Oha! Energie

Eine kleine Parabel

 

Erneuerbare Energien

 

Energetische Amortisation

 

Windkraft

 

 Photovoltaik

 

 Solarthermische Kraftwerke

 
Wasserkraft

 

 Biogas

 

 Geothermie

 

 

 Fazit

 

 

Newsticker

 

 

Eine kleine Parabel

Das Schiff "Erde" ist vor einer schönen, fruchtbaren aber unbewohnten und weit abgelegenen Insel gestrandet, ohne Aussicht auf Rückkehr in die Zivilisation. Im Schiff ist noch eine ganze Menge Nahrung, die für eine ganze Weile reichen wird und es ist relativ leicht, immer wieder aufs Schiff zu schauen und Proviant mitzubringen.

Es beginnt eine Diskussion, wie man die Sache mit der Ernährung angehen soll: Der eine, nennen wir ihn E.gon, sagt, wir sollen uns mal keine Sorgen machen, auf dem Schiff gibt es genug für alle. Ein paar andere meinen, gut, dass es noch eine Weile etwas zu Essen gibt, aber sollten wir nicht lieber schauen, ob es auf der Insel noch etwas anderes Essbares gibt? Man streift durch die Insel, findet auch einige interessante Sachen, aber vieles ist unbekannt, einem ist sogar von einer Beere schlecht geworden und es reicht längst noch nicht für alle.

E.gon sagt jetzt "Leute, ich hab's Euch ja gesagt, wir haben noch genug und hier nach anderen Sachen zu suchen ist doch viel zu anstrengend. Kommt, ich schmeiß' eine Runde Ravioli für alle." Es gib ein großes Hurra, man macht weiter wie gehabt und der Müll wird dezent im Sand verbuddelt. Aber einige geben sich damit nicht zufrieden und fangen doch an, auf der Insel herumzuforschen. Kann man nicht diese Körner auch mahlen, könnte man hier nicht einen Acker anlegen, wie wäre es, wenn wir von diesem Strauch ein paar mehr einpflanzen, gibt das Tierchen da vielleicht Milch? Zumeist werden diese Leute milde belächelt, insbesondere wenn mal etwas wieder nicht geklappt hat und sie doch zur anderen Gruppe zum Essen kommen.

Doch nach und nach zeichnen sich Erfolge ab; das erste selbst gebackene Brot, genießbare Früchte, Salat, auch mal ein mühsam gejagtes Steak, und immer mehr von der Gruppe beginnen sich für die neue Lebensform zu interessieren und mitzumachen. Manche bauen Getreide an, andere sammeln Obst und Beeren, wieder andere versuchen, Tiere zu züchten. E.gon wird langsam sauer, weil er merkt, dass sich die Leute zunehmend von ihm abwenden, und lockt und droht zugleich:

Was wollt Ihr denn mit dem Getue? Wir haben doch noch genug zu Essen und das was Ihr da habt ist doch unzuverlässig, was macht Ihr wenn's mal stürmt und das Getreide umknickt oder wenn die Tiere eine krank werden oder die Sonne zu wenig oder zuviel scheint? Außerdem verschandelt Ihr mit Euren Hütten und Gärten doch die ganze Landschaft. Dass mittlerweile überall Dosen und Verpackungen aus dem Proviant herumliegen und ihm dieser langsam zuneige geht, verschweigt er. Doch die anfangs aufgetretenen Probleme werden bewältigt, weil sich alle mit Kreativität, Phantasie und Gemeinschaftsgeist zu helfen wissen.

Irgendwann dann, der Leser ahnt es, haben sich alle, auch E.gon, rechtzeitig an die neue Situation angepasst, bevor die letzen Konserven verdrückt waren und leben glücklich und zufrieden weiter.

Natürlich hinkt der Vergleich und in Wirklichkeit ist alles viel komplexer, aber: Das Grundmuster ist gleich:

 

Erneuerbare Energien

Der Proviant auf dem Schiff entspricht den derzeit dominierenden Energiequellen Öl, Gas, Kohle und Uran. Diese sind unweigerlich begrenzt - so reicht beim derzeitigen Verbrauch das abbaubare Uran noch für ca. 37 Jahre, Gas 66, Erdöl 44, Steinkohle 160  Braunkohle 260 Jahre. Da der Energiehunger insbesondere in China und Indien drastisch steigt, ist sogar mit einer deutlichen Verkürzung dieser sogenannten Energiereichweiten zu rechnen. Die sich abzeichnende Knappheit ist sehr schön am Ölpreis abzulesen, der mit jeder Krise ordentlich ansteigt, ohne aber wieder dementsprechend zu fallen. Und je knapper diese Ressourcen, die zumeist in politisch instabilen Ländern liegen, werden, desto eher ist mit Krieg um selbige (siehe Irak I und II, Tschetschenien, usw.) zu rechnen.

Viel schlimmer natürlich als das Verbuddeln alter Konserven im Sand sind die Emissionen und Abfälle, die mit dieser Energieversorgung anfallen: Atommüll strahlt Jahrtausende und kann für sogenannte "Dreckige Bomben" (also Bomben, die mit der Detonation radioaktive Partikel freisetzen und damit ein Gebiet verseuchen) missbraucht werden, ein atomarer Unfall kann ganze Landstriche auf Jahrhunderte unbewohnbar machen. Die Emissionen beim Abfackeln fossiler Energieträger (Öl, Gas, Kohle, Benzin) dagegen verschlechtern die lokale Luftqualität und treiben uns in ihrer Summe in eine globale Klimakatastrophe. Ganz abgesehen davon verursachen Förderung, Transport und Aufbereitung der Stoffe teils erhebliche Umweltschäden in Form von "Mondlandschaften" im Tagebau, verseuchte Ölfelder oder Schiffsunglücke.

 

Energetische Amortisation

Irgendwann einmal wurde das Gerücht in die Welt gesetzt, Solarzellen würden bei der Produktion viel mehr Energie benötigen als sie jemals in ihrer Lebensdauer wieder produzieren. Das mag für Pionier-Solarzellen der frühen 70er Jahre zutreffend gewesen sein: Die Schmelze von Silizium ist ein energieaufwendiger Prozeß und die ersten Zellen brauchten vermutlich so dicke Siliziumscheiben (Wafer), dass energetisch - salopp gesagt - mehr reingesteckt wurde als jemals rausgeholt würde. Wäre das immer noch so und ohne Aussicht auf Besserung, könnten wir die Photovoltaik als Option zur nachhaltigen Energieversorgung vergessen. 

Dem ist aber nicht so: Heute haben Solarzellen nach 1 bis 6 Jahren mehr Energie erzeugt, als für Ihre Produktion aufgewendet wurde. Der Grund liegt darin, dass Silizium für Solarzellen sehr teuer ist und daher die Hersteller einen ständigen Anreiz haben, dessen Menge zu reduzieren und damit nebenbei die Energiebilanz der Zelle zu verbessern. Dabei schneiden Dünnschicht-Zellen, auf  die das Material nur als hauchdünne Schicht aufgedampft wird, mit 1-3,5 Jahren Amortisationszeit am besten, monokristalline Zellen (4-6 Jahre) am schlechtesten ab.

Wenn wir eine Lebensdauer von 25 Jahren annehmen (es gibt keinerlei mechanisch bewegliche Teile und fast alle Hersteller garantieren sogar den Leistungsertrag auf 20 Jahre), produziert eine Solarzelle also in ihrem Leben mindestend das Vierfache der Energie, die für ihre Produktion aufgewendet wurde. Und durch den wirtschaftlichen Druck zur Siliziumeinsparung sowie Skaleneffekte wird sich diese Amortisation auch weiter verbessern. 

Bei Windrädern beträgt diese Zeit etwa ein halbes Jahr (4-7 Monate) - dann haben sie mehr Energie produziert, als für ihre Herstellung und die Errichtung aufgewendet wurde. Bei der Lebensdauer von 20 Jahren (Windparks werden üblicherweise auf diesen Zeitraum ausgelegt) schneiden sie also noch besser ab.

Fossil betriebene Kraftwerke (Kohle, Erdgas, Öl) dagegen amortisieren sich energetisch niemals, da sie zum einen eine ganze Menge  Energie für ihre Errichtung brauchen und zum anderen im Betrieb immer mehr Energieeinsatz benötigen als sie an nutzbarer Energie produzieren: Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 30 und 65 Prozent.

Quelle: TU Berlin

 

Windkraft

Den Löwenanteil am Wachstum der erneuerbaren Energien stemmt die Windkraft: Sie hat sich vom - bezogen auf den Stromverbrauch in Deutschland - Promillebereich bis tief in die 90er Jahre zur erneuerbaren Energiequelle Nummer 1 entwickelt. Die vom "Spiegel" so gern gegeißelten Windräder decken mittlerweile gut 6% des Energieverbrauchs in Deutschland - bei Stromerzeugungskosten von deutlich unter 9 ct/kWh.

Ermöglicht wurde dies durch einen immensen technischen Fortschritt, der die Leistung eines typischerweise errichteten Windrades von weniger als 100 Kilowatt Anfang der 90er auf bis zu 2.000 Kilowatt gesteigert hat. Das größte bislang gebaute Windrad, die Anfang 2005 eingeweihte Repower 5M, kommt sogar auf 5.000 kW. Die neuen Anlagen sind nicht nur leistungsstärker, sondern mit ihren langsamen, gleichmäßigen Bewegungen wesentlich leiser und optisch ruhiger als ältere Windräder.

Die Ängste vor einer ungebremsten "Verspargelung" der Landschaft sind ungerechtfertigt: Da die meisten guten Standorte an Land mittlerweile belegt sind, entfällt das Wachstum an installierter Leistung in Zukunft vor allem auf die Bereiche Repowering und Offshore.

Repowering bedeutet, bestehende kleinere (z.B. 600 kW) Windräder abzubauen und durch große, leistungsstärkere (meist 1,5-2 MW) zu ersetzen. Es werden also dabei nicht mehr Windräder, sondern leistungsstärkere. Die abgebauten Windräder werden - häufig nach China - verkauft oder recycelt. 

Offshore bedeutet, Windparks auf dem Meer zu errichten. Der große Vorteil ist hier, daß der Wind auf dem Meer stärker und konstanter weht als an Land - die installierte Leistung also mehr Stromertrag bringt. Dazu kommt, daß auf dem Meer sich keine Anwohner gestört fühlen können. Die Bundesregierung hat aufgrund dieser Vorteile  Offshore-Windparks im Erneuerbare Energien Gesetzt privilegiert und sich zum  Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2020 eine Leistung von 20.000 MW an Offshore-Anlagen installiert zu haben. Zum Vergleich: Die gesamte "onshore", also an Land installierte Leistung, mit denen die 6% des Stromverbrauchs erreicht wurden, betrug Ende 2004 in Deutschland 16.600 MW.

Zur Erreichung dieser ehrgeizigen Ziele müssen allerdings noch einige technische (Witterung, Korrosion) und finanzielle (Investitionsvolumen) Herausforderungen bewältigt und das Netz für die Einspeisung des Offshore-Stroms ausgebaut werden. Daß es prinzipiell geht - wenn auch die Technik noch robuster werden muß - zeigen die ersten dänischen Offshore-Windparks.

Die Fertigstellung der ersten deutschen Offhore-Windparks - sechs sind bereits genehmigt - wird für 2006 erwartet. 2030 sollen dann 15% des deutschen Stromverbrauchs aus Offshore-Windparks kommen.

 

Photovoltaik

Die bekannteste und beliebteste Form von erneuerbaren Energien ist die Photovoltaik. Gemeint sind Solarmodule, die üblicherweise auf Hausdächern, an Fassaden und in Kleingeräten zur Stromerzeugung installiert werden. Ursprünglich für die Raumfahrt entwickelt, wurde die Photovoltaik hierzulande vor allem in Kleingeräten (z.B. Uhren, Taschenrechner) und netzfernen Anwendungen (z.B. Parkscheinautomaten) verwendet.

Ein regelrechter Boom hat mit dem mittlerweile ausgelaufenen 100.000 Dächer Programm der KfW und dem EEG (2000) eingesetzt, der durch die Erhöhung der Vergütungssätze 2004 noch einmal verstärkt wurde. Mittlerweile möchten so viele Hausbesitzer Dach und Fassaden mit Solarmodulen bestücken, daß die Hersteller mit der Lieferung kaum mehr nachkommen - vor allem, weil der Rohstoff Silizium knapp geworden ist. Hinzu treten Projektierer, die verstärkt auf große Photovoltaik-Parks wie z.B. auf dem Dach der Messe München (2x1 MW) setzen und demenstprechend große Mengen von Modulen nachfragen.

Daraus könnte sich eine Marktchance für sogenannte Dünnschicht-Module ergeben, die zwar nicht so große Wirkungsgrade (8-13% statt 13-17%) aufweisen wie herkömmliche Wafer-Module, dafür aber teilweise günstiger sind und das diffuse Licht bei bedecktem Himmel besser nutzen können. Sie erzielen daher oft einen höheren Stromertrag pro installierter Leistung - und der Stromertrag ist das, was die Umwelt entlastet und Erlöse einbringt.

Wirtschaftlich in Bezug auf Stromerzeugungskosten sind Solarmodule hierzulande nur, weil das EEG hohe Vergütungssätze (teilweise über 60 ct/kWh, damit eine Rendite von bis zu 8%)) garantiert. Die große Hoffnung besteht darin, dass mit der Massenproduktion die Modulkosten deutlich gesenkt werden können - wobei vor allem die Dünnschicht-Technologie vielversprechend ist.

Ohne öffentliche Förderung konkurrieren können Solarmodule bereits heute überall dort, wo eine Netzanbindung zu teuer oder zu umständlich ist: Das ist bei den erwähnten Kleingeräten so, aber auch beispielsweise auf Berghütten, Schrebergärten und Campingwagen sowie in abgelegenen Regionen zur Elektrifizierung von Hütten und Dörfern.

 

Solarthermische Kraftwerke

Was manchen überraschen mag: Der Großteil des bisher produzierten Solarstroms kommt nicht etwa aus Photovoltaik-Modulen, sondern aus solarthermischen Kraftwerken. Seit Anfang der 80er existiert in Kalifornien ein gewaltiges 320 MW solarthermisches Kraftwerk, das bis heute (und vermutlich noch eine ganze Weile) zuverlässig Sonnenstrom produziert. Dabei werden auf einer großen, ebenen Fläche mit intensiver Sonneneinstrahlung lange Zeilen von Hohlspielgeln montiert, in deren Brennpunkt jeweils ein langes Absorberrohr installiert ist. In diesem wird eine Trägerflüssigkeit (meist Öl) auf bis zu 400°C erhitzt, die dann zur Stromerzeugung in eine Dampfturbine geschickt wird. So wird durch automatische Nachführung der Spielgel entlang der Sonnenachse von morgens bis abends sauberer Strom produziert.

Moderne Solarthermische Kraftwerke können die Wärmeenergie z.B. mit Salztanks speichern und somit auch bei bedecktem Himmel bzw. nach Sonnenuntergang Strom produzieren. Eine andere, weniger nachhaltige Lösung ist es, die Kraftwerke zu diesen Zeiten im Hybridbetrieb mit Gasfeuerung zu unterstützen. 

In Deutschland ist die Technik aufgrund der zu geringen Sonneneinstrahlung und des hohen Flächenbedarfs uninteressant, dafür im "Sonnengürtel" der Erde und Südeuropa umso interessanter. So ist derzeit ein 50 MW Kraftwerk in der Nähe von Granada kurz vor dem Bau, es soll 2006 in Betrieb gehen. In der Region plant der Initiator der beiden Kraftwerke, die SolarMillenium AG in Erlangen, ein weiteres 50 MW Parabolrinnenkraftwerk.

Zusätzlich zu Parabolrinnenkraftwerken gibt es weitere Typen solarthermischer Kraftwerke, z.B. Aufwindkraftwerke, Solar Dish Systeme und Solarturm-Kraftwerke. Diese werden derzeit allerdings nur in begrenztem Maße eingesetzt.

Bis zum Jahr 2014 sollen nach dem Willen der Global Market Initiative, der u.a. die Weltbank, das Bundesumweltministerium und die UNEP angehören, 5.000 MW an solarthermischen Kraftwerken errichtet werden.

 

Wasserkraft

Wasserkraft ist die älteste Form der regenerativen Stromgewinnung: Schon im 19. Jahrhundert wurden die ersten Wasserkraftwerke erbaut und nach und nach alle geeigneten Standorte für größere Wasserkraftwerke in Deutschland belegt. Das Ausbaupotential hier liegt in der Erneuerung der bestehenden Anlagen (hier bestehen Ertragssteigerungspotentiale von bis zu 30%) und in der Wiederinbetriebnahme bzw. dem Neubau von Kleinwasserkraftanlagen.

Die Wasserkraft hat gegenüber Windenergie und Photovoltaik zwei große Vorteile: Sie ist erstens von der Witterung weitgehend unabhängig (eine Ausnahme stellen tiefe Wasserstände dar) und zweitens gut regelbar: So können sog. Pumpspeicherkraftwerke bei geringer Stromnachfrage Wasser nach oben pumpen und in Zeiten hoher Nachfrage wieder anzapfen. Zweitens sind Wasserkraftwerke, einmal erbaut, sehr wirtschaftlich im Betrieb, so daß der Strom aus größeren Wasserkraftwerken (Bau meist vor 1960) auch ohne Beihilfen mit (übrigens häufig subventioniertem) Fossil- oder Atomstrom konkurrieren kann.

Weltweit sind allerdings erst 18% des technisch nutzbaren Potentials erschlossen. Da Großanlagen wie der 3-Schluchten Damm in China häufig mit massiven Eingriffen in die Natur und den Lebensraum der Menschen verbunden sind, ist hier vor allem auf eine umweltverträgliche Gestaltung der Anlagen zu achten. Wesentlich weniger bedenklich ist die Instandsetzung bzw. Verbesserung bestehender Anlagen und die Errichtung von kleinen Wasserkraftanlagen. Ein Unternehmen, das sich auf solche kleineren Anlagen auch auf internationalen Märkten spezialisiert hat, ist die Wasserkraft Volk AG (www.wkv-ag.de).

 

Biogas

Die relativ neue Nutzung von Biogas schlägt gleich dreii Fliegen mit einer Klappe: Entsorgung von organischen Abfällen, Energieproduktion und Vermeidung des Austritts von klimaschädlichen Gasen. Der klassische Fall ist der Landwirt, der seine organischen Abfälle (Grasschnitt, Mist, Schlachtabfälle usw.) in einem beheitzten Fermenter vergärt und das dabei gewonnene Biogas (insb. das klimawirksame Gas Methan) in ein Blockheizkraftwerk schickt. Das BHKW produziert dann Wärme, mit dem die Anlage und der Hof bezeizt werden und Strom, der selbst verwendet oder ins Netz eingespeist werden kann. Die vergärten Abfälle wiederum eignen sich hervorragend als Dünger, der auch bei weitem nicht mehr so geruchsintensiv ist wie das Ausgangsmaterial. Da das Methan jetzt entzogen ist, kann es nicht mehr - wie sonst - auf den Feldern austreten und so die Klimaveränderung anheizen. Der Stoffliche Kreislauf ist also geschlossen und es wird nur so viel co2 emittiert, wie beim Wachstum der Pflanzen aufgenommen wurde. 

Im Detail sieht das dann so aus:

 

Geothermie

Die einzige erneuerbare Energie, die nichts direkt oder indirekt mit der Sonneneinstrahlung zu tun hat, ist die Geothermie. Hier macht man sich die Tatsache zunutze, dass unser Erdkern so heiss wie die Sonnenoberfläche - 6.000°C - ist und zapft die darin gespeicherte Wärmeenergie an. Das geht zum einen mit der bodennahen Wärme (z.B. zur Heizung bzw. -unterstützung), zum anderen aber auch - insbesondere bei entsprechenden geologischen Bedingungen (siehe Grafik) - mit Wärme aus kilometertiefen Bohrungen. Ab 3 km Tiefe ist der Siedepunkt von Wasser erreicht - die Therme Erding beispielsweise, eine große Bäderanlage im Norden Münchens, wird komplett mit Wärme aus einer Bohrung versorgt.

Wenn das Wasser noch tiefer richtig heiß ist (ab ca. 120°C), kann man es sogar zur Stromgewinnung nutzen: Der heiße Wasserdampf treibt dann eine Turbine an, die mit Hilfe eines Generators dann Strom erzeugt. Die Restwärme kann natürlich auch entsprechend genutzt werden: So ist wird das geothermische Kraftwerk Unterhaching eine Leistung 3,1 MW Strom und 16 MW Wärme liefern - unabhängig von Witterung und Jahreszeit. Die Stromproduktion wird dann auch nach dem EEG mit 14-15 ct/kWh vergütet, was eine rege Planungstätigkeit nach sich gezogen hat. Der Nachteil an geothermischen Kraftwerken ist ihre hohe Investitionssumme und das hohe Fehlschlagsrisiko: Ob die Bohrung tatsächlich die gewünschte Menge Wasser in der gewünschten Temperatur hervorbringt, weiss man mit letzter Sicherheit erst dann, wenn die (kostspielige) Bohrung vorgenommen wurde. In Unterhaching war man dabei erfolgreich - die Prognosen wurden sogar übertroffen.

 

Fazit

Genauso wie es nicht nur eine fossile Energie gibt, gibt es nicht nur eine erneuerbare Energiequelle, die die ganze Energieversorgung bestreiten soll. Jede erneuerbare Energie für sich allein kann - ausser es gibt besondere geographische Gegebenheiten wie z.B. in Island (Geothermie) oder Norwegen (Wasserkraft) - keine Vollversorgung gewährleisten. Doch das Spektrum an erneuerbaren Energiequellen ist weit und der menschliche Erfindergeist wird ihm sicher noch so manche Technologie hinzufügen. Der richtige Mix aus erneuerbaren Energien kann - gemeinsam mit Energieeffizienz - sehr wohl eine sichere, 100% nachhaltige Energieversorgung gewährleisten.

Um noch einmal auf das Bild der Parabel zurückzukommen: Sicherlich ist es kurzfristig einfacher und billiger, einfach das zu tun was man immer getan hat - die von der Natur über Jahrtausende angesammelte Energie zu fördern und zu verbrennen bzw. die Konserven aus dem Schiff zu holen. Wollen wir jedoch langfristig und ohne rapiden Einbruch an Lebensqualität überleben, müssen wir über neue Formen der nachhaltigen Energiegewinnung bzw. die Kultivierung der Insel nicht nur nachdenken, sondern sie auch implementieren. Dass das nicht ohne Kosten und auch vereinzelte Rückschläge geht, ist klar - das sollte uns die Zukunft aber wert sein.

Die Energiewende ist möglich - wir müssen nur konsequent und rasch darauf hin arbeiten, bevor uns das Klima um die Ohren fliegt.

 

Ökoeffizient Handeln im Energiebereich

Was kann jetzt der Einzelne zur Energiewende beitragen? Eine ganze Menge: