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Klimaschutzfonds Wedel e.V.

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Wissen : Energie

Wenn Wärme oder Strom produziert werden soll, muss dem Prozess Energie hinzu­geführt werden: Der Strom­generator muss angetrieben werden oder en muss beispiels­weise ein Feuer entfacht werden, um Wärme zu erhalten und damit einen Tee zu kochen, eine Badewanne zu füllen oder ein Zimmer zu heizen. Diese Energie muss irgendwo her­kommen.

Atom

Eine "besondere" Art der fossilen Energie­träger ist Uran. Seit den 1950er Jahren wird die Kern­energie (auch Atom­kraft, Kern­kraft oder Nuklear­energie genannt) in großem Maß­stab zur Strom­produktion genutzt. Schon um 1890 wurden erste Experimente zur Radio­aktivität durch­geführt. Das Ziel Antoine Henri Becquerels, Marie und Pierre Curies und anderer war die Erforschung von Kern­reaktionen. 1938 entdeckten Otto Hahn und Fritz Straßmann die induzierte Kern­spaltung von Uran. Mit dem Nach­weis, dass eine Ketten­reaktion möglich ist, weil bei jeder durch ein Neutron ausgelösten Kern­spaltung mehrere weitere Neutronen frei­gesetzt werden, wurden praktische Anwendungs­möglichkeiten der Kern­spaltung klar.

Zuerst wurden diese Erkenntnisse für die militärische Forschung während des Zweiten Welt­krieges genutzt. Das Manhattan-Projekts (unter Leitung von Robert Oppenheimer) mündete in den ersten Atom­bomben-Abwurf am 6. August 1945 über Hiroshima. Deutschen Forschern unter Werner Heisenberg und Carl Friedrich von Weizsäcker gelang es bis zum Kriegs­ende nicht, einen funktionierenden Kern­reaktor zu entwickeln.

Nach dem Zweiten Welt­krieg wurde parallel die zivile Verwendung der Kern­energie entwickelt. Ende 1951 erzeugte ein Versuchs­reaktor in den USA erstmals elektrischen Strom und brachte vier Glüh­lampen zum Leuchten. Das erste Kraft­werk zur groß­technischen Erzeugung von elektrischer Energie wurde 1954 mit dem Kern­kraftwerk Obninsk bei Moskau in Betrieb genommen.

Besonders nach den Reaktor­unfälle von Tschernobyl (26.04.1986) und Fukushima (11.03.2011) wurde die Sicherheit von Kern­kraft­werken zunehmend in Zweifel gezogen. Ein bisher weltweit ungelöstes Problem ist der radioaktive Abfall. Hoch­radio­aktiver Abfall (High Active Waste) ist erst nach bis zu einigen Hundert­tausend Jahren ausreichend abgeklungen. Zudem sind einige darin enthaltene Elemente auch chemisch sehr giftig. Deshalb müsste ein Endlager so sicher sein, dass der Abfall dauerhaft ein­geschlossen ist.

Auch die Kenn­zeichnung eines End­lagers muss so gestaltet werden, dass sie in zehn- oder hundert­tausenden Jahren noch eindeutig und als Warnung erkennbar ist.

Eine zweite Möglichkeit, Atome zu nutzen ist die Kern­fusion. Hierbei entstehen sehr schnelle Neutronen, deren Energie als Wärme zur Strom­produktion genutzt werden soll, und Helium­ionen, deren Energie die zur Fusion nötige Plasma-Temperatur aufrecht­erhalten kann. Bei der Sicherheit ist nur die nach außen gelangende (Neutronen- und Gamma-) Strahlung abzu­schirmen. Eine Ketten­reaktion findet nicht statt. Ungewollte Leistungs­steigerungen sind nicht möglich: Störungen bewirken ein sofortiges Erlöschen des Plasmas. Bei der Kern­fusion entsteht keinerlei radioaktiver Abfall, sondern nicht-radioaktives Helium. Obwohl bereits seit den 1960er Jahren daran geforscht wird, wird es wegen höchster technischer Anforderungen wohl in absehbarer Zukunft kein solches Kraft­werk geben.

Fossile Energieträger

Fossile Brenn­stoffen sind in geologischer Vorzeit aus Abbaup­rodukten von toten Pflanzen und Tieren entstanden. Es sind Braun­kohle, Stein­kohle, Torf, Erdgas und Erdöl. Sie basieren auf dem Kohlen­stoff­kreislauf und ermöglichen damit gespeicherte (Sonnen-)energie vergangener Zeiten heute zu verwerten. Die Nutzung fossiler Brenn­stoffe erfolgte zunächst fast ausschließlich durch Kohle und brachte das stetige Wirtschafts­wachstum - und damit die Industriellen Revolution hervor. Später wurden vermehrt Erdgas und -Öl eingesetzt.

Fossile Energie­träger sind Haupt­ursache für den Anstieg der Treib­haus­gas­konzentrationen in der Atmosphäre - und damit der menschen­gemachten globalen Erwärmung. Hier wird der Kohlen­stoff-Kreislauf der geologischen Frühzeit im Heute fortgesetzt. Soll das 1,5-Grad-Ziel erreicht werden, müssen die Treib­haus­gas­emmissionen innerhalb der kommenden 20-30 Jahre auf Null reduziert werden.

Erdöl ist ein in der Erd­kruste eingelagertes, haupt­sächlich aus lang­kettigen Kohlen­wasser­stoffen bestehendes homogenes und lipophiles Stoff­gemisch. Es entstand aus abgestorbenen Kleinst­lebewesen (mehr­heitlich ein­zelligen Algen). Durch kontinuierliche Absenkung der regionalen Erd­kruste – diese ermöglichte erst die Ablagerung weiterer Schichten auf dem Schlamm – gelangte es in zunehmend tiefere Krusten­bereiche mit erhöhter Temperatur. Unter diesen Bedingungen wurden die festen organischen Verbindungen allmählich in flüssige und gas­förmige Kohlen­wasser­stoffe umge­wandelt.

Erdgas entstand ähnlich wie Erdöl und tritt häufig mit diesem gemeinsam auf. Es besteht vor allem aus Methan, die genaue Zusammensetzung schwankt jedoch. Aufgrund des hohen Methan­anteils ist Erdgas unver­brannt ein starkes Treib­hausgas. Sofern auf­bereitet, verbrennt es allerdings sauberer und klima­schonender als andere fossile Brenn­stoffe.

Flüssiggas fällt in der Raffinerie bei der Erdöl-Verarbeitung als Begleit­produkt an. Es wird bei relativ geringem Druck und Raum­temperatur verflüssigt und u.a. beim Camping genutzt und zum Tanken (LNG = Liquefied Natural Gas. In der Schiff­fahrt ersetzt LNG neuerdings Schwer­öl (Abfall aus Raffinerien).

Kohle ist ein schwarzes oder bräunlich-schwarzes, festes biogenes Sediment­gestein, das zu mehr als 50 Prozent des Gewichtes und mehr als 70 Prozent seines Volumens aus Kohlen­stoff besteht. Sie entstand aus pflanz­lichen Über­resten, die unter Luft­abschluss – z.B. am Grund von Sümpfen und Mooren – verrotteten und nach Versenkung in tiefere Bereiche der oberen Erd­kruste erhöhten Drücken und Temperaturen ausgesetzt waren. Stein­kohle ist sehr dicht und rein, der Brenn­wert ist dement­sprechend groß. Braun­kohle ist schwächer verdichtet, hat einen hohen Schwefel­anteil und der Brenn­wert ist deutlich geringer.

Schweröl gehört zu Erdöl. Es ist der Abfall, der übrig bleibt, wenn das Öl beispiels­weise zu Benzin raffiniert wird und enthält daher besonders viele Schad­stoffe. Dieser "Abfall" wird in der Schiff­fahrt für den Antrieb genutzt, heute dank gesetzlicher Initiativen nur noch auf der "hohen See".

Torf stellt die erste Stufe der Inkohlung dar. Er entsteht unter Luft­abschluss in ober­flächen­nahen und trocken­fallenden Gewässern. Er ist in getrocknetem Zustand leicht brennbar. Als Brenns­toff wurde Torf vor allem mit Beginn der Industrialisierung eingesetzt.

Regenerative Energie

Als Erneuerbare oder Regenerative Energien werden Energie­quellen bezeichnet, die im mensch­lichen Zeit­horizont für nachhaltige Energie­versorgung praktisch uner­schöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnis­mäßig schnell erneuern. Der Begriff ist nicht im streng physikalischen Sinne zu verstehen, denn Energie lässt sich nach dem Energie­erhaltungs­satz weder vernichten noch erschaffen, sondern lediglich in verschiedene Formen überführen.

Aus Bioenergie lässt sich sowohl Strom und Wärme als auch Kraftstoff gewinnen.

In luftdicht abge­schlossenen Gär­behältern (Fermentern) wird durch Vergärungs­prozesse land­wirtschaft­licher Substrate (Gülle, Stall­mist) oder Energie­pflanzen (Mais, Roggen, Zucker­rüben etc.), aber auch organischer Rest­stoffe (Rasen­schnitt, Speise­reste) z.B. Pflanzenöl, Bio­diesel, Bio­ethanol und Cellulose-Ethanol, BtL-Kraft­stoffe, Bio­wasser­stoff und Bio­gas erzeugt. Letzteres kann problemlos ins Erd­gas­netz einge­speist werden. Damit wird das Gas­netz zum einen als Speicher und zum anderen als Transport­medium genutzt.

Und Bioenergie ist auch Muskel­kraft (Gehen, Fahr­rad, Draisine, Zug­tiere).

Geothermie (Erd­wärme) nutzt einer­seits die im Erd­inneren gespeicherte Rest­wärme aus der Zeit der Erd­entstehung. Zum anderen erzeugen dort nukleare Zerfalls­prozesse primor­dialer Radio­nuklide und die durch Gezeiten­kräfte verursachte Reibung zwischen fester Erd­kruste und flüssigem Erd­kern laufend weitere Wärme. Sie kann zum Heizen (vor allem ober­flächen­nahe Geo­thermie) oder auch zur Strom­erzeugung (meist Tiefen­geo­thermie) genutzt werden.

Obwohl Holz vergleichs­weise schnell nach­wächst, ist die massen­hafte Nutzung nicht unumstritten. In ärmeren Ländern mit steigenden Bevölkerungen begünstigt die Holz­ernte das Vor­dringen von Steppen oder sogar Wüsten. Bei uns wird vor allem die starke Emission von Stick­oxiden (NOx) als problematisch angesehen.

Sonnenenergie Die Sonne emittiert große Mengen Energie, die als Solar­strahlung die Erde erreichen. Die auf die Erde abgestrahlte Leistung beträgt circa 174 PW. Etwa 30% der Strahlung wird reflektiert, sodass circa 122 PW die Erde erreichen. Das ist derzeit circa das 7.500-fache des Welt­jahres­energie­bedarfs. Sonnen­energie lässt sich direkt mit Photo­voltaik (Strom), Solar­thermie (Sonnen­kollektor, Solare Fern­wärme, Sonnen­wärme­kraft­werk), Solar­chemie und Aufwind­kraft­werken nutzen.

Wasserkraft wird genutzt mit Hilfe von Stau­dämmen und Stau­mauern, Lauf­wasser­kraft­werken, Wasser­mühlen, Strom­bojen, der Wellen-, Strömungs- oder Wärme­energie des Meeres sowie Osmose­kraft­werk (Nutz den unter­schiedlichen Salz­gehalt von Süß- und Salz­wasser) und Schöpf­rädern, Wasser­kunst, Hydraulischer Widder.

Windenergie kommt aus Wind­kraft­anlagen, Flug­wind­kraft­werken, Wind­mühlen und treibt Segel­schiffe an.

Rein physikalisch betrachtet, steht mit den oben genannten ein Viel­faches der Energie zur Ver­fügung, die gebraucht wird, auch wenn sich das hier genannte theo­retische Potential u.a. durch technische und öko­logische Belange reduziert. Auch die not­wendigen Technologien sowie die Konzepte zur Realisierung einer nach­haltigen Energie­versorgung gelten als vorhanden.

Für technische und vor allem kommer­zielle Belange setzt sich der Bundesverband Erneuerbare Energie ein.

Wissen­schaftler haben schon 2009 einem Plan für eine emissions­freie Welt bis 2030 errechnet, dass die weltweite Umstellung auf Wind-, Wasser- und Sonnen­energie rund 100.000 Milliarden US-Dollar kosten würde. Das beinhaltet Kosten für Speicher­kraft­werke und für intelligenten Strom­verbrauch, nicht aber die Infra­struktur zur Ver­teilung des Stroms:
A Plan to Power 100 Percent of the Planet with Renewables (engl.)

Wasserstoff

Wasserstoff ist ungiftig, lässt sich speichern, über Pipe­lines verteilen und enthält pro Kilo­gramm fast dreimal so viel Energie wie Benzin oder Diesel. Und wenn in Brenn­stoff­zellen Wasser­stoff mit dem Sauer­stoff aus der Luft reagiert und Strom erzeugt, entsteht als "Abfall" nichts reines Wasser (H2O). Wasser­stoff als Energie­träger ist bisher noch selten, auch weil das flüchtige Gas hoch­explosiv ist. Dennoch wird (auch durch eine Initiative der Bundes­regierung) Wasser­stoff immer wichtige. Dabei ist allerdings auf die "Herstellung" zu achten. Man unterscheidet zwischen:

Grauer Wasserstoff wird in der chemischen Industrie aus Erd­gas hergestellt. Das Ver­fahren ist seit Jahr­zehnten im Einsatz, weit über 90 Prozent des weltweit verbrauchten Wasserstoffs werden so produziert. Hierbei wird Kohlen­stoff aus dem Erdgas als CO2 in die Luft geblasen. Beim Verbrennen des grauen Wasser­stoff entsteht ein wesent­lich größeren Klima­schaden als bei direkter Nutzung des Erdgas.

Für Grüner Wasserstoff spalten Elektro­lyseure Wasser mit Strom (ausschließlich aus erneuer­baren Quellen!) in die Bestand­teile Sauer­stoff und Wasser­stoff. Besonders effizient könnte Wasser­stoff in Off­shore-Wind­parks produziert und dann mit Tank­schiffen oder Pipe­lines ab­transpor­tiert werden, bisher gibt es allerdings dort noch keine Groß­anlagen. Grüner Wasser­stoff ist so umwelt­freundlich wie der Strom, mit dem er hergestellt wurde. Schon bei der Her­stellung (Elektro­lyse) geht rund ein Viertel der einge­setzten elektrischen Energie verloren. Anschließend wird das Gas komprimiert, transpor­tiert und in einer Brenn­stoff­zelle in Strom zurück­verwandelt. Am Ende können nur noch 20 Prozent der ursprünglich aufgewendeten elektrischen Energie genutzt werden. Hätte man den Strom in Batterien gespeichert, wäre die Aus­beute 80 Prozent. Man erwartet, dass sich der Wirkungs­grad bei Erzeugung, Speicherung, Transport und Verwendung mit verbesserter Technik verdoppeln lässt.

Blauer Wasserstoff wird wie der graue mit Dampf­reformierung aus Erdgas herge­stellt. Das dabei ent­stehende CO2 wird allerdings aufgefangen und in geeignete geologische Formationen tief unter der Erde verpresst, zum Beispiel in erschöpfte Offshore-Erdgas­felder. Bleibt es lang­fristig dort, ist blauer Wasser­stoff ähnlich klima­schonend wie grüner Wasser­stoff. Damit könnte blauer Wasser­stoff eine Rolle in der (jahr­zehnte­langen) Über­gangs­phase zur Kohlen­stoff­freien Energie­wirtschaft spielen.

Auch Türkiser Wasserstoff wird aus Erdgas gewonnen, aller­dings mit einem anderen chemischen Verfahren, der Hoch­temperatur-Methan­pyrolyse. Dabei entsteht kein CO2, sondern fester Kohlen­stoff, der in der Chemie- und Elek­tronik­industrie weiter­verwendet werden kann. Auch hierbei richtet sich die Klima­bilanz danach, wie die benötige Prozess­wärme erzeugt wird. Ist diese Wärme bereits vorhanden, wäre die Öko­bilanz ähnlich gut wie bei grünem oder blauem Wasser­stoff. Müsste die Wärme dagegen eigens erzeugt werden, wäre türkiser Wasser­stoff so umwelt­schädlich wie grauer. Lässt sich die Her­stellung des türkisen Wasser­stoffes in industrielle Prozesse sinnvoll integrieren, ist er zudem billiger als grüner oder grauer Wasser­stoff. Das Potential für die Energie­wende dürfte aller­dings eher gering sein.

Es gibt viele weitere Verfahren, die man unter dem Begriff Bunter Wasser­stoff zusammen­fasst. Obwohl bisher keine Vor­teile gegen­über den oben genannten Produkten erkennbar sind, könnten zukünftig zu neuen Techniken entdeckt oder bestehende weiter­entwickelt werden. Perspek­tivisch gute Chancen werden derzeit der sogenannten künst­lichen Photo­synthese eingeräumt. Dabei werden aus Wasser und CO2 mittels Solar­energie Wasser­stoff oder kohlen­stoff­basierte Treib­stoffe wie Ethanol erzeugt. Der Wirkungs­grad liegt bis jetzt jedoch erst bei deut­lich unter einem Prozent. Keines der bekannten Verfahren ist bisher industrie­tauglich.

... Sparen

Wärme oder Strom, die gar nicht erst gebraucht wird, muss auch nicht erzeugt werden, verbraucht also keine Energie (auch keine Prozess-Energie). Daher sind Ein­sparung besonders wirk­sam. Viele Infos findet man auch bei Energieinfo[energieinfo.de/energiesparen]

... und Förderung

Der Staat fördert inzwischen viel Maßnahmen bei Hausdämmung, Erneuerung der Heizung und vielem mehr. Informieren Sie sich gerne bei DENA[dena.de/newsroom/meldungen/foerderprogramme-fuer-energieeffizienz-auf-einen-blick/] oder der KfW Förderbank[www.kfw-foerderbank.de/DE_Home/KfW_Foerderbank/Aktuellesa62/Kalte_Fuesse.jsp]

Viel Anregungen zu den Artikeln auf dieser Seite basieren auf Wikipedia und auf Dr. Michael Bockhorsts Seite EnergieInfo. Bitte beachten Sie auch die Hinweise zur Haftung für Links in unserem Impressum.