Erneuerbare Energien

Inhaltsverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Ziel der Arbeit & Vorgehensweise

2 Grundlagen: Was sind erneuerbare Energien?
2.1 Begrifflichkeiten & Klassifizierung
2.2 Abgrenzung zu fossilen Energieträgern
2.3 Einheiten und Berechnung
2.4 Geschichtlicher Hintergrund
2.4.1 Entwicklungsperspektive
2.4.2 Gesetzliche Perspektive

3 Möglichkeiten der Energiegewinnung
3.1 Windkraft
3.1.1 Allgemein
3.1.2 Die ersten Windräder
3.1.3 Einteilung und Effektivität
3.1.4 Standorte
3.1.5 Bestandteile und Funktionsweise
3.1.6 Widerstand und Repowering
3.1.7 Onshore
3.1.8 Offshore
3.2 Wasserkraft
3.2.1 Anteil und Bedeutung
3.2.2 Typen und Einsatzweise
3.2.3 Turbinen
3.2.4 Auswirkungen
3.3 Photovoltaik
3.3.1 Technik
3.3.2 Unterscheidung der Systemtypen
3.3.3 Vorteile und Entwicklung
3.4 Biomasse
3.4.1 Was versteht man unter Biomasse?
3.4.2 Nutzung
3.4.3 Grenzen
3.5 Geothermie
3.5.1 Einführung
3.5.2 Tiefe Geothermie
3.5.3 Oberflächennahe Geothermie
3.6 Gezeitenkraft
3.6.1 Anfänge und Ursache der Gezeiten
3.6.2 Funktionsweise
3.6.3 Abwandlung: Seaflow-Kraftwerke

4 Neue Möglichkeiten der Energiegewinnung
4.1 Das Aufwindkraftwerk
4.1.1 Funktionsprinzip
4.1.2 Elemente
4.1.3 Vergleich
4.1.4 Projekte
4.2 Das Projekt DESERTEC
4.2.1 Die Stiftung und ihr Konzept
4.2.2 Technik
4.2.3 Vor- und Nachteile
4.2.4 Entwicklung und aktuelle Ereignisse

5 Schlussbetrachtung
5.1 Zusammenfassung
5.2 Strompreise
5.3 Ziele der Energieverteilung
5.4 Beispiele für eine nachhaltige Energieversorgung und Ausblick

6 Literaturverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abbildung 1 - Primärenergieverbrauch in Deutschland im Jahr 2007

Abbildung 2 - Energiefluss

Abbildung 3 - Beitrag der EE und zeitliche Einführung der Gesetze

Abbildung 4 - Verteilung der Windanlagen

Abbildung 5 - Beispiel für Repowering

Abbildung 6 - Entwicklung der Anzahl der Onshore Windenergieanlagen in D

Abbildung 7 - Funktionsprinzip Laufwasserkraftwerk

Abbildung 8 - Drei-Schluchten-Damm in China

Abbildung 9 - Funktionsprinzip Pumpspeicherkraftwerk

Abbildung 10 - Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal

Abbildung 11 - Einsatzgebiete verschiedener Wasserturbinentypen

Abbildung 12 - Francis-Turbine des Drei-Schluchten-Damms

Abbildung 13 - Schema einer Kaplan-Turbine

Abbildung 14 - Kaplan Turbine

Abbildung 15 - Pelton-Turbine in CH-Bieudron

Abbildung 16 - Pelton-Turbine im Walchenseewerk

Abbildung 17 - Funktionsprinzip Silizium-Solarzelle

Abbildung 18 - Beispiel netzferne „Solar Home System“

Abbildung 19 - Entwicklung der weltweiten Solarzellenproduktion

Abbildung 20 - Photovoltaikanlage bei Freiberg

Abbildung 21 - Übersicht Herkunft und Nutzung der Biomasse

Abbildung 22 - Funktionsweise Holzpelletheizung

Abbildung 23 - Plattentektonik der Erde

Abbildung 24 - Temperaturverteilung in Deutschland in 3‘000 m Tiefe

Abbildung 25 - Prinzip einer hydrothermalen Heizzentrale

Abbildung 26 - Schema des HDR-Verfahren

Abbildung 27 - Elektrische Wärmepunpe mit Erdwärmesonden

Abbildung 28 - Draufsicht Schema Gezeitenkraftwerk

Abbildung 29 - Prinzip Gezeitenkraftwerk bei Flut

Abbildung 30 - Prinzip Gezeitenkraftwerk bei Ebbe

Abbildung 31 - Gezeitenkraftwerk „Rance“

Abbildung 32 - Gebiete mit großem Tidenhub für mögliche Gezeitenkraftwerke

Abbildung 33 - Seaflow-Anlage im Betrieb (Animation)

Abbildung 34 - Seaflow-Anlage im Wartungsbetrieb

Abbildung 35 - Größenvergleich einer WEA mit einer Seaflow-Anlage

Abbildung 36 - Zukunftsvision eines Seaflow-Parks (Animation)

Abbildung 37 - Funktionsprinzip Aufwindkraftwerk

Abbildung 38 - Prinzip der Wärmespeicherung beim Aufwindkraftwerk

Abbildung 39 - Aufwindkraftwerk in Manzanares (Spanien)

Abbildung 40 - Vision Aufwindkraftwerke (Animation)

Abbildung 41 - Parabolrinnenkraftwerk

Abbildung 42 - Das DESERTEC Konzept für den EUMENA-Raum

Abbildung 43 - Schema SkySails

Abbildung 44 - SkySails System im Einsatz

Abbildung 45 - Solarfähre HELIO

Abbildung 46 - Rohölpreisentwicklung 1960-2008

Tabelle 1 - Produktion, Export und Import von Erdöl

Tabelle 2 - Leistungen diverser Verbraucher in einem Haushalt

Tabelle 3 - Größen und Veranschaulichung

Tabelle 4 - Einheiten und deren Umrechnung

Tabelle 5 - Von der Ersten zur Dritten Industriellen Revolution

Tabelle 6 - Technische Entwicklung bei WEA

Tabelle 7 - Fakten und Zahlen zu Wärme aus Holz

Tabelle 8 - Übersicht Erdaufbau

Tabelle 9 - Technische Daten des HDR-Kraftwerks in Soultz-sous-Forêts

Tabelle 10 - Typische Dimensionen und Stromerzeugung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Einleitung 1

1 Einleitung

1.1 Ausgangssituation

Die Berichte über die Klimaerwärmung sind allgegenwärtig in den Nachrichten zu finden. Sind es in der einen Woche Berichte über das Abschmelzen der Pol- kappen oder geht es in der anderen Woche um den Anstieg der Meeresspiegel und der damit verbundenen Überschwemmung niedriggelegener Landgebiete - der Ursprung dieser Ursachen ist und bleibt derselbe: die globale Erderwärmung.

Teils verrückt-kurios anmutende Ideen des sogenannten Geoengineering - also das aktive Eingreifen in die Umwelt, um so vor allem die globale Erderwärmung zu stoppen - sollen uns Abhilfe verschaffen: das Fördern von Wolkenbildung durch Schwefelbomben in der Stratosphäre, das Aufspannen gigantischer Sonnensegel im Weltall, Versprühen von Meerwasser in die Luft, das Düngen der Meere zur Förderung der Algenbildung und viele mehr sind so kreativ wie die damit verbun- denen Konsequenzen und Auswirkungen unvorherseh- und unberechenbar sind ¹.

Auch interessant: mehr weiß fordert hingegen der US-Energieminister und Physik Nobelpreisträger Steven Chu. Weiße Autos, weiße Dächer und weiße Straßen sollen dafür sorgen, dass weniger Sonnenenergie absorbiert, dafür mehr reflektiert wird².

Dabei ist die Energiegewinnung eines der zentralen Themen - wenn nicht sogar das zentrale Thema - zur Beantwortung dieser Problematik. Um nur ein pikantes Beispiel zu nennen: Elektroautos mögen zwar auf den ersten Blick schadstofffrei und eine von vielen notwendigen Lösungen sein um den Klimawandel zu stoppen oder zumindest einzudämmen, da die Automobile immer noch einen erheblich Anteil am CO2-Ausstoß haben. Doch die Elektrizität hierfür stammt aus der Steck- dose und diese wiederum bekommt ihren Strom größtenteils aus fossilen Energie- kraftwerken. Hier kommen die erneuerbaren Energien ins Spiel, welche als uner- schöpflich und umweltverträglich gelten.

Die Ausgangslage des derzeitigen Energieverbrauchs für Deutschland gestaltet sich nach abgebildeter Grafik wie folgt:

Struktur des Primärenergieverbrauchs in Deutschland 2007

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Primärenergieverbrauch in Deutschland im Jahr 2007[4]

Am Beispiel dieser Grafik wird die hohe Abhängigkeit von Mineralöl, Erdgas, Steinkohle, Kernenergie und Braunkohle bereits deutlich. Diese machen in Deutschland im Jahr 2007 zusammen 93,1% aus. Das entspricht rund 13 Peta- joule, wobei 1 Petajoule 278 Mio. kWh entsprechen ³. Hierbei sei jedoch angemerkt, dass dies der Gesamtverbrauch jeglicher Energie ist. Das heißt, dass es sich hierbei nicht nur um elektrische Energie handelt, sondern auch um all diese Energie, die z.B. für die Wärmegewinnung oder durch das Autofahren ver- braucht wird.

Der Anteil hängt aber auch von der Berechnungsmethode ab. Von denen man hauptsächlich zwei unterscheidet: zum einen die Substitutionsmethode und zum anderen die Wirkungsgradmethode. Je nachdem welche Methode man anwendet, ist der Anteil größer oder kleiner. In Abbildung 1 macht der Anteil der erneuerbaren Energien nach der Wirkungsgradmethode nämlich 6,9% aus, nach der Substitutionsmethode allerdings 9,4%. Um den Grund des Unterschieds zu erklären, muss man die beiden Methoden und was sie jeweils bedeuten genauer betrachten.

Die Wirkungsgradmethode: „Hierbei werden der Bewertung als repräsentativ erachtete Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung zugrunde gelegt. Bei der Stromerzeugung aus Wasserkraft, Windenergie und Photovoltaik, denen kein Heizwert zugeordnet werden kann, wird von der Endenergie mit Hilfe eines Wirkungsgrades von 100% auf die Primärenergie geschlossen. Damit entspricht z. B. 1 kWh Strom aus Wasserkraft einem Primäräquivalent von 1 kWh⁴.“

Die Substitutionsmethode: „Für das Primäräquivalent für Strom aus Wasserkraft, Windenergie und Photovoltaik wird der Brennstoff angegeben, der durch die Stromerzeugung des jeweiligen Energieträgers in konventionellen Kraftwerken substituiert wird[4].“

1.2 Ziel der Arbeit & Vorgehensweise

Oft frage ich mich und sollte man sich fragen, in welcher Form ein Beitrag geleistet kann. Diese Arbeit soll Aufschluss über die derzeitige Situation und den Stand der Technologien von erneuerbaren Energien geben, Möglichkeiten zur Umstrukturierung aufzeigen und Denkanstöße vermitteln.

Daher möchte ich mit dieser Arbeit auf das Thema erneuerbare Energien aufmerksam machen, die einzelnen Technologien erklären und analysieren. Einfließen und veranschaulicht werden sollen aber auch neuere und innovative, bisher noch weniger übliche, Technologien. Insbesondere möchte ich dabei auf das Projekt DESERTEC wie auch auf Aufwindkraftwerke, die durchaus eine Lösung sein könnten, eingehen.

Gegen Ende der Arbeit soll eine Gegenüberstellung der jeweiligen Technologien erfolgen. Hierbei möchte ich vor allem auf die Chancen und Risiken in ökologischen wie auch ökomischen Aspekten eingehen. Konkret bedeutet das, dass ich auch auf die Konkurrenzfähigkeit zu herkömmlichen Energieträgern eingehen möchte. Denn der größte Anreiz für die Endverbraucher besteht immer noch im Monetären, sprich der Preis ist ausschlaggebend. Solange der Strom erneuerbarer Energien noch mehr als der Strom, der aus fossilen Energieträgern stammt, kostet, ist der Anreiz gering einen Umstieg zu wagen.

Da viele erneuerbare Energiequellen auch zur Wärmeerzeugung verwendet werden, wie beispielsweise die Biomasse, dies aber den Umfang dieser Arbeit sprengen würde, soll der Fokus hauptsächlich auf der Erzeugung von Energie in Form von elektrischem Strom liegen.

2 Grundlagen: Was sind erneuerbare Energien?

2.1 Begrifflichkeiten & Klassifizierung

Bevor ich tiefer in das Thema einsteige, würde ich gerne zuerst einmal die Begriffe definieren und daraufhin eine Abgrenzung zu nicht-erneuerbaren Energien herstellen. Denn im umgangssprachlichen Gebrauch sind vielerlei Begriffe und Umschreibungen für erneuerbare Energien im Umlauf. Ob erneuerbare Energien, regenerative Energien oder Alternativenergien: gemeint ist letztendlich immer dasselbe.

Die wesentlichen Begriffe, die Grundvoraussetzung dieser Arbeit und zum Verständnis der erneuerbaren Energien notwendig sind, sollen nachfolgend erläutert werden:

„regenerierbare, d.h. sich erneuernde […] - in menschlichen Zeiträumen gemessen - nicht erschöpfbare Energieformen. Sie gelten zudem als klima- und umweltverträglich, da mit ihrer Nutzung geringere Umweltbelastungen verbunden und mit Ausnahme der vorgelagerten Prozesskette (z.B. Anlagenherstellung) keine klimarelevanten Spurengase freigesetzt werden⁵.“

Energie: „[…] die in einem physikalischen System gespeicherte Arbeit (Arbeitsvermögen), d.h. die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten. Die Änderungen der Energie bei einem im betrachteten System ablaufenden Vorgang ist gleich der von außen am System verrichteten oder nach außen abgegebenen Arbeit. […] Alle Energieformen sind ineinander umwandelbar. Für die Summe aller in einem abgeschlossenen System auftretenden Energien gilt ein Erhaltungssatz, der Energiesatz[5].“

„Energieträger werden eingeteilt in Primärenergien, also energetisch nutzbare Stoffe aus Lagerstätten, Natur- oder Sonnenenergie und Sekundärenergien, also für die Energienutzung im Energiewandler im Allgemeinen verlustbehaftet aufbereitete und veredelte Energieträger und Brennstoffe⁶.“

Den Zusammenhang zwischen Primärenergie, Sekundärenergie, Nutzenergie, Energieeinsatz und daraus resultierenden Umweltbelastungen und Lebensbeeinträchtigungen soll die Grafik auf der nächsten Seite erläutern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 - Energiefluss[6]

Erneuerbare Energien werden sowohl zur Stromerzeugung als auch zur Wärmebereitstellung genutzt. Aber auch teilweise durch die Energieveredelung zur Kraftstoffproduktion. Vor allem die Biomasse ist vielseitig verwendbar⁷.

Klassifizieren lassen sich die erneuerbaren Energien über ihren Entstehungsursprung. Das Energieangebot für diese Energien basiert auf drei verschiedenen Energiequellen[5]:

1. den Kernfusionsprozesse in der Sonne, die zu Strahlungsenergie führen
2. der Wärmeenergie im Inneren der Erde
3. der Rotationsenergie der Erde

Die von der Sonne freigesetzte Strahlungsenergie kann zur Strom- oder Wärme- erzeugung genutzt werden. Die Nutzungsmöglichkeiten der Solarenergie können direkt oder indirekt erfolgen. Beispiele für eine direkte Nutzung sind Photovoltaik, solarthermische Kollektorsysteme oder solarthermische Kraftwerke[7]. Nutzbar ist sie in umgewandelter (indirekter) Form als Windenergie, Wasserkraft, Wellenenergie oder Meeresströmungsenergie. Genutzt werden kann auch die aus der Strahlungsenergie resultierende Wärmeenergie von Luft, Wasser, Erdreich, Ozean oder auch als Biomasse[5].

„Die im Erdinneren aus der Entstehungszeit der Erde gespeicherte Energie kann heute ebenso wie die aus radioaktiven Zerfallsprozessen eines Teils der Erdelemente resultierende Wärme als geothermische Energie (Erdwärme) nutzbar gemacht werden[5].“

Über die Rotationsenergie in Kombination mit der Gravitationswechselwirkung zwischen Erde und Mond entstehen die Gezeiten mit Ebbe und Flut. Der Tidenhub, also die unterschiedliche Höhe des Wasserspiegels zwischen Ebbe und Flut, ist über Gezeitenkraftwerke zur Gewinnung von Strom nutzbar[5].

2.2 Abgrenzung zu fossilen Energieträgern

Kohle, Erdöl und Erdgas - dies sind die bis heute immer noch wichtigsten Energieträger. Sie sind fossiler Abstammung und decken immer noch den Großteil des Primärenergiebedarfs in Deutschland⁸.

Sie basieren auf der Einstrahlung der Sonne. Kohle entstand durch prähistorische Wälder. Man schätzt, dass zwischen dem Wachstum der Wälder und der Umsetzung des Biomaterials in Kohle rund 300 Millionen Jahre vergangen sind [8]. Durch hohe Drücke über lange Zeiträume wurden diese umgewandelt und konserviert⁹.

Erdgas und Erdöl hingegen entstanden durch das Absinken von Resten vorzeitlicher Kleinlebewesen auf den Meeresgrund. Indirekt war die Bildung dieser Ressourcen also auch abhängig vom Sonnenlicht, nämlich über die Lebewesen. Hier schätzt man, dass die Zeitspanne 300-350 Millionen Jahre betrug[8].

Erdöl, Erdgas und Uran sind also Vorräte, die nicht unbegrenzt vorhanden sind. Aber nicht nur die Endlichkeit dieser Rohstoffe wirft Probleme auf. Oft wird bei der Atomenergie von „sauberer Energie“ gesprochen. Dabei wird oft vergessen, dass die Endlagerung immer noch ein bedeutendes Problem darstellt. Zum einen, weil es nur wenige begrenzte Standorte zur Endlagerung gibt. Und zum anderen, weil der Widerstand mehr und mehr wächst, sodass insgesamt die Endlagerung sehr kostspielig ist. Damit werden die Kosten für die Erzeugung von Strom also auch höher.

Nicht zuletzt deswegen hat die Bundesregierung Maßnahmen ergriffen, die langfristig auf eine andere Systemstruktur hinführen sollen. Am 22. April 2002 erfolgte die Verabschiedung einer Novelle im Bundesgesetzblatt, des sogenannten Atomkonsenses, welcher 5 Tage später am 27. April gleichen Jahres in Kraft trat. Einer der wesentlichen Punkte dieses Gesetzes ist hierbei die Verordnung zur Regellaufzeit. Für bestehende Atomkraftwerke ist diese befristet auf maximal 32 Jahre seit der Inbetriebnahme. Jedem Atomkraftwerk wird außerdem eine bestimmte Menge an Strom zugeteilt, die es jährlich maximal produzieren darf. Bei Stilllegung älterer Atomkraftwerke kann diese Menge jedoch auf neure Werke übertragen werden. Regelmäßige Sicherheitsüberprüfungen werden erstmals auch gesetzlich fest verankert¹⁰.

Warum aber überhaupt ist (elektrische) Energie heutzutage so wichtig? Anbei ein Zitat, welches den Kern der Sache gut erfasst:

„Es gibt keinen Ersatz für Energie. Das gesamte Gebàude der modernen Gesellschaft baut darauf auf … Es ist nicht » irgendeine dieser Waren und Güter, sondern Vorbedingung all dieser Güter « , ein grundlegender Faktor

wie Luft, Wasser und Erde[3].“

E.F. Schumacher (1973), britischer Ökonom, *16.08.1911 - †04.09.1977

Dies soll verdeutlichen, dass wir von der Energie, wie sie in der jetzigen Form vorhanden ist, abhängig sind. Das komplette System baut auf Energie, wie Elektrizität aber auch Treibstoffen wie Öl und Gas auf. Am eigenen Leibe bekommt man es insbesondere zu spüren, wenn die Stromzufuhr beispielsweise durch heftige Unwetter unterbrochen ist. Oder aber an der Tankstelle, wo der Anstieg der Preise schon seit längerer Zeit zu beobachten ist.

Auch folgende Tabelle verdeutlicht die ungleichen Abhängigkeiten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 - Produktion, Export und Import von Erdöl¹¹

Saudi Arabien ist einer der Hauptproduzenten von Öl. Gleichzeitig hat das Land im Verhältnis zur Landfläche und Fördermenge selbst jedoch wenig Einwohner, sodass ein Großteil exportiert werden kann. Gleiches gilt für Russland, den Iran, die VAE und Kuwait. Bei Saudi Arabien und den VAE hat dies beispielsweise zu enormem Reichtum und Wohlstand geführt.

Hingegen müssen europäische Länder wie Deutschland, Italien, Frankreich und Spanien große Mengen importieren, da sie selbst über (fast) keine Vorkommen verfügen.

2.3 Einheiten und Berechnung

Eine Definition zu Energie wurde bereits erwähnt. Doch was ist der haushaltsübliche Strom aus der Steckdose? Kurz und knapp erklärt ist Strom der gerichtete Fluss von Elektronen. Dabei beschreibt der Stromverbrauch die elektrische Arbeit, die verrichtet wird. Über das vom Stromfluss erzeugte Magnetfeld kann der Stromverbrauch mit Hilfe eines Zählers messbar gemacht werden¹². Die Maßeinheit ist die Kilowattstunde (kWh). Der Verbrauch ergibt sich über die Leistung multipliziert mit der Laufzeit (W = P · t).

Beispiel:

Ein aktueller Bosch Elektroherd (Typ HLN454450) mit Glaskeramik-Kochfeldern hat laut Hersteller¹³ folgende Leistungsdaten der Kochfelder:

- hinten links: Bräterzone 1,6 kW bis 2,4 kW
- hinten rechts: Normal-Kochzone 1,2 kW
- vorne links: Normal-Kochzone 1,8 kW
- vorne rechts: Zweikreis-Kochzone 0,75 kW bis 2,2 kW

Auf den beiden vorderen Herdplatten wird nun jeweils eine halbe Stunde auf höchster Stufe gekocht.

Es ergibt sich ein Stromverbrauch von 0,9 kWh + 1,1 kWh = 2,0 kWh.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2 - Leistungen diverser Verbraucher in einem Haushalt¹³

In der oben abgebildeten Tabelle findet sich eine Übersicht über einige weitere Verbraucher, die in einem Haushalt üblich sind. Stromintensive Geräte sind also diejenigen, die eine hohe Leistung (Wattzahl) haben und daher in gleichen Zeit- räumen einen höheren Stromverbrauch als Geräte mit geringerer Leistung aufweisen. Dennoch muss auch die Laufzeit betrachtet werden, denn umso länger die Laufzeit, desto höher wiederum auch der Stromverbrauch. Stromintensive Geräte sind vor allem meist diejenigen, die Wärme erzeugen. Daher ist das Beheizen von Räumen (z.B. Nachtspeicherheizung) oder die Erwärmung von Wasser (z.B. Durchlauferhitzer) mit besonders hohem Energieaufwand verbunden und sollte daher vermieden werden¹⁴. Um ein Gefühl hierfür zu bekommen und damit auch später zu verstehen wie viel dieser elektrischer Energie mit Hilfe einer erneuerbaren Energiequelle produziert werden kann, möchte ich noch einige weitere Beispiele zur Verdeutlichung aufzeigen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3 - Größen und Veranschaulichung^{15 16}

Durch die Umrechnung von 1J = 1Ws in größere Relationen muss zwecks Einfluss der Zeit (hier Sekunde) noch mit 3,6 multipliziert werden um auf Wh bzw. das übliche kWh zu kommen. In der nachfolgenden Tabelle sind die gebräuchlichen Einheiten mit einer Umrechnung in Joule aufgelistet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4 - Einheiten und deren Umrechnung[6]

Die Energie, die in einem Kilo Rohöl (1 RÖE) steckt, entspricht also in etwa 11,6 kWh. Wie viel eine Kilowattstunde ist bzw. was man damit wie lange betreiben kann, möchte ich nachfolgend ausführen.

Mit einer Kilowattstunde kann man¹⁷:

− mit einem Auto einen Kilometer weit fahren.
− eine Hundert-Watt-Birne zehn Stunden lang leuchten lassen.
− einen elektrischen Durchlauferhitzer drei Minuten lang betreiben.
− einen Computer oder Fernseher sieben Stunden eingeschaltet lassen. − in einer Autobatterie oder
− in 100 Kamerabatterien diesen Strom speichern.

Welcher Energie bedarf es 1 kWh Strom herzustellen?[17]

− Man muss zehn Stunden auf einem Hometrainer treten.
− Aus einem kleinen Glas (0,2 l), welches mit Benzin oder Heizöl aufgefüllt ist, kann etwa soviel Strom gewonnen werden,
− oder auch aus einem großen Glas (0,6 l) gefüllt mit Holzpellets.
− In einem Kohle-Kraftwerk wird aus 300g Steinkohle 1 kWh erzeugt.

Da im späteren Verlauf der Arbeit oft Kraftwerksleistungen angesprochen werden und die Kernenergie als traditionelle Energieform stark umstritten ist, will ich hier auch noch einige Leistungsdaten von Kernkraftwerken auflisten. Dabei ist die Leistung stark von der Anzahl der Reaktoren, die in Betrieb sind, abhängig. Aber auch von der verwendeten Technologie und damit dem Alter.

Kernkraftwerke in näherer Umgebung sind¹⁸:

- Leibstadt: 1‘165 MW
- Beznau: 730 MW
- Gösgen: 970 MW
- Grundremmingen: 2‘572 MW
- Isar: 2‘278 MW

Dazu muss man auch wissen, was ein Haushalt an Strom verbraucht. Insofern nicht mit Strom geheizt und die Warmwassergewinnung auch anderweitig erfolgt, kann man von folgenden Werten jährlich ausgehen¹⁹:

- Single-Haushalt: 1‘800 kWh
- 2-Personen-Haushalt: 2‘500 kWh
- 4-Personen-Haushalt: 4‘000 kWh
- 6-Personen-Haushalt: 5‘600 kWh

Daraus ergeben sich Durchschnittswerte von ca. 5, 7, 11 und 15 kWh pro Tag für die jeweiligen Haushaltsgruppen. Dies soll als Orientierung dienen, wenn später die Kraftwerke und ihre Leistungen angesprochen werden und man so eine grobe Vorstellung hat, wie viele Haushalte ein Kraftwerk versorgen kann.

Im nächsten Kapitel soll nun auf die Entwicklung erneuerbarer Energien eingegangen werden.

2.4 Geschichtlicher Hintergrund

2.4.1 Entwicklungsperspektive

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5 - Von der Ersten zur Dritten Industriellen Revolution²⁰

Im 20. Jahrhundert dominierte die industrielle Massenproduktion auf Basis billiger Rohstoffe. Eine enorm hohe Produktivität wurde dadurch für den Faktor Arbeit ermöglicht. Fossile Energien, Kohle in der Ersten und Öl in der Zweiten Industriellen Revolution, haben die Bedingungen für Verkehr, Produktion und Konsum erleichtert.

Kennzeichnend für die Erste Industrielle Revolution war die Verwendung von nun Kohle statt Holz als Brennstoff und Stahl als Baustoff. Insbesondere wurde dadurch erstmalig der Eisenbahnbau ermöglicht. Über die Nutzung des Wasser- dampfes durch die Entwicklung der Dampfmaschine wurden die wirtschaftlichen Produktionsprozesse revolutioniert, da von nun an keine Abhängigkeit zu den alten Energieträgern Wasser und Wind bestand. Durch die Unabhängigkeit zu diesen alten Energieträgern, welche sehr standortgebunden waren, entwickelte sich eine noch nie da gewesene Mobilität. Dies hatte erhebliche Auswirkungen: neuartige Produktion, hohes Bevölkerungswachstum, Landflucht, Urbanisierung und Entwicklung eines Sozialbewusstseins sind die Kernaspekte dieser Phase [20].

Die Zweite Industrielle Revolution wurde ermöglicht durch den Einsatz elektrischer Energie und Erdöl, welches neben der Kohle eine weitere Möglichkeit zur Energie- gewinnung darstellte. Mit ihr gewann auch die Kohlenstoffchemie an Bedeutung. Fordismus (Massenproduktion) und Taylorismus (Produktivitätserhöhung durch z.B. Aufteilung in kleinste Arbeitsschritte) führten zu einer enormen Produktivitäts- steigerung, der Massenproduktion von Gütern, dem Massenkonsum, einem starken Mittelstand sowie einem beginnenden Wohlfahrtsstaat[20].

Die preiswerte Verfügbarkeit aller Rohstoffe neigt sich nun aber einem Ende zu. Weiterhin erweisen sich die Auswirkungen auf Klima und Umwelt als erheblich bedrohlich und negativ. Daher stößt diese Strategie heute an seine Grenzen. Mehr und mehr gibt es Marktstörungen durch Engpässe in der Rohstoffversorgung.

Diese Phasen wurden erstmals von dem russischen Wissenschaftler Kondratjew beobachtet und dokumentiert. Daher werden sie Kondratjew-Zyklen genannt. Dabei sind neue Technologien und Basisinnovationen Grundlage für diese dramatisch beschleunigten und vielfältigen Wandel in allen Bereichen bis schließlich ein neues Gleichgewicht gefunden wird[20].

In der heutigen dritten Phase geht es nun primär um die Erschließung und effiziente Nutzung erneuerbarer Energien.

2.4.2 Gesetzliche Perspektive

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - Beitrag der EE und zeitliche Einführung der Gesetze[4]

Das erste Gesetz, das die erneuerbaren Energien berücksichtige, war das Stromeinspeisungsgesetz (StrEG), welches Ende 1990 verabschiedet wurde und am 1. Januar 1991 in Kraft trat. Es wurde später im Jahr 2000 durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2000) abgelöst.

In der ursprünglichen Fassung waren die Kernpunkte folgende: mit dem grundsätzlichen Ziel der Ressourcenschonung und des Klimaschutzes sollte der Anteil an erneuerbaren Energien ausgeweitet werden. Die Einspeisung in das Netz war zu dieser Zeit das Hauptproblem.

Die erarbeitete Lösung sah eine Abnahmepflicht (§ 2) von Strom von erneuerbaren Energien für die Energieversorger in ihrem jeweiligen Einzugsgebiet vor.

In dieser heißt es „Die Elektrizitätsversorgungsunternehmen sind verpflichtet, den in ihrem Versorgungsgebiet erzeugten Strom aus erneuerbaren Energien abzunehmen und den eingespeisten Strom nach § 3 zu vergüten²¹ “.

So erfolgte also eine gesetzliche Verpflichtung diesen Strom abzunehmen und zum Mindestpreis zu vergüten (§ 3). Berücksichtigt war dabei „Strom, der ausschließlich aus Wasserkraft, Windkraft, Sonnenenergie, Deponiegas, Klärgas oder aus Produkten oder biologischen Rest- und Abfallstoffen der Land- und Forstwirtschaft gewonnen wird[21] “. Nicht betroffen waren dabei Wasserkraft- werke, Deponiegas- oder Klärgasanlagen mit einer Leistung über 5 Megawatt plus einige weitere wenige Ausnahmen.

Der Mindestpreis bestimmte sich hierbei jeweils anteilig über den Durchschnittserlös je Kilowattstunde (nach der amtlichen Statistik des Bundes vom Vorjahr) an den Endverbraucher.

Der Anteil für Wasserkraft, Deponiegas und Klärgas sowie Biomasse lag hierbei bei mind. 75%, während für Sonnenenergie und Windkraft die Vergütung bei 90% lag[21].

Über die im November 1997 verabschiedete Novelle im BauGB, das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) im April 2000, das erneuerte EEG im August 2004 und das aktuellste EEG von 2009 wurden die erneuerbaren Energien weiter gefördert und eingebunden. Durch die Gesetze und deren Förderung stieg in der Folge dann auch der Ausbau insbesondere der Windkraft und Biomasse, wie man in der Grafik gut sehen kann.

Das erstmals im Jahr 2000 eingeführte Erneuerbare-Energien-Gesetz sieht nun ein konkreteres erweitertes Ziel vor:

§ 1 Ziel des Gesetzes

Ziel dieses Gesetzes ist es, im Interesse des Klima- und Umweltschutzes eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen und den Beitrag Erneuerbarer Energien an der Stromversorgung deutlich zu erhöhen, um entsprechend den Zielen der Europàischen Union und der Bundesrepublik Deutschland den Anteil Erneuerbarer Energien am gesamten Energieverbrauch bis zum Jahr 2010 mindestens zu verdoppeln²².

Von 2000 bis 2010, also innerhalb von 10 Jahren, soll der Anteil der erneuerbaren Energien verdoppelt werden. Dieses Ziel wurde schon im Jahr 2007 erreicht²³.

In der aktuellsten Fassung des EEG, welches ab 1. Januar 2009 in Kraft trat, ist der Zweck des Gesetzes im Vergleich zum StrEG nochmals bedeutend erweitert worden. Nach § 1 des Bundesgesetzblattes Nr. 49 heißt es:

„(1) Zweck dieses Gesetzes ist es, insbesondere im Interesse des Klima- und Umweltschutzes eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen, die volkswirtschaftlichen Kosten der Energieversorgung auch durch die Einbeziehung langfristiger externer Effekte zu verringern, fossile Energieressourcen zu schonen und die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien zu fördern.

(2) Um den Zweck des Absatzes 1 zu erreichen, verfolgt dieses Gesetz das Ziel, den Anteil Erneuerbarer Energien an der Stromversorgung bis zum Jahr 2020 auf mindestens 30 Prozent und danach kontinuierlich weiter zu erhöhen.“ ²⁴

Im Unterschied zum StrEG ist der Zweck nun nicht mehr nur die Ressourcenschonung und der Klimaschutz. Vielmehr ist das Ziel nun auch eine „nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung“, die „volkswirtschaftlichen Kosten der Energieversorgung […] langfristig zu verringern“ und „die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien zu fördern“. Im Absatz 2 wird nochmals ein neues Ziel definiert. Nicht mehr nur der relative Ausbau soll steigen, vielmehr sollen diese Energien einen absoluten Wert an der gesamten Stromversorgung bereitstellen.

Über die verschiedenen Versionen haben sich neben dem Genannten im Wesentlichen die Höhe der Fördergelder geändert.

Aufgrund des Erfolges dieses Gesetzes haben weltweit bereits 47 Länder das EEG als Vorbild für ihre eigene Förderung der erneuerbaren Energien benutzt ²⁵.

3.1 Windkraft

"Perhaps we cannot raise the winds. But each of us can put up the sail, so that when the wind comes we can catch it."

E.F. Schumacher (1973), britischer Ökonom, *16.08.1911 - †04.09.1977

3.1.1 Allgemein

Die Energie des Windes lässt sich zurückführen auf die Energie der Sonne. Die eintreffenden Strahlen werden von den verschiedenen Oberflächenstrukturen - Gesteinsmassen, Sand, Wasser, Eis, Vegetation - unterschiedlich intensiv aufgenommen. Wasserflächen sind in ihrer Temperaturveränderung zwar verhältnismäßig träge, können aber enorme Mengen an Wärme speichern und langsam wieder abgeben. Eisige Oberflächen hingegen reflektieren den Großteil der eintreffenden Strahlung. Demnach wird die Erdoberfläche an den Polen am geringsten und im Bereich des Äquators (auch bestimmt durch den Zenit-Stand der Sonne) am stärksten erwärmt[9].

Durch die unterschiedlichen Erwärmungen der Bodenoberflächen entstehen großräumig verschiedene Temperatur- und damit Druckgebiete zwischen welchen ein Druckausgleich in Form von Luftströmung (Wind) erfolgt. Die Energie- gewinnung aus diesen Winden kann über Windkraftanlagen (auch genannt Wind- energieanlagen, abgekürzt WEA) erfolgen. Diese können die Strömungsenergie des Windes zuerst in mechanische und über Generatoren dann in elektrische Energie umwandeln[7].

Die Gesamtleistung des Windes auf der gesamten Erde wird auf 4,3 Petawatt geschätzt. Nur ein kleiner Anteil hiervon ist technisch sinnvoll nutzbar, da für die Nutzung der Windkraft nur die bodennahen Winde eine Rolle spielen. Die Luftströmungen in höheren Schichten, wie z.B. Jet-Streams, werden aus diesem Grund nicht weiter berücksichtigt[9].

Der rasche Anstieg des Anteils an erneuerbaren Energien in den letzten Jahren ist zu einem großen Teil der Zunahme des Ausbaus der Windenergie zuzuschreiben. Im Jahr 2004 lag die Bereitstellung dieser Energie bei rund 26,5 TWh pro Jahr. Damit überholte sie auch die Wasserkraft, deren Beitrag im selben Jahr bei 21,5 TWh lag²⁶.

3.1.2 Die ersten Windràder

Früh machte sich der Mensch den Wind zunutze, da lange Zeit neben Wind nur Wasser als einzige Quellen der Energie zur Verfügung standen. Neben der Fortbewegung auf Wasser durch Segel wurde der Wind auch zum Betrieb von Schöpf- und Mahlwerken benutzt[26].

Der Ursprung der ersten Windmühlen liegt gemäß einer arabischen Schrift aus dem neunten Jahrhundert in Persien im Hochland an der Grenze zu Afghanistan. In dieser heißt es, dass sich dort nach unserer Zeitrechnung im Jahr 644 die erste Windmühle gedreht habe. Von hier sollen sie sich nach Kleinasien verbreitet haben, später sollen Araber und Kreuzritter mit den Kreuzzügen diese Technik der Nutzung von Windenergie nach Europa eingeführt haben. Zwar sollen die meisten Müller an ihren Standorten mit den über Wasserkraft angetriebenen Mühlen festgehalten haben wollen, doch die neue Technik erschloss besonders für wasserentlegene Gegenden neue Möglichkeiten9.

Üblicherweise bestanden die ersten Windräder dieser Art aus einer vertikalen Achse. Bei diesen wird eine geometrische Fläche dem Wind entgegengehalten. Die durch die Windströmung entstehende Widerstandskraft versetzt die Rotorblätter in Bewegung. Dieser Typus Windrad wird Widerstandsläufer genannt 7.

Im 12. Jahrhundert entwickelten sich neue Typen wie die Bockwindmühle oder die Holländerwindmühle. Diese sind wesentlich effektiver, da ihre Achse nun horizontal gerichtet ist und die aerodynamische Auftriebskraft mit einfließt²⁶.

3.1.3 Einteilung und Effektivitàt

Widerstandsläufer besitzen allerdings nur einen Wirkungsgrad von maximal 12% der Strömungsenergie⁷. Die wesentlich effizienteren Auftriebsläufer hingegen können einen maximalen Wirkungsgrad von theoretisch berechneten 59% erreichen. Sie benutzen die Auftriebskräfte der Aerodynamik einer Flügelform und erzeugen damit eine Drehbewegung.

Heutzutage finden die erwähnten Widerstandsläufer eigentlich nur noch Anwendung bei den sogenannten Schalenstern-Anemometern. Diese werden zur Windmessung benutzt. Der geringe Wirkungsgrad entsteht dadurch, dass die Rotorblätter gegen den Wind zurückgeführt werden müssen und damit die Drehbewegung bremsen 7 [26].

Klassifiziert werden können die Windenergieanlagen in mehrere Gruppen[7], die sich nach der jeweiligen Leistung richten:

- kleinst-WEA (einige Kilowatt)
- kleine WEA (Rotordurchmesser bis 16 m und bis 50 Kilowatt)
- mittlere WEA (bis 45 m Rotordurchmesser und 500 Kilowatt)
- große WEA (bis über 100 m Rotordurchmesser und mehrere Megawatt)

Wie in Tabelle 6 veranschaulicht ist, ist die Entwicklung der WEA jedoch enorm. Insbesondere im Vergleich stellen die neuen Anlagen in Größe wie auch Leistung jene aus den 80er Jahren deutlich in den Schatten. Die energetische Amortisationszeit für eine heutzutage übliche WEA beträgt außerdem nur noch zwischen 4-7 Monaten[7].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 6 - Technische Entwicklung bei WEA²⁷

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¹ Spiegel Online. Erderwärmung: Sechs Notoperationen fürs Weltklima. [Online] Der Spiegel, 25. April 2008. [Zitat vom: 18. Juni 2009.] http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,548857,00.html.

² Spiegel Online. Konzept gegen Klimawandel: Die Welt soll weiß werden. [Online] Der Spiegel, 27. Mai 2009. [Zitat vom: 18. Juni 2009.] http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,627148,00.html.

³ Heinberg, Richard. Öl-Ende »The Party's Over« Die Zukunft der industrialisierten Welt ohne Öl. München : Riemann-Verlag, 2008.

⁴ Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU): Arbeitsgruppe Eneuerbare Energien (AGEE). Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2007 - Grafiken und Tabellen, Stand Dezember 2008. Berlin : s.n., 2008. Veröffentlichung. http://www.erneuerbare-energien.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/ee_zahlen_2007_dt_update.pdf.

⁵ F. A. Brockhaus GmbH. Die Enzyklopädie. Leipzig, Mannheim : F. A. Brockhaus-Verlag, 1997. Bd. 6.

⁶ Hering, Ekbert, Martin, Rolf und Stohrer, Martin. Taschenbuch der Mathematik und Physik. 4. Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 2004.

⁷ Hennicke, Peter und Fischedick, Manfred. Erneuerbare Energien - Mit Energieeffizienz zur Energiewende. München : C. H. Beck-Verlag, 2007.

⁸ Synwoldt, Christian. Mehr als Sonne, Wind und Wasser - Energie für eine neue Ära. Weinheim : Wiley-VCH-Verlag, 2008.

⁹ Graf, Angelika. scinexx - das Wissensmagazin. [Online] Springer Verlag & MMCD NEW MEDIA GmbH, 06. April 2000. [Zitat vom: 07. Juli 2009.] http://g-o.de/dossier-102-1.html.

¹⁰ Deutscher Bundestag. Bundesgesetzblatt online: Gesetz zur geordneten Beendigung der Kernenergienutzung zur gewerblichen Erzeugung von Elektrizität. [Online] 22. April 2002. [Zitat vom: 23. August 2009.] http://www.bgblportal.de/BGBL/bgbl1f/BGBl102026s1351.pdf.

¹¹ International Energy Agency. IEA.org. [Online] 2008. [Zitat vom: 17. Juli 2009.] http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2008/key_stats_2008.pdf.

¹² Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG. Brockhaus Enzyklopädie Online. [Online] 21. Auflage. [Zitat vom: 16. Juli 2009.] http://www.brockhaus-enzyklopaedie.de.

¹³ Bosch. Produkte. [Online] [Zitat vom: 5. August 2009.] http://www.bosch-home.com/de/hausgeräte/produkte.html.

¹⁴ Büssgen, Alfred. Goodbye Eisbär - Erneuerbare Energien als Klimaretter. Frankfurt a. M. : R. G. Fischer-Verlag, 2008.

¹⁵ Bund der Energieverbraucher. Fingerübung Energieeinheiten und Größenordnungen. [Online] [Zitat vom: 5. August 2009.] http://www.energieverbraucher.de/de/site/Hilfe/Daten-und-Statistiken__988/ContentDetail__4748/.

¹⁶ Bureau International des Poids et Mesures. SI: SI brochure (8th ed.): Chapter 3: SI prefixes. [Online] [Zitat vom: 5. August 2009.] http://www.bipm.org/en/si/si_brochure/chapter3/prefixes.html.

¹⁷ Bund der Energieverbraucher. Gesichter einer Kilowattstunde. [Online] [Zitat vom: 5. August 2009.] http://www.energieverbraucher.de/de/site/Hilfe/Daten-und-Statistiken/Gesichter-einer-Kilowattstunde__1116/.

¹⁸ Nuklearforum Schweiz. KKW der Welt. Online] [Zitat vom: 25. August 2009.] http://www.nuklearforum.ch/122579297964-de-index.html.

¹⁹ TopTarif Internet GmbH. TopTarif - Sparen bei Verträgen. [Online] [Zitat vom: 26. August 2009.] http://www.toptarif.de/.

²⁰ Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU). Die Dritte Industrielle Revolution - Aufbruch in ein ökologisches Jahrhundert, Dimensionen und Herausforderungen des industriellen und gesellschaftlichen Wandels. Berlin : Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), 2008. Veröffentlichung.

²¹ Deutscher Bundestag. Clearingstelle EEG. [Online] 05. Oktober 1990. [Zitat vom: 05. Juli 2009.] Die Clearingstelle EEG wurde vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit errichtet. http://www.clearingstelle-eeg.de/filemanager/active?fid=272.

²² Deutscher Bundestag. [Online] 29. März 2000. [Zitat vom: 12. Juli 2009.] http://www.umweltministerium.de/gesetze/verordnungen/doc/2676.php.

²³ Deutscher Bundestag. EEG-Erfahrungsbericht 2007. [Online] 7. November 2007. [Zitat vom: 24. August 2009.] http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/erfahrungsbericht_eeg_2007.pdf.

²⁴ Deutscher Bundestag. Bundesgesetzblatt online. [Online] Nr. 49, 31. Oktober 2008. [Zitat vom: 12. Juli 2009.] http://www.bgbl.de/Xaver/start.xav?startbk=Bundesanzeiger_BGBl.

²⁵ Photovoltaic Austria. Solarserver.de. Das Internetportal zur Sonnenenergie. [Online] 07. Juli 2007. [Zitat vom: 12. Juli 2009.] http://www.solarserver.de/news/news-7230.html.

²⁶ Bührke, Thomas und Wengenmayr, Roland. Erneuerbare Energien, Alternative Energiekonzepte für die Zukunft. Weinheim : Wiley-VCH-Verlag, 2007.

²⁷ Bundesverband WindEnergie e.V. Materialien: Folien-Sammlung: Technik. [Online] [Zitat vom: 16. Juli 2009.] http://www.wind-energie.de/fileadmin/bilder/folien/downloads/technik.ppt.