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.

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).

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).

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).

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 Gigajoule 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).

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.

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).

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.

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.

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).

Über kaum eine andere Energiequelle wurde in den letzten Jahren so kontrovers diskutiert wie über Atomkraft. Grund dafür 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.

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).

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]

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.

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

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.

Die technische Nutzung von Erdwärme kann auf zwei Wegen erfolgen: Nutzung der Oberflächenwärme des Bodens (oberflächennahe Geothermie) oder Nutzung von Tiefenerdwärme (Tiefe Geothermie).

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.

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 für Bohrungen und Anlagenbau aus.

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.

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.

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.

Neben Kernfusionsvorgängen der Sonne und Isotopenzerfall innerhalb der Erdkruste ist die Gravitation des Erdmondes die dritte grundlegende Ursprungsquelle anthropogen nutzbarer erneuerbarer Energien. Darüber, was Gravitation ist, existieren bis dato nur Theorien. Die derzeit gültige, auf Albert Einstein zurückgehende Lehrmeinung vertritt den Standpunkt, dass Gravitation eine masseninduzierte Krümmung (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.

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.

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 grüne Land- und Wasserpflanzen energiereiche Kohlenhydrate unter Nutzung von Lichtenergie bei Freigabe von molekularem Sauerstoff auf: 6H2O + 6CO2 ---> C6H12O6 + 6O2

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.