Regenerative Energien

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Begriff und Definition regenerativer Energien
2.2 Darstellung von Energieproblematiken

3 Technologie und Potentiale regenerativer Energiebereitstellung
3.1 Solarenergie
3.1.1 Solarthermie
3.1.2 Photovoltaik
3.1.3 Biogene Energie
3.1.4 Windenergie
3.2 Wasserkraftenergie
3.3 Geothermie

4 Ökonomische Aspekte regenerativer Energien
4.1 Möglichkeiten und Grenzen regenerativer Energien
4.2 Förderung regenerativer Energien
4.2.1 Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
4.2.2 Marktanreizprogramm
4.2.3 Weitere Fördermaßnahmen
4.3 Nutzungsmöglichkeiten in der Landwirtschaft

5 Zusammenfassung

Anhang

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Stromerzeugung und -verbrauch in Deutschland

Abbildung 2: Einteilung von Biomasse

Abbildung 3: Zusammensetzung des Biogases

Abbildung 4: Prinzipdarstellung am Beispiel der Oxidkeramischen Brennstoffzelle

Abbildungen 5 : Schema der HDR-Methode und einer Geothermieanlage

Abbildungen 6: Schema der HDR-Methode und einer Geothermieanlage

Abbildung 7: Entwicklung der realisierbaren regenerativen Stromerzeugung

Abbildung 8: Energieszenario unter Berücksichtigung der Kyoto-Ziele

1 Einleitung

„Selbst eine ganze Gesellschaft, eine Nation, ja alle gleichzeitigen Gesellschaften zusammengenommen, sind nicht Eigentümer der Erde. Sie sind nur ihre Besitzer, ihre Nutznießer, und haben sie als boni patres familias den nachfolgenden Generationen verbessert zu hinterlassen.“Karl Marx aus: Das Kapital

In der heutigen schnellebigen Zeit wird schnell vergessen, was wir Kindern und nachfolgenden Generationen zurücklassen. Klimawandel, Umweltkatastrophen, Waldsterben, Ressourcenverknappung, Artensterben sind nur einige Begriffe die immer wieder auftauchen um Umweltprobleme zu verdeutlichen. Doch die Ursachen liege n beim Menschen. Bestimmte Dinge sind nicht umkehrbar und das sollte für das eigene Handeln bedacht werden. Hier tritt das Nachhaltigkeitsprinzip in Kraft. Es dürfen nicht mehr Rohstoffe der Natur entnommen werden und nicht mehr Stoffe der Natur zugefügt werden als das Ökosystem Natur dies verkraften kann. Die Generationengerechtigkeit soll somit erfüllt bleiben¹.

Energie ist das, was der Mensch jeden Tag benötigt. Ohne sie würde auf der Welt fast alles stillstehen. Derzeitig wird Energie zumeist aus nicht nachhaltigen Rohstoffen gewonnen. In den vergangenen Jahren ist immer wieder der Begriff Regenerative Energie aufgetaucht. Es handelt sich hierbei um Energien aus erneuerbaren Quellen. Solche Energien sind nicht neu, sondern werden schon seit mehreren Jahrhunderten in Form von Windmühlen z.B. genutzt. Die folgende Arbeit beschäftigt sich mit dieser Thematik.

Diese Arbeit gibt einen Überblick über regenerative Energien und deren praktische Nutzung. Die Betrachtungen dieser Arbeit beschränken sich vorwiegend auf die wichtigsten Energiequellen, die derzeitig nutzbar sind. In Kapitel 2 wird eine gemeinsame Wissensgrundlage hergestellt, wobei der Begriff regenerative Energie erläutert wird. Es erfolgt dabei auch eine systematische Einordnung und Abgrenzung des Begriffes, sowie eine Klassifizierung. Im darauffolgenden Kapitel werden die Nutzungsmöglichkeiten einiger ausgewählter Formen aufgezeigt. Dabei wird auch auf die möglichen Potentiale sowie Vor- und Nachteile eingegangen. Im Abschnitt 4 wird dargelegt, welche ökonomischen Aspekte bestehen und welche Förderungen derzeitig in Deutschland zur Zielerreichung der Nachhaltigkeit beitragen. Dabei wird auch auf das Potential der Nutzung in der Landwirtschaft eingegangen.

2 Grundlagen

2.1 Begriff und Definition regenerativer Energien

Regenerativ stammt aus dem Englischen und bedeutet erneuerbar. Regenerative Energie bezeichnet die Bereitstellung von Energie aus nachhaltigen Quellen, die entweder nachwachsen/sich selbst erneuern oder unerschöpflich sind. Regenerativ ist in diesem Zusammenhang nicht ganz korrekt, da Energie nicht erneuert wird - nur umgewandelt, hat sich aber im allgemeinen Sprachgebrauch eingebürgert. Regenerative Energie kann von der fossilen und der nuklearen (atomaren) abgegrenzt werden.

Die fossilen Energieträger sind feste, flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen, die aus Überresten von Lebensformen, die in vorgeschichtlicher Zeit existiert haben, entstanden sind. Zu den fossilen Energieträgern zählen Kohle, Erdöl und Erdgas. Werden diese Brennstoffe verfeuert, sind sie unwiederbringlich verloren. Sie sind endlich. Nukleare Energie wird aus der Kernspaltung oder -fusion gewonnen, bei der die Kerne von Atomen entweder gespalten werden oder zu einem größeren zusammenschmelzen. Beim Erzeugen nuklearer Energie entsteht Radioaktivität. Radioaktivität ist etwas Natürliches und kommt überall vor. Die zu hohe Konzentration ist jedoch das Schädliche bei diesem Verfahren der Energiegewinnung. Dies sind nur wenige Probleme, die bei der Nutzung dieser Energiequellen auftreten. Deshalb sollen im folgenden Subkapitel einige Problematiken dargestellt werden.

2.2 Darstellung von Energieproblematiken

Eines der größten Probleme die bei der Nutzung von fossilen Energieträgern besteht, ist die Endlichkeit. Jahrelang waren die fossilen Brennstoffe, hauptsächlich Kohle, später Öl und Gas unsere Hauptenergielieferanten, ohne daß sich jemand über das Versiegen dieser Energiequellen Gedanken machte. Erst die Ölkrisen in den 70er Jahren, Kriege um Öl sowie Verschmutzung von Meeren, Luft und Trinkwasser führten dazu, daß man sich über eine Weiterführung der bisherigen Energiepolitik Gedanken machte. Bekannt ist aber auch, daß die heutigen Erdölreserven bei gleichbleibenden Verbrauch noch ca. 45, die von Ergas noch 65, von Kohle noch 165 und von Uran noch 37 Jahre ausreichen².

Öl ist nicht nur wertvoll für die Energienutzung, es gewinnt auch immer mehr an Bedeutung als Chemierohstoff und wird somit auch für die kommenden Generationen fast unverzichtbar. Ein weiteres Problem sowohl bei nuklearer als auch bei fossiler Energieproduktion ist die Umweltverschmutzung. Sieht man von der Sicherheitsproblematik von Kernkraftwerken, z.B. Tschernobyl, ab, bleibt immer noch die Entsorgung radioaktiver Brennstäbe. Diese werden derzeitig unter Tage eingelagert. Hochradioaktiver Abfall bleibt viele tausend Jahre aktiv, daher sind die Anforderungen an ein Endlager entsprechend hoch. Die tatsächliche Stabilität solcher Endlager für den notwendigen jahrhundertelangen Einschluß ist allerdings umstritten.

Ein weiteres Problem ist der stetig steigende Energiekonsum, der die derzeit bestehende Lage noch verschlechtert. Das Problem wird gerade bei den Entwicklungsländern eine entscheidende Rolle spielen, da hier die größten Bevölkerungszunahmen zu verzeichnen sind. Aber auch steigende Lebenserwartung und steigende Ansprüche an Lebensqualität wird eher zu einer Zunahme denn Abnahme sowohl in den Entwicklungsländern als auch bei den Industrienationen führen. Zur Deckung des Energiebedarfs müßten auch in den instabileren Staaten Kernkraftwerke errichtet werden. Sabotageakte, Kriegshandlungen oder Unterschätzung der Gefahren sowie der mögliche Einsatz zu Kriegszwecken läßt das schon vorhandene Risiko um ein vielfaches steigen³.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Stromerzeugung und -verbrauch in Deutschland⁴

Bei fossilen Energieträgern besteht das Problem der Umweltverschmutzung aus den stetig steigenden Emissionen von Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (SOX). Dies sind klimarelevante Gase, die als Auslöser für den „anthropogenen Treibhauseffekt“ gelten, da sie innerhalb kurzer Zeit aus stabilen Senken freigesetzt werden. Folge ist ein Klimawandel mit einer Vergrößerung des Ozonlochs, verheerenden Katastrophen und einem Abschmelzen der Pole und Gletscher, was wiederum zu einem Anstieg des Meeresspiegels führt. Halb Deutschland würde dann unter dem Meer verschwinden⁵.

Die skizzierten Tatsachen und Entwicklungen zeigen die Notwendigkeit auf Energieformen zu nutzen, die zwei Eigenschaften zugleich erfüllen: umweltschonend und unerschöpflich. Dies leisten bisher nur regenerative Energien. Die Technologie und die Potentiale, die daraus erwachsen, werden nachfolgend jeweils mit einigen Vor- und Nachteilen dargestellt.

3 Technologie und Potentiale regenerativer Energiebereitstellung

Die wichtigste Energiequelle der Erde ist die Sonne, die durch Umwandlungsprozesse in verschiedenen Erscheinungsformen auftritt. Die Sonne bewirkt einerseits durch ihre Strahlung den Wind- und Wasserkreislauf auf der Erde und das Entstehen von Leben und damit verbunden von Biomasse. Andererseits ist ihre Strahlungsenergie auch direkt zur Strom- oder Warmwassererzeugung oder indirekt zur Erzeugung von Strom mittels Aufwinde nutzbar. Die Solarenergie wird deshalb im folgenden als erstes dargestellt. Als letztes der durch Sonneenergie erzeugten Erscheinungsform soll die Windkraft behandelt werden. Einige ausgewählte, weitere primäre Energieformen, wie Wasserkraft und Erdwärme, werden in den Subkapiteln 3.2 und 3.3 kurz geschildert.

3.1 Solarenergie

Unsere Sonne enthält zu 92,1% das Element Wasserstoff und zu 7,8% Helium⁶. 700 Mio. Tonnen H2 werden im Kern der Sonne pro Sekunde zu 695 Mio. Tonnen Helium umgewandelt. Aus dieser Reaktion entsteht die gesamte Energie der Sonne, die der Erde in Form von Strahlung zur Verfügung steht⁷. Die Nutzung der direkten Sonnenenergie ist mittels Thermie, (solare Wärmegewinnung) durch Umwandlung der Lichtenergie entstehende Wärme, und durch Stromgewinnung mittels Photovoltaik möglich.

3.1.1 Solarthermie

Die thermische Nutzung der Sonnenenergie kann direkt und indirekt erfolgen. Kollektorsysteme zur direkten Nutzung sind beispielsweise Absorber, Flachkollektoren, Röhrenkollektoren oder konzentrierende Kollektorsysteme (z.B. Sonnenofen oder Parabolrinnenkollektor).

Ein Absorber wandelt die auf einer dunklen Oberfläche auftreffende Lichtenergie in Wärmeenergie um. Eine Fortführung der Technik ist der Kollektor, der zur Wirkungsgradsteigerung durch eine Abdeckung (meist Glas) erweitert wurde. Die hierbei immer noch auftretenden Verluste durch innere Konvektion, Luftzirkulation oder Wärmleitung lassen sich durch den Ansatz des Vakuum- Röhren-Kollektors vermindern. Hier ist der Absorber in eine evakuierte Spezialröhre eingebaut. Konzentrierende Kollektorsysteme versuchen die Leistung auf einer kleinen Fläche zu steigern und so höhere Temperaturen bei kostengünstigeren Strukturen zu erzeugen. Beispiele hierfür sind die Parabolrinnkollektoren als Linienkollektoren und die Hohlspiegelkollektoren als Punktkollektoren⁸.

Eine indirekte Nutzung der Solarthermie ist beispielsweise das Aufwindkraftwerk, welches sich der Thermik erwärmter Luft bedient und mittels einer Windturbine im Aufwindkamin in elektrische Energie umgewandelt wird.

Mit Hilfe der Solarthermie lassen sich Energien von rund 670EJ/a generieren, was unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades einem Stromerzeugungspotential von 52 PWh/a entspricht⁹.

Neben der Erwärmung von Warmwasser im Haushalt/Gewerbe/Industrie werden Solarthermieanlagen auch für weitere Anwendungen verwendet: So werden in Deutschland über 200 Freibäder mittels Solarkollektoren beheizt. Solarkollektoren können teilweise auch zur Unterstützung der Beheizung von Gebäuden eingesetzt werden. Da in den Heizmonaten allerdings die Sonnenstrahlung eher gering ist, ist dies meist nur mit dem Einbau von Pufferspeichern möglich. Vorteile bestehen im Nichtverbrauch natürlicher Ressourcen, dem nicht vorhandenem Schadstoffausstoß, dem geringen Wartungs- und Betriebsaufwand sowie in der Nutzung für private Zwecke. Nachteile bestehen bei der eher geringen und unregelmäßigen Sonnscheindauer, dem geringen Wirkungsgrad (Systemnutzungsgrad=34%)¹⁰, den noch hohen Kosten der Installation und dem teilweise enormen Platzbedarf und somit der Vernichtung von ökologischen Lebensräumen.

3.1.2 Photovoltaik

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung der Energie des Sonnenlichtes in Strom mittels Solarzellen. Bei der Stromerzeugung aus solarer Energie wird der photovoltaische Effekt genutzt.

Solarzellen bestehen aus zwei Halbleitermaterialien. Die eine ist positiv, die andere negativ geladen. Die meisten Solarzellen werden aus Silizium gefertigt, welches durch absichtliches Hinzufügen von Verunreinigungen, z.B. Phosphor einen Überschuß an positiven oder negativen elektrischen Ladungsträgern erhält. Diese gewollte Verunreinigung nennt man Dotierung, die Schnittstelle p-n Übergang. Zwischen diesen beiden Schichten baut sich ein elektrisches Feld auf, welches zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger, Photonen, führt. Durch angebrachte Metallkontakte kann die entstandene Spannung abgegriffen werden¹¹. Es fließt ein Gleichstrom, der durch einen Wechselrichter noch umgewandelt wird. Bei kristallinen Siliziumzellen entsteht eine Spannung von 0,5 V, die durch zusammenschließen von mehren Zellen zu einem Modul verstärkt wird¹². Der theoretische maximale Wirkungsgrad bei Verwendung von Silizium wurde mit 28% bestimmt. Praktisch wird aber meist nur ein Wirkungsgrad um 10% erreicht¹³. Photovoltaikanlagen werden entweder als dezentrale Kleinanlagen auf Häuserdächern oder als Großanlagen auf Industriedächern oder Freiflächen eingesetzt. Man findet sie auch immer häufiger an Signalen und Parkscheinautomaten.

Sonnenstromerzeugung ist sehr umweltfreundlich und kann entscheidend zur Reduktion der fossilen Energiegewinnung beitragen. Positiv zu bewerten ist die Installation auf Häuserdächern, da es zu keiner zusätzlichen Flächenversiegelung führt. Problematisch sind Anlagen auf Freiflächen, die zu Eingriffen in ökologische Systeme führen¹⁴.

Das theoretisch nutzbare Potential der Solarstromgewinnung wird unter Berücksichtigung der Fläche von 3,571·10¹¹ m² und einer mittleren Bestrahlung von 1.064 kWh/(m²·a) in Deutschland mit 3,8·10¹⁴ kWh/a = 1.368 EJ/a angeben. Dies würde den 94 fachen Bedarf des Jahresstromsverbrauches von 1997¹⁵ decken. Andere Quellen gehen von geringeren Werten - 670EJ/a - aus¹⁶.

3.1.3 Biogene Energie

Biogene Energie ist die Gesamtheit der aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen Energieträgern und daraus hergestellten Energie. Unter Biomasse versteht man die gesamte organische Substanz von Tieren und Pflanzen: die in der Natur lebenden Phyto- und Zoomasse, der daraus resultierenden Rückstände und Nebenprodukte (Gülle), abgestorbene, aber noch nicht fossile Phyto- und Zoomasse und die Stoffe, die durch eine technische Umwandlung oder Nutzung daraus entstanden sind (Papier, Pflanzenöl). Man kann dann weiterhin in primärere und sekundärere Biomasse unterscheiden, die durch das Kriterium der unmittelbaren (Photosynthese) oder mittelbaren Sonnenenergienutzung abgegrenzt werden¹⁷.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Einteilung von Biomasse

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¹ Vgl. Net-Lexikon (o.D.), online im Internet : http://www.net-lexikon.de/Nachhaltigkeit.html, Abruf 4.1.03.

² Vgl. Gründiger (2002), S. 60.

³ Vgl. Quaschning (2000), S. 16 und Gründinger (2002), S. 16.

⁴ Quaschning (2000), S. 4.

⁵ Vgl. Williams (2002), S. 13.

⁶ (Bezug der Prozentangaben auf Anzahl der Atome, gewichtsmäßig nimmt Wasserstoff einen Anteil von 75% und Helium einen Anteil von 25% ein).

⁷ Vgl. Net-Lexikon (o.D.), online im Internet: http://www.net-lexikon.de/Sonne.html, Abruf 4.1.03.

⁸ Vgl. Kaltschmitt/Wiese (1997), S. 124ff und Mohr/Svoboda/Unger (1999), S. 8ff.

⁹ Vgl. Kaltschmitt/Wiese (1997), S. 161

¹⁰ Vgl. Kaltschmitt/Wiese (1997), S. 141.

¹¹ Vgl. Messenger/Ventre (1999), s. 297ff/ Kaltschmitt/Wiese (1997), s. 184f und Patel (1999), S. 125ff.

¹² Vgl Net-Lexikon (o.D), online im Internet: http://www.net-lexikon.de/Solarzelle.html, Abruf 4.1.03.

¹³ Vgl. Kaltschmitt/Wiese (1997), S. 190.

¹⁴ Vgl. Kasper (2000), S. 60.

¹⁵ Vgl. Quaschning (2000), S. 43.

¹⁶ Vgl. Kaltschmitt/Wiese (1997), S. 443 und 461.

¹⁷ Vgl. Kaltschmitt/Wiese (1997), S. 499.