Erneuerbare Energien zum Verstehen und Mitreden E-Book

Christian Holler

• Herausgeber: C. Bertelsmann Verlag
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2021

Seitenzahl: 152

Beschreibung

Ein einfallsreich bebilderter Kompass für die Welt der erneuerbaren Energien – ausgezeichnet von der Stiftung Buchkunst als eines der schönsten deutschen Bücher

Fossile Energieträger wie Kohle und Öl sind „out“: Ihre Nutzung verschärft den Klimawandel, und wir müssen sie so schnell wie möglich ersetzen. Nur, was sind gute Alternativen? Und reichen andere Energiequellen aus, unseren Energiehunger in Zukunft zu stillen? Sind sie so verlässlich wie die alten Energielieferanten? In diesem durchgängig farbig illustrierten Buch untersuchen die Autoren gemeinsam mit Studierenden, die das Buch gestaltet haben, kurz, anschaulich und verständlich, was erneuerbare Energien aus Sonne, Wasser oder Erdwärme energietechnisch schaffen und wie sie sich im Vergleich untereinander bewerten lassen. Das richtige Buch für alle, die mitdenken, mitreden und mitentscheiden wollen über die Energien der Zukunft.

Leseprobe

Erneuerbare Energien

zum Verstehenund Mitreden

Christian HollerJoachim GaukelHarald LeschFlorian Lesch

Der Inhalt dieses E-Books ist urheberrechtlich geschützt und enthält technische Sicherungsmaßnahmen gegen unbefugte Nutzung. Die Entfernung dieser Sicherung sowie die Nutzung durch unbefugte Verarbeitung, Vervielfältigung, Verbreitung oder öffentliche Zugänglichmachung, insbesondere in elektronischer Form, ist untersagt und kann straf- und zivilrechtliche Sanktionen nach sich ziehen.Sollte diese Publikation Links auf Webseiten Dritter enthalten, so übernehmen wir für deren Inhalte keine Haftung, da wir uns diese nicht zu eigen machen, sondern lediglich auf deren Stand zum Zeitpunkt der Erstveröffentlichung verweisen.

Copyright © 2021 C. Bertelsmann

in der Penguin Random House Verlagsgruppe GmbH,

Neumarkter Straße 28, 81673 München

Redaktion Anne Tucholski

Gestaltung / Satz Manuel Lorenz, Anna Lino Roeßle

Illustrationen / Covergestaltung Charlotte Kelschenbach

Fotografien Adina Huber

Bildbearbeitung Reproline Mediateam GmbH, UnterföhringISBN 978-3-641-28496-1V006www.cbertelsmann.de

Denjenigen, die Energie in die Diskussion gebracht haben, freitags und an anderen Tagen.

Inhalt

Einstieg

Vorwort

Energie!

Energieverbrauch

Die wichtigsten erneuerbaren Energiequellen – mit Steckbrief und Bewertung

Sonne

Biomasse

Wind

Wasserkraft

Wellen

Gezeiten

Geothermie

Weitere Aspekte und Fazit

Weitere Energiequellen

Energiespeicher

Kernenergie – Kernspaltung und Kernfusion

Was bedeutet das alles für uns?

Danke!

Vorwort

Wie die Zeiten sich doch ändern. Früher kam der Strom einfach aus der Steckdose. Wie er in die Steckdose kam, hat uns nicht wirklich interessiert. Wenn überhaupt, dann war der Gedanke: „Die machen das schon!“ Die, das waren und sind die großen Energieunternehmen mit ihren großen Kraftwerken. Wenn man überhaupt etwas von der Stromproduktion wahrnahm, dann waren das die weiß qualmenden Riesenschornsteine der Kraftwerksanlagen. Und natürlich die großen und kleinen Überlandleitungen. In den Dörfern und Städten sieht man davon aber schon lange nichts mehr. Alles ist unterirdisch, unsichtbar. Die Stromversorgung geschieht durch Stromkabel. Und so wie das Erdgas durch Pipelines und unsere Abwässer durch unterirdische Kanalsysteme fließen, erreicht uns die höchste Form von Energie, die elektrische Energie, eben auch durch den Untergrund. Ein Kabel dockt ans Haus an, erscheint als Metallwurm von unten im großen Zählerkasten und versorgt alle Haushalte unter demselben Dach. Alles, was wir an grundlegenden Energien und Rohstoffen brauchen, wird unsichtbar geliefert, und unsere Abfälle verschwinden ebenso ins Unsichtbare.

Doch diese Zeiten sind vorbei! Noch nicht ganz, aber wir alle müssen dafür sorgen, dass der sorglose Umgang mit Energie und Rohstoffen ein schnelles Ende findet. Denn unser Planet meldet sich durch zahlreiche Erscheinungen, die unser aller Dasein bedrohen. Wir haben ihn zu einer globalen Abfallhalde gemacht, zu Lande, zu Wasser und in der Luft. Das fällt jetzt auf uns zurück. Es fällt uns auf die Füße. Fossile, Jahrmillionen alte Energien in Form von Kohle, Öl und Gas haben uns zwar gewärmt und bewegt, aber eben auch die Luft so verändert, dass die Erde heute ständig wärmer wird. Und genau darauf reagiert die Natur, und zwar auf ganz natürliche Weise: Die Eisflächen schrumpfen, die Permafrostböden tauen auf, die Meeresspiegel steigen, die Ozeane werden saurer, die Dürren immer länger und die Regenfälle stärker. Die Wetterextreme werden extremer, und die mittleren Temperaturen steigen und steigen. Ebenso die Konzentration an Treibhausgasen, die diese Erwärmung verursachen. Das Schlimme: Wir haben diesen Wandel ausgelöst!

So kann unsere Antwort darauf nur sein: Raus aus allem, was Kohlenstoff in die Atmosphäre treibt. Keine Verbrennung mehr von Kohle, Öl und Gas, sondern hinein in die erneuerbaren Energien. Aber werden Sonne und Wind unsere Stromproduzenten der Zukunft sein, oder gibt es Alternativen? Wie viel Fläche werden wir für erneuerbare Energien einsetzen müssen? Wird eine Reise durch das Deutschland der Zukunft eine Reise durch große Windparks, große Fotovoltaik- und Solarthermie-Anlagen sein, unter deren Kollektoren die Landwirtschaft auch in heißen Sommern hohe Erträge bringt? Oder wird die Energiewende ganz anders aussehen?

Egal, welche Vision Realität wird, in jedem Fall braucht es dazu die Hilfe und Unterstützung aller Menschen! Die Energiewende hin zu erneuerbaren Energien und ihr positiver Einfluss auf den Klimaschutz sind Schlüsselmomente für die zukünftigen Generationen. Dabei haben wir keine Zeit zu verlieren: Heute müssen die richtigen richtungsweisenden Entscheidungen getroffen werden. Aber damit da auch alle mitgehen können, müssen alle wissen, wovon die Rede bei dieser Veränderung ist. Ohne falsche Versprechen zu machen, mit Klarheit und physikalischen Argumenten erklären wir, was erneuerbare Energien können und was nicht. Und was unsere Worte nicht schaffen, das erklären die Grafiken. Viel Vergnügen! Und machen Sie mit!

Energie!

Sie verbrauchen Energie! Gerade jetzt! Ohne dass Sie irgendetwas tun, verbraucht Ihr Körper 2000 Kilokalorien am Tag, einfach nur, um Sie am Leben zu halten. Wenn Sie versuchen, diesen Text zu lesen und zu verstehen, verbrauchen Sie schon etwas mehr Energie, und wenn Sie gleich im Internet recherchieren, ob diese Behauptungen wirklich stimmen, verbrauchen Ihre Suchanfragen auf den globalen Servern noch ein bisschen mehr Energie. Wie viel, das können Sie ebenfalls im Internet herausfinden, was allerdings, wie gesagt, wieder Energie verbraucht.

Energie ist Leben

Energie wird für alles, was auf der Erde und im Universum stattfindet, benötigt. Das Universum ist ein Spielplatz der Energie. Ohne sie gäbe es keine Bewegung, keine Strahlung, keinen Gedanken, nichts. Energie ist der Anfang von allem. Auch und gerade für uns Menschen, denn wir sind Energiefresser.

Wie grundlegend Energie für uns ist, können wir an unserer eigenen Definition von Leben erkennen. Als „lebend“ bezeichnen wir, was mit seiner Umgebung stoffwechselt, um sich selbst, seinen Körper und dessen Funktionen aufrechtzuerhalten. Ein Lebewesen tauscht Luft, Wasser und Nährstoffe mit der Umwelt aus. Ein Lebewesen ist dabei eine Art „Durchlauferhitzer“, denn es nutzt die Energie, die in den Verbindungen von Atomen und Molekülen steckt, hält sich so am Leben und gibt Abfallstoffe ab. So lebt es. Als „tot“ bezeichnen wir etwas, das aufgehört hat, Energie auf diesem Weg auszutauschen. Es zerfällt dann wie ein welker Blumenstrauß in seine Bestandteile. Leben ist Energie im Fluss. Alles andere an Materie ist unbelebt.

Aber nicht nur für die natürlichen Kreisläufe, auch für die enormen Bewegungen unseres globalen Wirtschaftskreislaufs sind gigantische Energiemengen vonnöten. Unsere Schiffe, Flugzeuge und Fahrzeuge, unsere Maschinen, unsere Landwirtschaft, unsere Häuser, unsere Elektronik – alles braucht Energie, um zu funktionieren. Und um diesen Bedarf zu decken, nutzen wir vor allem die Jahrmillionen alten Energiespeicher der Erde – Kohle, Öl und Gas – und verändern dadurch unseren Planeten.

Energieverbrauch

Wenn wir über die Energiewende sprechen wollen, dann geht es darum, dass sich etwas wendet. Um eine Veränderung zu verstehen, sollte man sich mit ihrem Ziel und mit ihrem Ausgangspunkt befassen. Daher müssen wir zuerst verstehen, wie viel Energie wir heute verbrauchen und wo diese Energie bislang herkommt. Und mit diesem Wissen wollen wir dann in den weiteren Kapiteln folgendes Gedankenexperiment durchführen:

Könnten wir unseren heutigen Energiebedarf allein mit erneuerbaren Quellen decken?

Was denken Sie? Ist das machbar, vielleicht sogar ganz einfach? Oder völlig unmöglich? Um dieser Frage nachzugehen, wollen wir Energieverbrauch und Energieerzeugung in einer Bilanz gegenüberstellen.

Unsere Energiebilanz: links der aktuelle Energieverbrauch in kWh pro Tag und Person, rechts das Potenzial der erneuerbaren Energien, das wir in dem Buch abschätzen wollen. Jede kWh entspricht einem Fahrradfahrer. Wie hoch wird die rechte Säule?

Links sehen wir den heutigen Energieverbrauch gleichmäßig auf alle Einwohner Deutschlands verteilt. Über die Höhe der Säule werden wir gleich noch sprechen, wir werden sie in Kilowattstunden pro Tag und Person angeben. Genauso viele Fahrradfahrer hat quasi jeder Einwohner in seinen Diensten, die tagein, tagaus für ihn Energie liefern. In Wirklichkeit sind es natürlich nicht Fahrradfahrer, sondern unsere Kraftwerke, die den Strom produzieren. Zusätzlich beziehen wir Energie aus Treibstoffen wie Benzin, Diesel oder Kerosin für Fahr- und Flugzeuge. Und zum Heizen beziehen wir Energie aus Öl und Gas.

Sonne

Die Sonne ist DER Energielieferant unseres Planeten. So gut wie alle uns verfügbaren Energiequellen, zum Beispiel Windenergie und Wasserkraft, speisen sich direkt oder indirekt aus Sonnenlicht. Denn die Sonne ist der Motor unseres Wetters. Sogar fossile Energieträger wie Erdgas, Kohle und Erdöl enthalten uralte gespeicherte Sonnenenergie, die sich über Jahrmillionen angesammelt hat. Aber bedeutet das auch, dass Sonnenenergie bei den erneuerbaren Energien die dominierende Quelle sein wird?

Überblick Sonne

Weil die Sonne eine sehr große und heiße Kugel aus Gas ist, strahlt sie enorme Mengen an Energie ab. Sie ist an ihrer Oberfläche über 5500 Grad Celsius heiß. Zum Glück sind wir 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, sonst wäre es viel zu heiß für uns Menschen. Wären wir noch weiter von der Sonne entfernt, wäre es wiederum viel zu kalt. Der Abstand ist also gut gewählt. Die Sonne ist der Antrieb für Wind und Wetter, für die Temperatur und für jegliches Leben auf unserer Erde.

Die Strahlung der Sonne kann das Vakuum des Weltraums ohne nennenswerte Verluste passieren. Dann aber treffen die Sonnenstrahlen auf die Erdatmosphäre und werden dort das erste Mal abgeschwächt. Der Teil, der auf dem Erdboden ankommt, kann technisch genutzt werden. Wie groß genau die eintreffende Energiemenge an bestimmten Orten zu bestimmten Zeiten ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab: dem Einstrahlungswinkel, der Weglänge durch die Atmosphäre, dem aktuellen Wetter, der Luftverschmutzung und der Tageszeit. Misst man die eingestrahlte Energie an einem Ort über ein ganzes Jahr und verteilt sie gleichmäßig auf 365 Tage, so erhält man eine Kennzahl für die dortige Verfügbarkeit von Sonnenenergie.

Diese Zahl ist von Ort zu Ort recht verschieden, von zwei Kilowattstunden eintreffender Sonnenenergie pro Tag auf einen Quadratmeter in Nordschweden bis zu sechs Kilowattstunden in der Sahara.

Die linke graue Säule zeigt unseren Energiebedarf in Deutschland von 85 bzw. 120 kWh pro Person und Tag. Der kleinere Wert ist unser Endenergiebedarf, der größere unser Primärenergiebedarf. Die Säule rechts daneben zeigt im Vergleich die möglichen Beiträge durch erneuerbare Energien, die wir in diesem Buch nach und nach abschätzen werden.In diesem Kapitel starten wir mit einem recht großen Beitrag aus Sonnenenergie in Höhe von 28 kWh pro Person und Tag. Dazu müsste man die in der nachfolgenden Deutschlandkarte dargestellte Fläche mit Fotovoltaik-Anlagen belegen. Der Flächenbedarf für Sonnenenergie beträgt in diesem Szenario circa 5000 km², also ein Quadrat mit rund 70 km Kantenlänge.

Energiequelle Sonne

Die Sonne strahlt Energie ab, und auf einem Quadratmeter kommen in Deutschland im Durchschnitt drei Kilowattstunden pro Tag an Sonnenenergie an, zeitlich aber alles andere als gleichmäßig verteilt, im Sommer mehr als im Winter und nachts gar nichts.

Nutzungsmöglichkeiten

Mit Solarthermie, zum Beispiel auf Hausdächern, können wir Warmwasser zur Verwendung im Haus und zur Heizungsunterstützung erzeugen. Von Nachteil ist hierbei allerdings, dass im Sommer am meisten Energie bei uns ankommt und im Winter deutlich weniger. Genau gegenläufig zum Bedarf also. Zudem kann man Wärme nur schlecht über weite Strecken transportieren und auch nicht über einen längeren Zeitraum speichern. Mit Fotovoltaik oder mit großen solarthermischen Kraftwerken (etwa in Südeuropa oder Afrika) kann man aus Sonnenlicht auch Strom gewinnen.

Aktueller Einsatz

Weltweit ist Sonnenenergie neben der Windkraft die erneuerbare Energiequelle mit dem größten Potenzial. Die Kosten sind in den letzten Jahrzehnten so stark gesunken, dass die Stromerzeugung mit der von billigem Kohlestrom konkurrieren kann. Es ist davon auszugehen, dass die Kosten weiter sinken werden. In Deutschland haben wir so viele Fotovoltaik-Anlagen installiert, dass sie in der Spitze (mittags um 12 Uhr bei optimalem Wetter) so viel Leistung wie 40 Kernkraftwerke (40 Gigawatt) produzieren, im Jahresverlauf aber nur so viel Strom wie sieben Kernkraftwerke, da die Sonne nicht rund um die Uhr scheint.

Effizienz / Flächenbedarf

Stromgewinnung durch Fotovoltaik oder in südlichen Ländern durch Solarthermie-Kraftwerke

Ein Fünftel der eintreffenden Sonnenenergie kann in Strom umgewandelt werden. Energie in Form von Strom ist hochattraktiv, weil er leicht transportierbar und vielseitig einsetzbar ist. Um große Energiemengen zu produzieren, werden große Flächen benötigt.

Wärmegewinnung durch Solarthermie

Ein noch größerer Anteil des Sonnenlichts kann in Wärme umgewandelt werden. Diese wird aber vor allem im Sommer produziert und kann nur schlecht gespeichert oder transportiert werden.

Zeitlicher Einsatz / Speicherbedarf

Stromgewinnung durch Fotovoltaik

Fotovoltaik selbst bietet keine Speichermöglichkeit. Die Leistung der Anlagen variiert direkt mit der Sonneneinstrahlung.

Stromgewinnung durch solarthermische Kraftwerke

Die Stromgewinnung ist im Tagesverlauf durch Hochtemperaturspeicher regelbar. Sie ist dann auch einige Stunden nach Sonnenuntergang möglich.

Ökologische Auswirkungen

Vor allem auf schon versiegelten Flächen, etwa Dächern, sind die ökologischen Auswirkungen minimal. Auch in Kombination mit Landwirtschaft kann Sonnenenergie betrieben werden. Fotovoltaik-Module können generell gut recycelt werden.

Weltweites Potenzial

Weltweit wird eine Energiewende nur mit Sonnenenergie möglich sein. Es gibt enorm viele Flächen zur Installation von Fotovoltaik, zum Beispiel Dächer oder Flächen in Kombination mit Landwirtschaft. Aber auch große Wüsten oder unbewohnte Gebiete kommen infrage. Möglicherweise werden dann aber lange Stromleitungen benötigt. Oder die Energie muss in gespeicherter Form (etwa als Wasserstoff) transportiert werden, was hohe Verluste mit sich bringt und viel Süßwasser verbraucht. Auch zum Betrieb der Kraftwerke wird zum Teil Wasser benötigt.

Biomasse

Biomasse ist ein Sammelbegriff für alle Lebewesen auf unserem Planeten, für Menschen, Tiere, Bakterien und vor allem für Pflanzen, die 80 Prozent davon ausmachen. Die Menschheit nutzt sie bis heute und sie ist aktuell immer noch die größte der erneuerbaren Energiequellen, vor allem für Wärme. Welche Rolle kann die Biomasse in Zukunft bei der Energiewende spielen? Und wie viel Energie steckt überhaupt in Biomasse? Woher kommt die Energie in den Pflanzen – aus der Erde vielleicht? Oder aus der Luft? Oder aus einem raffinierten biologischen Prozess?

Überblick Biomasse

Damit Pflanzen wachsen können, benötigen sie zwei Dinge: Baumaterial und Energie. Als Baumaterial dient vor allem Kohlenstoff. Pflanzen beziehen Kohlenstoff aus der Luft, nämlich aus dem CO2. Und CO2 ist das, was das Klima immer heißer werden lässt, Pflanzen sind also natürliche CO2-Speicher. Beim Verbrennen von Holz und auch bei der Zersetzung auf dem Komposthaufen entsteht dann wieder CO2, und zwar genau so viel, wie zuvor aus der Luft geholt wurde. Daher ist die Energiegewinnung aus Biomasse CO2-neutral.

Biomasse ist nicht nur Nahrung für Mensch und Tier, sondern auch ein natürlicher CO₂-Speicher und Energiequelle. Und oft schön anzusehen.

Woher kommt die Energie in der Biomasse?

Auch Energie ist in der Pflanze gespeichert, aber diese kommt weder aus dem Boden noch aus der Luft, sondern woandersher: nämlich von der Sonne. Pflanzen sind im wahrsten Sinne des Wortes Speicher von Sonnenenergie, die – im Gegensatz zu Fotovoltaik und Windkraft – zu einem beliebigen Zeitpunkt verwertet werden kann, zum Beispiel nachts oder wenn der Wind nicht weht, um Schwankungen anderer erneuerbarer Energiequellen auszugleichen.

Wir können Biomasse also durchaus mit Fotovoltaik vergleichen, beide wandeln Sonnenlicht in für uns nutzbare Energie um. Was glauben Sie, wer kann das effizienter: ein Quadratmeter Fotovoltaik oder ein Quadratmeter Acker mit Biomasse? Technik oder Natur? Die Antwort geben wir im nächsten Abschnitt.