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Die Nutzung erneuerbarer Energien

Regenerative Energien: SymbolbildLupe


Die bisherigen Energie- und Rohstoffquellen werden in absehbarer Zeit zur Neige gehen. Bei der absoluten Erschöpfung sind sämtliche Reserven verbraucht, bei der relativen Erschöpfung können die Bedürfnisse nicht mehr auf breiter Basis befriedigt werden. Nach dem amerikanischen Geologen M. King Hubbert (1903–1989) geht die Erdölförderung unumkehrbar zurück, sobald die Hälfte der Reserven gefördert wurde [Lit www.hubbertpeak.com]. Dieser Zeitpunkt wird als Peak Oil bezeichnet. Hubbert glaubte, dass dies um das Jahr 2008 erreicht wird. Studien der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) setzten im Jahr 2009 diesen Punkt zwischen 2030 und 2040 an [Literatur Bundeszentrale für politische Bildung 2009]. Einige Wissenschaftler meinen aber bereits im Jahr 2012, dass der Peak Oil erreicht ist [Lit Murray 2012, Bojanowski 2012]. Der Peak Oil wird von Wirtschaftsexperten gefürchtet, da danach ein massiver Preisanstieg folgen kann. Der steigende Preis kann aber auch dazu führen, dass bisher ungenutzte Ressourcen rentabel werden. 
    
Nach Schätzungen aus den 1980er Jahren sollte ein Teil der metallischen Rohstoffe wie Gold, Silber, Kupfer, Zinn, Blei bis in das Jahr 2050 den Zeitpunkt der relativen Erschöpfung erreicht haben. Heute sieht man dies nicht mehr so pessimistisch. Um 1980 wurde nicht berücksichtigt, dass durch technische Verbesserungen die weltweiten Reserven immer besser ausgebeutet werden können. Durch das Recycling ist eine erhebliche Menge der metallischen Rohstoffe wieder nutzbar. Neuere Studien kommen zum Schluss, dass die relative Erschöpfung später anzusetzen ist [Lit Frondel/Schmidt 2007]. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass einige Studien interessengeleitet sind. So warnt die Industrie, die weiterhin auf fossile Energieträger setzt, vor übertriebener Panikmache, während andere Studien eine baldige Rohstoffknappheit in den nächsten Jahren prognostizieren. Einigkeit herrscht wohl darüber, dass die meisten Rohstoffe im 21. Jahrhundert knapp werden. Die Menschen verbrauchen jedes Jahr so viel Erdöl wie sich in einer halben bis einer Million Jahre auf der Erde gebildet hat [Lit Bundeszentrale für politische Bildung 2009]. Zu den sich erschöpfenden Rohstoffen gehört übrigens auch das Uran.
   
   
Fossile Energieträger
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Die fossilen Energieträger werden in absehbarer Zeit zur Neige gehen.


Es wird häufig betont, dass die Kernkraftwerke in Westeuropa nach technischem Verständnis als sicher gelten. Die Kernkraftwerke selbst warben in der Vergangenheit immer wieder mit Slogans, die Sicherheit, Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit propagierten. Nach Ansicht der Befürworter wird ein Verzicht zu erheblichen Mehrkosten im Energiesektor führen. Für einige Länder erscheint die Kernkraft unverzichtbar, da bis jetzt keine oder zu wenige alternative Versorgungssysteme zur Verfügung stehen. Ein sofortiger Ausstieg aus bisherigen Technologien wird nicht ohne Probleme gehen. Ein exzessiver Ausbau der erneuerbaren Energien kann ebenfalls zu gesellschaftlichen Konflikten führen, da jede Form der Energienutzung Kompromissfähigkeit abverlangt. 

Nach dem Tohoku-Erdbeben 2011 in Japan mit der Stärke 9,0 nach Richter, dem dadurch ausgelösten Tsunami und den darauf folgenden Reaktor-Explosionen im Atomkraftwerk Fukushima Daiichi kamen Zweifel an der angeblich sicheren Kernkraft auf. War es nur Schlamperei oder sind die Sicherheitsanalysen doch nicht so zuverlässig, wenn beispielsweise unvorhergesehene Ereignisse eintreten? Nach der Katastrophe in Tschernobyl 1986 war dies der zweite Unfall der höchsten Stufe INES 7 für Mensch und Umwelt. Aufgrund der Kernschmelzen in mehreren Reaktoren und den dadurch verursachten Explosionen und Bränden traten erhebliche Mengen radioaktives Material aus den Reaktoren und den Abklingbecken aus. Es kam zu einer massiven radioaktiven Verseuchung der Luft, des Wassers und des Bodens in mehreren Bezirken Japans. Ganze Städte mussten evakuiert werden, die langfristigen Folgen sind nicht abschätzbar. So können noch Jahrzehnte danach Schilddrüsenkrebs, Leukämie oder Lymphdrüsenkrebs, sowie eine Vielzahl anderer Erkrankungen auftreten.

In den Jahren 2011 bis 2015 starben in Japan etwa 2000 Menschen an den Folgen der Katastrophe und der damit verbundenen 160000 Evakuierungen (Lit Fairlie 2015). Schilddrüsenkrebs kommt bei Kindern nur extrem selten vor, bei Kindern aus Nordjapan tritt diese Erkrankung seither plötzlich gehäuft auf. Für alle Anwohner der betroffenen Bezirke ist die Katastrophe von Fukushima eine Tragödie. Die Einwirkung erhöhter Radioaktivität und das Einatmen der Hotpartikel haben massive Auswirkungen auf die Gesundheit.
     
Ein weiterer Nachteil der Atomenergie besteht darin, dass Abfälle mit Uran und Plutonium aufgrund ihrer langen Halbwertszeit mindestens 100000 Jahre lang sicher in einem Endlager gelagert und betreut werden müssen. Nach Meinung der Kirchen in Deutschland ist es nicht vereinbar mit der Nächstenliebe, wenn 40000 nachfolgende Generationen die Last von einigen wenigen Generationen tragen müssen.



Kohlenstoffdioxidemissionen
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Quelle: Berechnet mit Gemis Version 4.6 des Öko-Instituts, Darmstadt,
Zahlen für die Wasserkraft Grundlage Jahr 2000, amorphe Solarzellen 2005.


Die fossilen Energieträger wie Erdöl, Erdgas und Kohle tragen aufgrund ihrer Kohlenstoffdioxid-Emissionen den Hauptanteil am anthropogenen Treibhauseffekt. Die Grafik oben verdeutlicht, dass die alternativen Energien günstiger abschneiden. Noch besser ist die Bilanz in Ländern, in denen die erneuerbaren Energieformen intensiv genutzt werden. In der Schweiz käme ein Wasserkraftwerk sogar auf den unschlagbaren Wert von nur 2,8 Tonnen (Gemis Berechnungsgrundlage Jahr 2000). In Frankreich käme eine amorphe Solarzelle auf 13,5 Tonnen Emission pro Billion Joule erzeugter Energie. Berücksichtigt ist hierbei immer der gesamte Energieaufwand, der für die Produktion der Anlagen und der Energieträger notwendig ist.
 
Derartige Vergleichszahlen sind mit Vorsicht zu bewerten. Es werden Kraftwerke mit kleineren Verbrauchern gegenübergestellt, die Angaben beziehen sich nur auf eine bestimmte Energie-Form wie Strom, Wärme oder Warmwasser, und sie gelten immer nur bezogen auf ein bestimmtes Land. Ein Druckwasserreaktor in Deutschland käme im Jahr 2010 auf den günstigen Wert von 8,7 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Billion Joule erzeugter Energie (Lit Gemis Version 4.6). Nicht berücksichtigt ist der Aufwand für Zwischen- und Endlagerung, sowie für den Abbau der Anlagen (alle Zahlen vor Fukushima). Fritsche (Lit Fritsche 2007) hat allerdings aufgezeigt, dass es ein erheblicher Unterschied ist, ob man nur den erzeugten elektrischen Strom betrachtet oder ob man Strom und Wärme gekoppelt betrachtet, beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk. Wenn man nach Fritsche die Bruttobilanz von Strom und Wärme berücksichtigt, schneidet ein Atomkraftwerk in Deutschland nur wenig besser ab als ein Blockheizkraftwerk (Lit Fritsche 2007). Die Zahlen für ein Druckwasserreaktor weichen je nach Land stark ab, in Russland oder in den USA sind sie mit 15 bis 18 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Billion Joule deutlich höher, in Frankreich sind sie mit 2 Tonnen pro Billion Joule bedeutend niedriger. Die Werte in der Schweiz entsprechen in etwa den Werten in Deutschland. Man kann also sagen, je mehr Aufwand in einem Land für den Abbau der Uranerze betrieben wird, umso mehr Kohlenstoffdioxid wird erzeugt. Es ist ganz entscheidend, woher das Uran kommt und wie viele Rest-Ressourcen weltweit noch zur Verfügung stehen. Prinzipiell wird die Ökobilanz für alle Energieformen ungünstiger, wenn die dafür benötigten Rohstoffe knapper werden. Interessant wäre es jetzt, wie die Farbstoffsolarzellen abschneiden, die ja kein Silicium mehr benötigen.
 
Aufgrund dieser Fakten wird der Mensch nicht darum herum kommen, umweltfreundliche Technologien vermehrt zu entwickeln. Regenerative Energiequellen wie die Solarenergie, die Wind- und Wasserkraft, die Erdwärme, die Bioenergie oder die durch Gezeiten erzeugte Energie erschöpfen sich nicht oder sie erneuern sich in kurzen Zeiträumen von selbst. Von diesen Energiequellen ist die Sonnenenergie die bedeutendste. Sie weist im Vergleich zu den fossilen Energieträgern bei einigen Parametern eine günstigere Ökobilanz aus. Allerdings werden metallische Rohstoffe wie Kupfer oder Silicium benötigt, die unter erheblichem Energieaufwand gewonnen werden müssen. Bei der Kupfer-Raffination oder bei der Produktion von Halbleitermaterialien fallen giftige Schwermetalle an, die aber weiterverarbeitet werden können. Nicht ganz unproblematisch ist auch das Cadmium, allerdings wird dieses giftige Schwermetall bei Solarzellen nur in stabilen Legierungen in ganz dünnen und versiegelten Schichten eingesetzt. Es ist zu bedenken, dass auch Metalle wie Kupfer oder Tellur einer absehbaren Rohstoff-Erschöpfung unterliegen. Die Metalle können aber in einem Recyclingprozess wiedergewonnen werden. Da Silicium aus Quarzsand hergestellt wird, ist dieser Rohstoff ausreichend vorhanden. Problematischer erscheint dagegen die langfristige Sicherstellung der typischen Halbleitermetalle wie Gallium oder Indium.
  
 
Metallische Rohstoffe für SolarzellenLupe

  
Es können auch Solarmodule gebaut werden, die nur noch einen geringen Anteil an metallischen Rohstoffen benötigen. Verwirklicht ist dies beispielsweise in der Farbstoffsolarzelle, die der deutsch-schweizer Chemiker Michael Grätzel an der EPFL in Lausanne entwickelte und dafür 1992 ein Patent erhielt [Lit Graetzel 2006].  Auch die Dünnschicht-Solarzellen mit amorphem Silicium oder mit Cadmiumtellurid zählen dazu. 

Jährlich gelangt durch die Sonne eine Energiemenge von 1,08×1018 Kilowattstunden auf die Erdoberfläche [Lit Quaschnig 2009]. Theoretisch würde dies ausreichen, um fast das Zehntausendfache des Weltenergieverbrauchs zu decken. Um den gesamten Energiebedarf Deutschlands durch Solarzellen zu decken, wären riesige Flächen notwendig, die mehrere deutsche Bundesländer zusammen einnehmen würden. Derartige Flächen stehen in Deutschland nicht zur Verfügung. In der Schweiz wäre dies aufgrund der dichten Besiedlung im Flachland noch problematischer. Allerdings könnte ein Anteil durch eine dezentrale Versorgung auf den Hausdächern abgedeckt werden. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass Umwandlungs- und Verteilungsverluste, beispielsweise beim Transport über lange Leitungen, erheblich minimiert werden. 



Solarzellen auf Dach
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Der Ausbau von dezentralen Energieformen ist eine sinnvolle Alternative.


Ein weiterer Nachteil der Sonnenenergie ist die fehlende Stetigkeit der Sonnenscheindauer und der Strahlungsintensität. Nachts liefert die Sonne keine Energie. Die Sonne scheint in unseren Breitengraden nur etwa 1300 bis 1900 Stunden pro Jahr. Im Winter ergeben sich zusätzlich Probleme, da die Sonne dann einen flachen Einfallswinkel hat und weniger Energie spendet. Durch die tiefen Temperaturen wird mehr Heizenergie benötigt. Dem vermehrten Energiebedarf im Winter steht weniger verfügbare Strahlungsenergie durch die Sonne gegenüber:


Energiebedarf und Strahlungsangebot
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Quelle: In Anlehnung an Solar-Wasserstoff Bayern GmbH.
 
 
Das Speicherproblem ist lösbar. Für kleinere Anwendungen eignen sich Akkumulatoren oder Doppelschicht-Kondensatoren mit hoher Kapazität. Diese sogenannten Goldcaps können relativ schnell geladen werden [Literatur und Experimente dazu: Stempel 2010]. Eine andere, effizientere Speichermöglichkeit besteht darin, Wasser aufzuheizen und dieses in einem Wärmespeicher aufzubewahren. Der aus Solarzellen gewonnene elektrische Strom kann auch zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Brennstoffzellen sind für die Wasserstofftechnologie von Bedeutung.
 
Für die praktische Nutzung der Sonnenenergie gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten. Bei der Solarthermie dient absorbierte Wärme zum Heizen der Raumluft oder des Wassers. Bei der Photovoltaik wird mit Hilfe einer Solarzelle elektrischer Strom erzeugt. Alternative Energiekonzepte für die Zukunft setzen auf einen kombinierten Ausbau der Solarenergie, der Wasserkraft, der Windkraft, der Bioenergie und der Geothermie, bei der die Energie aus Erdwärme gewonnen wird [Lit Greenpeace 2011]. Dies könnte die Situation in der Zukunft erheblich entschärfen. Jeder Konzern und jeder Kleinbetrieb kann vom Aufbau dieser neuen Technologien profitieren. Es ist also nicht eine Frage der Ideologie, sondern eine Entscheidung der Vernunft im Hinblick auf die eigene Zukunft. Allerdings wird es auch bei den erneuerbaren Energien nicht ohne Kompromisse gehen, da auch hier Interessenkonflikte entstehen. 
 
 
Weitere Informationen
Erneuerbare Energien 
Leinöl und nachwachsende Rohstoffe 
Treibhauseffekt 
Vom Quarz zum Mikrochip  
 
Literaturquellen 
Literaturverzeichnis 
 
Weitere Infos im Internet  
Desertec (Solarprojekt europäischer Konzerne in Afrika)   
Der Solarserver – Forum für Solarenergie   
Energiekonzepte bei Greenpeace 
Intersolar – die bedeutendste Solarmesse in Europa   
Internetseite von Volker Quaschnig 
Wasserstoff-Seite des Deutschen Wasserstoff-Verbandes   

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