. In anderen europäischen Ländern liegt der Anteil der Atomenergie an der gesamten Stromerzeugung zum Teil wesentlich höher als in Deutschland. So wurde in Frankreich die Nutzung der Kernenergie in den letzten Jahren überproportional ausgebaut. Deckte Frankreich 1985 noch 48% seines Strombedarfs aus Kernenergie (HOLZBAUR et al., 1996), lag dieser Anteil im Jahr 2004 bereits bei etwa 75% (LUDOLPH, 2004).
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Regenerative Energiequellen
Das Spektrum der nutzbaren erneuerbaren Energiequellen ist groß und eine allgemeingültige Einteilung schwierig. Es wird im Folgenden in wesentlichen Teilen auf die Systematik von HARTMANN (2004) aufgebaut. Technische Nutzungsmöglichkeiten regenerativer Energiequellen wurden im Rahmen der Erläuterung jeweils in Klammer [] gesetzt.
Alle für den Menschen nach derzeitigem Stand der Technik nutzbaren regenerativen Energiequellen finden ihren Ursprung in physikalischen Wirkungen der drei Himmelskörper Erde, Erdmond sowie der Sonne.
Atomare Zerfallsvorgänge im Erdinnern erzeugen dauerhaft zur Verfügung stehende Tiefenerdwärme [Geothermiekraftwerke].
Aufgrund seiner Nähe zur Erde bewirkt die Gravitation des Mondes zum Teil beachtliche Tidenhübe von mehreren Metern [Gezeitenkraftwerke].
Das bei weitem größte Spektrum erneuerbarer Energiequellen generieren die Kernfusionsvorgänge der Sonne. Die verschiedenen Energieformen und Möglichkeiten der Nutzung seien im Folgenden in Anstrichen genannt:
• Verdunstung und Niederschlag [Laufwasserkraftwerke]
• Wind [Windkraftwerke]
• Schmelzen [Gletschereiskraftwerke]
• Wellenbewegung [Wellenkraftwerke]
• Meeresströmung [Strömungskraftwerke]
• Erwärmung der Erdoberfläche und der Atmosphäre [Meereswärmekraftwerke, Wärmepumpenanlagen]
• Biomasseaufbau [Biomassekraftwerke]
• Direkte solare Einstrahlung [Photovoltaikanlagen, Solarthermie-Anlagen]
weiteres zum Thema Energiequellen hier...
In den folgenden Abschnitten seien die derzeit wichtigsten regenerativen Energien und ihre technischen Nutzungsmöglichkeiten kurz näher vorgestellt. Es sei bereits jetzt voranzustellen, dass jede Form der Nutzung erneuerbarer Energiequellen spezifische Eigenarten und auch entsprechende Vor- und Nachteile vorweisen kann.
Zentrale zukünftige Aufgabe muss daher die Generierung eines regenerativen Energiemixes sein, der Umweltverträglichkeit mit Wirtschaftlichkeit und Versorgungssicherheit nachhaltig verbindet.
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Windkraft
Wind ist bewegte Luft und entsteht beim Ausgleich atmosphärischer Druckunterschiede. Druckgradienten entstehen in der Atmosphäre immer dann, wenn Luft durch solare Einflüsse erwärmt und zum Steigen in höhere Schichten angeregt wird. Der resultierende Druckunterschied wird durch nachrückende Luftmassen ausgeglichen. Stets gilt: je stärker der Druckunterschied, desto höher die Windstärke. Luftmassenbewegung findet immer vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet statt.
Windstärken nach Beaufort (“Beaufort-Skala”)
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Windstärke
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Geschwindigkeit [m/s]
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Auswirkungen des Windes
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Windstille
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0
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0-0,2
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Rauch steigt gerade empor
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Leichter Zug
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1
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0,3-1,5
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Windrichtung durch Rauch erkennbar
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Leichte Brise
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2
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1,6-3,3
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Wind im Gesicht fühlbar, Blätter säuseln
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Schwache Brise
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3
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3,4-5,4
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Blätter und dünne Zweige bewegen sich
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Mäßige Brise
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4
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5,5-7,9
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Bewegte Zweige und dĂĽnne Ă„ste, Staub hebt sich
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Frische Brise
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5
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8,0-10,7
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Kleine Bäumchen beginnen zu schwanken
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Starker Wind
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6
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10,8-13,8
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Pfeifen an Drahtleitungen
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Steifer Wind
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7
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13,9-17,1
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FĂĽhlbare Hemmung beim Gehen
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StĂĽrmischer Wind
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8
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17,2-20,7
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Bricht Zweige von Bäumen
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Sturm
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9
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20,8-24,4
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Kleinere Schäden an Häusern und Dächern
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Schwerer Sturm
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10
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24,5-28,4
|
Entwurzelte Bäume, bedeutende Schäden
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Orkanartiger StĂĽrm
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11
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28,5-32,6
|
Schwere Sturmschäden
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Orkan
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12
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> 32,7
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Kommt nur auf offener See vor
|
Die Nutzung der Windkraft gehört neben der Verbrennung lignocellulosehaltiger Biomasse und der Wasserkraft zu den ältesten Anwendungen regenerativer Energien der Menschheitsgeschichte. Bereits im Altertum diente der Wind als bevorzugter Energieträger zur Fortbewegung auf den Weltmeeren. Windkraft spielte so neben der Beherrschung des Feuers eine entscheidende Rolle bei der Besiedelung auch schwer zugänglicher Erdregionen durch den Menschen.
Als erstes Seefahrervolk der Geschichte gelten die Phönizier, die 2000 v.u.Z. begannen, Handel über die Weltmeere zu treiben (RACKWITZ, 1986). Es ist jedoch wahrscheinlich, dass die Ur-Polynesier bereits bedeutend eher die Kunst des Segelns beherrschten.
Ihre technische Vollendung erlangte die Segelschiffahrt im ausgehenden 18. und beginnenden 19. Jahrhundert mit dem Bau groĂźer Linienschiffe und schnellfahrender Teeklipper.
Mit Verbesserung der Dampfmaschine und leistungsstärkeren Schiffsschrauben wurden die Segelschiffe im 19. Jahrhundert sukzessive durch Dampfschiffe ersetzt. Die letzten Großsegler wurden am Anfang des 20. Jahrhunderts aus dem Liniendienst genommen und größtenteils abgewrackt.
Eine zweite, nicht weniger alte und heute wieder entdeckte Form der Windkraftnutzung ist die Windmühle. In der Antike und im Mittelalter wurden Mühlen zum Antrieb von Schöpfwerken, Mahlsteinen und Schmiedehämmern verwendet. Während windgetriebene Getreidemühlen heute kaum noch anzutreffen sind, finden entsprechende Schöpfwerke zur Feldbewässerung bis heute ihre Anwendung vor allem in Entwicklungsländern.
Die Technologie der Windkraftkonverter zur direkten Erzeugung von elektrischem Strom wurde bereits im ausgehenden 19. Jahrhundert entwickelt. Ihre weitgehende technische Vollendung erfuhr sie jedoch erst ab den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts, als insbesondere in den USA, Dänemark und Deutschland entsprechende Versuchsanlagen entstanden. Moderne Windkraftkonverter arbeiten heute in Leistungsbereichen von wenigen Kilowatt bis mehreren Megawatt.
Die Technologie der Windkraftkonverter gilt heute allgemein als ausgereizt. Ingenieurtechnische Quantensprünge sind für die nächsten Jahre kaum zu erwarten, wohl aber weitere Optimierungen und die Konstruktion und Implementierung immer grösserer Anlagen im weit einstelligen Megawattbereich.
Für Länder mit begrenztem bzw. weitgehend ausgereiztem Angebot an geeigneten Binnenstandorten (z.B. Dänemark, Deutschland) ist seit einigen Jahren ein Ausweich-Trend auf Seestandorte (Offshore-Anlagenparks) zu beobachten.
wesentliche Vorteile der Windkraftnutzung sind:
• technologisch am weitesten ausgereifte Nutzungsoption erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung
• hohe Leistungsbereiche und gute Gesamtenergiebilanzen
• keine Emission klimarelevanter Treibhausgase
• Offshore-Betrieb möglich
Einziger wesentlicher Nachteil der Windkraftnutzung ist deren mangelnde Dauerlastfähigkeit.
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Wasserkraft
Wasserkraft ist neben der Verbrennung von Holz und der maritimen Windkraftnutzung eine der ältesten, anthropogen genutzten Energiequellen überhaupt. Erste Anlagen der Wasserkraftnutzung (Schöpfwerke) entstanden wahrscheinlich bereits vor 5.000 Jahren in Mesopotamien.
Ist von Wasserkraft die Rede, wird meist auf die energetische Nutzung der kinetischen Energie von Fließgewässern angesprochen. Weitere, jedoch derzeit nur ansatzweise genutzte Möglichkeiten bestehen in der entsprechenden Nutzung von Schmelzwassern, Wellenbewegungen und Meeresströmung. Die Gesamtheit dieser Erscheinungsformen ist letztlich auf Sonnenaktivitäten zurückzuführen. Eine Ausnahme bilden die lunar induzierten Tidenhübe. Sie werden daher gesondert behandelt.
Ursprung des energetisch nutzbaren Laufwassers sind die Verdunstungs- und Niederschlagsvorgänge des Wasserkreislaufs der Erde. Durch solare Hebung erfährt es eine potentielle Energie, die bei Abregnen auf Landmassen durch die Gravitation der Erde unmittelbar in kinetische Energie umgewandelt wird.
Bei kleinen zur Verfügung stehenden Wassermengen kommen Wasserräder zur Anwendung. Für großtechnische Lösungen werden jedoch in der Regel ausschließlich Turbinen eingesetzt (HAKIUS, 2001). Unter anderem nach HARTMANN (2004) ist der Turbinentyp abhängig von Fallhöhe und Wassermenge:
• Pelton-Turbinen für kleine Wassermengen bei großer Fallhöhe
• Francis-Turbinen für mittlere Wassermengen und bei mittleren bis größeren Fallhöhen
• Kaplan-Turbinen für große Wassermengen und kleine Fallhöhen
• Durchströmturbinen für stark schwankende Wassermengen bei mittleren und kleinen Fallhöhen
nähere Infos zu Turbinen hier...
Ein gleich bleibend nutzbares Wasserangebot vorausgesetzt, besitzen Laufwasserkraftwerke den Vorzug, Grundlasten zuverlässig bedienen zu können. Bau und Betrieb großer turbinenbetriebener Wasserkraftwerke ist jedoch aus ökologischen und sozialen Gründen nicht unumstritten, da dies häufig mit massiven Eingriffen in bestehende Natur- und Siedlungsräume verbunden ist. Die Nutzung der Wasserkraft ist daher nicht unbegrenzt steigerbar.
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Geothermie
Die technische Nutzung von Erdwärme kann auf zwei Wegen erfolgen:
• Nutzung der Oberflächenwärme des Bodens
• Nutzung von Tiefenerdwärme (Tiefengeothermie)
Während die Oberflächenwärme des Bodens auf die obersten Meter der Erdoberfläche beschränkt und letztlich ebenfalls auf Sonnenaktivität zurückzuführen ist, gründet sich der energetische Ursprung von Tiefenerdwärme auf in der Erdkruste ablaufenden Zerfall langlebiger radioaktiver Isotope. Die potentielle radiogene Wärme noch vorhandener radioaktiver Isotope beträgt etwa 12 • 1030 J (nach KALTSCHMITT, in HAKIUS, 2001). Geothermie ist daher im Prinzip endlich. Da jedoch das vorhandene Potential nach Berechnungen von HAKIUS (2001) genügen würde, den weltweiten Primärenergiebedarf (Stand: 1998) noch mehrere Milliarden Jahre lang zu decken, kann die hypothetische Endlichkeit der Erdwärme guten Gewissens vernachlässigt und Geothermie den erneuerbaren Energiequellen zugeordnet werden.
Der geothermische Temperaturgradient beträgt in Mitteleuropa rund 30 °C/km. Genutzt wird derzeit hauptsächlich die hydrothermale Energie von Wasser, das entweder direkt aus tief gelegenen, natürlichen Quellen gefördert und später zurückgepumpt oder als Träger- und Speichermedium zur Erwärmung erst nach unten und anschließend wieder heraufbefördert wird.
mehr zum Thema Geothermie hier...
Tiefenerdwärme wurde in der Vergangenheit bevorzugt in Regionen genutzt, in denen diese dank günstiger tektonischer Gegebenheiten leicht zugänglich war (z.B. Island). In Deutschland müssen grundsätzlich Bohrungen vorgenommen werden, der Grad der Zugänglichkeit nutzbarer Tiefenerdwärme ist jedoch auch hier unterschiedlich. Insbesondere das Gebiet des Rheingrabens ist aufgrund seiner tektonischen Besonderheiten für geothermische Anwendungen sehr interessant. Auch im Nachbarland Böhmen bestehen gute Voraussetzungen zur Nutzung von Tiefenerdwärme. In Decin (Usti-Bezirk) wird bereits ein kommunales Großheizwerk mit 7 MW Leistung betrieben. Tschechische Studien geben allein für Nordböhmen ein theoretisch nutzbares geothermisches Energiepotential von 54.000 MWth an (HELLMICH, 2005).
Oberflächennahe Erdwärmenutzung durch Wärmepumpentechnik ist fast ausschließlich für den Privatsektor von Interesse.
Wesentliche Vorteile der Erdwärmenutzung sind:
• Energiegewinnung vor Ort möglich
• Dauerhaft und witterungsunabhängig verfügbar
• Stets gleichbleibende Wärmeversorgung möglich
Hemmend wirken sich noch die nach wie vor relativ hohen Kosten fĂĽr Bohrungen und Anlagenbau aus.
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Direkte Solarstrahlung
Die energetische Nutzbarmachung direkter Solarstrahlung erfolgt grundsätzlich über zwei Prinzipien:
• Photovoltaik zur Erzeugung elektrischen Stroms
• Solarthermie zur Wärmeerzeugung
Die jährliche solare Einstrahlung ist 15.000 mal höher, als der derzeitige globale Primärenergieverbrauch (WARSCHAU, 2004). Nur ein Bruchteil dieses Energiepotentials wird derzeit technisch genutzt. Globalstrahlung kann sowohl diffuser als auch direkter Ausprägung sein. Direkte Strahlung kommt aus direkter Sonnenrichtung. Diffuse Strahlung unterliegt atmosphärischer Lichtbrechung. In Deutschland beträgt nach WARSCHAU (2004) der Anteil diffuser Strahlung zirka 60 Prozent.
Photovoltaik
Das Prinzip der direkten Umwandlung von Solarstrahlung in elektrischen Strom wurde erstmals im Jahre 1839 von Alexander Bequerel entdeckt (HARTMANN, 2004; HAKIUS, 2001). Die Energieerzeugung findet in Halbleiterelementen (Solarzellen) statt. Durch Absorption des Sonnenlichts entstehen freie Ladungsträger, die im Halbleiter getrennt und über Kontakte abgeführt werden. Die in einer einzelnen Zelle produzierten Spannungen sind sehr gering (Leerlaufspannung zwischen 0,8-2,4 V). Zur Erzielung nutzbarer Ausbeuten werden daher mehrere Zellen zu Solarmodulen zusammengeschaltet. Der Wirkungsgrad photovoltaischer Elemente ist generell umso höher, je kühler die Solarzellen sind.
Die Jahresstromausbeute photovoltaischer Elemente wird durch geographischen Standort (Jahresglobalstrahlungsdauer), horizontale und vertikale Exposition und das eventuelle Vorhandensein von Störfaktoren (z.B. Verschattung) beeinflusst. Für Deutschland gilt die (nicht zu pauschalisierende) Faustregel, dass die Möglichkeiten erfolgreicher photovoltaischer Stromerzeugung umso günstiger sind, je weiter südlich sich der Anlagenstandort befindet.
mehr zum Thema Photovoltaik finden Sie hier...
Die Investitionskosten für Photovoltaikanlagen sinken aktuell etwas. Grund ist der rasche Ausbau der diesbezüglichen Produktionskapazitäten und der einhergehenden Massenproduktion, speziell auch in Deutschland.
Seit 01. Januar 2006 beträgt die Einspeisevergütung für Strom aus Photovoltaik in Deutschland:
Auf Gebäuden:
• bis 30 kWp-Anlagen: 51,80 Ct
• von 31-100 kWp-Anlagen: 49,28 Ct
• ab 101 kWp-Anlagen: 48,74 Ct
Basisvergütung (Freiflächen): 40,80 Ct
Als Vorteile der Photovoltaik sind zu nennen:
• geringer Wartungsaufwand
• keine Emissionen bei Stromerzeugung
• in bestehende Gebäudesubstanz als Indachlösung integrierbar
Schwachpunkte sind die Abhängigkeit von Sonneneinstrahlung und die noch vergleichsweise hohen Stromgestehungskosten.
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Solarthermie
Solarthermische Anlagen dienen der Erzeugung von Warmwasser mithilfe solarer Einstrahlung. Dieses kann als Brauchwasser sowie zur Beheizung in Gebäuden eingesetzt werden. In Deutschland ist die Nutzung der Solarthermie, insbesondere auch in Privathaushalten, bereits großflächig etabliert und kann im Häuserbau guten Gewissens als Stand der Technik bezeichnet werden. Allen technischen Lösungen zur Nutzung der Solarthermie ist gemein, dass Sonnenlicht absorbiert und im Wärmetauscherprinzip an ein permanent umströmendes Medium (i.d.R. Wasser) abgegeben wird. Üblicherweise kann hier zwischen Flachkollektorsystemen und Vakuumröhrenkollektoren differenziert werden. Die bedeutend einfacher ausgelegten Röhrenabsorber spielen eine nur untergeordnete Rolle und werden darum in diesem Abschnitt vernachlässigt.
Vakuumröhrenkollektoren sind technologisch aufwendiger und sehr kostenintensiv. Sie bieten jedoch die niedrigsten Wärmeverluste bei höchsten Wirkungsgraden.
Flachkollektorsysteme sind bedeutend preiswerter, leicht zu montieren und eignen sich hervorragend zur Integration in Dachlösungen. Sie weisen jedoch relativ hohe Wärmeverluste und niedrigere Wirkungsgrade als Vakuumröhrenkollektoren auf. Trotz dessen sind Flachkollektoren die in Deutschland am weitesten verbreitete Technologie zur solarthermischen Wärmegewinnung.
Wesentlicher Vorteil der Solarthermie ist deren technische Ausgereiftheit und vergleichsweise einfache Integrationsmöglichkeit auch in bestehende Gebäudesubstanz, die dem Betreiber einen unmittelbar eintretenden Nutzen (Heiz- und/oder Brauchwasserwärme erbringt.
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Gravitation
Neben Kernfusionsvorgängen der Sonne und Isotopenzerfall innerhalb der Erdkruste ist die Gravitation des Erdmondes die dritte grundlegende Ursprungsquelle anthropogen nutzbarer erneuerbarer Energien.
DarĂĽber, was Gravitation ist, existieren bis dato nur Theorien. Die derzeit gĂĽltige, auf Albert Einstein zurĂĽckgehende Lehrmeinung vertritt den Standpunkt, dass Gravitation eine masseninduzierte KrĂĽmmung (und somit Beeinflussung) des Raumes darstellt.
Da es sich bei Erde und Erdmond aufgrund des geringen Abstands und der beachtlichen Größe unseres Mondes faktisch auch um ein Doppelplanetensystem handelt, kommt es hier zu beachtlichen, gravitationsbedingten Wechselwirkungen der Himmelskörper.
Die bekannteste Wirkung des Erdmondes sind die regelmäßigen Tidenereignisse der Meere und Ozeane. Die durch lunare Masse hervorgerufene Raumkrümmung „staucht“ die Ozeane, so dass sich zwei antipodisch zueinander stehende Tidenhübe bilden. Die Tidenwelle steht in Bezug zum Erdmond immer still, während sich die Erde unter ihr hinwegdreht, so dass für irdische Betrachter der subjektive Eindruck einer „bewegten Flutwelle“ entsteht. Die Stauchung der Ozeane hat auch zur Folge, dass täglich zwei Ebbe/Flutereignisse eintreten.
mehr zum Thema Gezeiten hier...
In Anhängigkeit von geographischen Gegebenheiten kann die Höhe des Tidenhubes von wenigen Zentimetern (z.B. Ostsee) bis mehr als 15 Metern (Kanadische Atlantikküste) schwanken.
Während einer Tide erfährt das Wasser eine potentielle Energieaufwertung. Nach dem Bau von Rückhaltebecken kann diese potentielle Energie gespeichert und bei Niedrigwasser in Form kinetischer Energie (Laufwasser) zur Stromerzeugung in Gezeitenkraftwerken genutzt werden. Für den Bau besonders geeignet sind gut abgrenzbare Buchten mit felsigem Untergrund und hohen Tidengradienten. Der Einsatz von Gezeitenkraftwerken lohnt sich nach HARTMANN (2004) ab einem Tidengradienten von 5 Metern.
Vorteile von Gezeitenkraftwerken sind:
• die astronomisch exakt vorher bestimmbare Verfügbarkeit energetisch nutzbaren Laufwassers
• geringe Störanfälligkeit und kaum benötigte Wartung
Ein wesentlicher Nachteil von Gezeitenkraftwerken liegt wie bei fast allen Formen der Wasserkraftnutzung in der massiven Beeinflussung von Natur- und Landschaftsräumen, die auch hier speziell durch den Bau großer Rückhaltemauern verursacht werden.
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Biomasse
Unter dem Begriff Biomasse läßt sich sämtliche kohlenstoffhaltige Materie organischer Herkunft zusammenfassen. Hierzu zählen (HARTMANN, et al.; 2003):
• sämtliche lebende oder abgestorbene Tier- und Pflanzenmasse, die noch keiner fossilen Umwandlung unterlag
• die aus Stoffwechselvorgängen resultierenden Rückstände
• jegliche weiteren organischen Stoffe, die Folgeprodukte technischer Umwandlungs- oder Weiterverarbeitungsprozesse sind
Ausgangspunkt des Biomasseaufbaus sind wiederum die Kernfusionsvorgänge auf der Sonne. Die solare Strahlungsenergie ist Antriebsmotor der Photosynthese, auf welche die Entstehung jeglicher Formen von Biomasse auf der Erde letztlich basiert.
Aus Wasser und Kohlendioxid bauen grĂĽne Land- und Wasserpflanzen energiereiche Kohlenhydrate unter Nutzung von Lichtenergie bei Freigabe von molekularem Sauerstoff auf:
6H2O + 6CO2 ---> C6H12O6 + 6O2
mehr zum Thema Photosynthese hier...
Wie die Formel der Photosynthese zeigt, erfährt die Lichtenergie der Sonne eine Umwandlung und wird durch Pflanzen in Form chemischer Energie gespeichert. Biomasse könnte somit auch als jegliche, innerhalb der Biosphäre chemisch gespeicherte Sonnenenergie definiert werden.
Bei Verbrennung (z.B. Veratmung) wird diese gebundene Energie zur Verrichtung von Arbeit bzw. Erzeugung von Wärme unter Freisetzung von Kohlendioxid wieder umgewandelt. Die Stoffmengen, welche jährlich global durch photosynthetische Vorgänge erzeugt werden, sind beachtlich. So gibt WIENHAUS (1997) die weltweite jährliche Produktion pflanzlicher Biomasse mit 200 x 109 Tonnen an. Ein großer Anteil dieser Menge entfällt auf verholzte (lignocellulosehaltige) Biomasse. Biomasse kann in allen Aggregatzuständen vorliegen:
• in fester Form als kohlenstoffhaltiges pflanzliches oder tierisches Gewebe
• in Form von kohlenstoffhaltigen Gasen
• in flüssiger Form als kohlenstoffhaltige Öle, Harze etc.
Die technischen Möglichkeiten der energetischen Nutzung von Biomasse sind ebenso vielfältig wie deren Erscheinungsformen. So ist Biomasse neben der Wärme- und Stromerzeugung auch zur Treibstoffproduktion in relevanten Größenordnungen geeignet. Aufgrund dieser Vielfältigkeit der energetischen Verwendungsmöglichkeiten werden Biomassen darum oft auch als “Alleskönner” unter den regenerativen Energien bezeichnet.
Vorteile von Biomasse zur energetischen Nutzung
• Speicherbar und dauerlastfähig
• nahezu weltweit verfügbar
• einzige nachwachsende erneuerbare Energiequelle
Biomasse weist gegenüber Wind-/Wasser-/Solarstrahlungsnutzung den Nachteil auf, zumeist nicht unmittelbar energetisch verwertbar zu sein. Ihrer energetischen Nutzung geht oft die Notwendigkeit der Aufbereitung (Konditionierung) sowie des Transports und der Lagerung biogener Inputmaterialien voraus, was die Implementierung entsprechend geeigneter Logistikketten erfordert. Da speziell der Transport energetisch verwertbarer Biomassen nur über kürzere Entfernungen wirtschaftlich und ökologisch Sinn macht, wird Biomasse insbesondere als Energierohstoff dezentral betriebener Anlagen eine zunehmende Bedeutung erlangen.
mehr zum Thema Erneuerbare Energien (Umweltbildung) unter anderem hier...
[Autor: Ronny Fischer | Stand: 04/ 2006]
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