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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.