Energie - Regenerativ

Referenten:
Lars Baeren, Annika Köster, Nico Kranenburg, Anna Medtisch, Julian Telger


Inhaltsverzeichnis

1.	Grundlagen der Energiebereitstellung
2.	Auswirkungen auf das Klima
3.	Begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger
4.	Verantwortung für den Klimaschutz
5.	Regenerative Energien
6.	Geothermie
7.	Biomasse
8.	Biogasanlage
9.	Solarsiedlung "Am Petersberg" in Berlin Zehlendorf
10.	Solarthermische Anlagen
11.	Solarunterstützte Nahwärmeversorgung
12.	Fazit
13.	Quellen

Einleitung

Im Laufe der Entwicklung des Menschen von der Steinzeit bis zur Gegenwart wuchsen seine Bedürfnisse und der Bedarf an Energie ständig.
Insbesondere gilt dies für die die Zeit seit Beginn der Industrialisierung. So verbraucht ein Mensch heutzutage im Durchschnitt 15 mal soviel Energie wie noch vor 130 Jahren. Ein moderner Mensch verbraucht aufgrund der vielfältigen ihn umgebenden Prozesse etwa soviel Energie, wie hundert Menschen im Zeitalter der Jäger und Sammler.

Erst seit kurzem ist nicht nur Experten bewusst, dass die vom Menschen verursachten Veränderungen an der ihn umgebenden Umwelt nicht nur lokale Schäden sondern globale existenzbedrohende Krisen verursachen können.

Die vorliegende Seminararbeit untersucht zunächst die jetzigen Grundlagen der Energiebereitstellung und deren klimatische Auswirkungen.
Weiter werden regenerative Energiequellen, die einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung zukünftiger Generationen leisten, vorgestellt.
Dabei werden beispielhaft eine Solarsiedlung und ein Landwirtschaftlicher Betrieb mit Biogasreaktor detailliert untersucht.

1. Grundlagen der Energiebereitstellung

Bei einer modellhaften Betrachtung (siehe Abbildung 2) des Systems Erde in energetischer Hinsicht wird hier nicht der Versuch unternommen, sämtliche hochkomplexe Interferenzen der einzelnen Transformationsprozesse zu analysieren. Vielmehr sollen schematisch verschiedene Varianten der Energiebereitstellung dargestellt werden und eine Zuordnung der jeweils "verantwortlichen" Primärenergiequellen insbesondere der regenerativern Energieträger ermöglichen.

Dabei wirken vier Einflussfaktoren auf die fünf folgenden Subsysteme der Ökosphäre ein: Atmosphäre, Biosphäre (Vegetation), Lithosphäre (Gesteine), Kyrosphäre (eisbedeckte Zonen) und Hydrosphäre (Gewässer).

Als energetischer Input gelten die vier Primärenergiequellen:
- der globale auf die Erde einwirkende Strahlungseintrag der Sonne
- die Geothermie,
- die Gravitation der Himmelskörper
- die Energieinhalte der Elemente (größtenteils fossile Energieträger Uran, Kohle, Erdöl, Erdgas).

Dabei durchschreiten diese verschiedenen "natürlichen" oder aktiv vom Menschen initiierten Transformationsprozesse, die eine Nutzung durch den Menschen in Form von Wärme oder Strom ermöglichen. Teilweise werden sie dabei in der Ökosphäre eingelagert. Dies kann in Form von chemischer Einlagerung, z.B. bei Produktionsprozessen wie etwa die Herstellung von Aluminium stattfinden oder sie führen zu einer Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur. Der größte Anteil wird jedoch als terrestrische Strahlung wieder abgegeben (energetischer Output).

Energieflußbetrachtung des Systems "Erde"

Quelle: eigene Darstellung

Den größten Anteil an den Primärenergiequellen hat die Strahlungsenergie der Sonne, die ca. 7000 mal größer ist als der gesamte Weltenergieverbrauch und um ein vielfaches größer als die Summe der Energieinhalte aller fossilen Brennstoffe (Abb. 3).

Der Energiegehalt der elektromagnetischen Strahlung wird beim Auftreffen auf die Ökosphäre größtenteils in Wärmeenergie umgewandelt. Die Erwärmung der Atmosphäre führt in folge des Druckausgleichs unterschiedlich stark erwärmter Luftschichten zu Wind, der sich in stromerzeugenden Windkraftanlagen nutzen lässt.

Der Erwärmung der Hydrosphäre folgen Verdunstung von Wasser und somit Niederschlag und wieder in die Ozeane fließendes Wasser. Dessen kinetische Energie kann in Wasserkraftwerken zu Strom transformiert werden.

Bei der Einlagerung von Sonnenenergie in Form von Photosynthese wird Biomasse aufgebaut, die in Verbrennungsprozessen in Wärme umgewandelt werden kann.
Ein weiterer Weg der Nutzung von Biomasse stellt die Gewinnung von Biogas oder Biotreibstoffen dar, deren anschließende Verbrennungsprozesse auch CO2 freisetzen welches aber der Menge entspricht, die bei der vorangegangenen Photosynthese der Atmosphäre entzogen wurde.
Somit können diese Verbrennungsprozesse als "CO2 neutral" angesehen werden.

Eine direkte Nutzung der Sonnenenergie stellen solarthermische und photovoltaische Anlagen dar. Die auf die Erde einwirkende Gravitationskraft, die für die Gezeiten der Ozeane verantwortlich ist kann in Gezeitenkraftwerken in elektrische Energie transformiert werden. Die Wärmeenergie des Erdkerns kann in Geothermischen Anlagen oder oberflächennah Erdwärmetauschern genutzt werden.

Diese drei Primärenergiequellen stellen einen in menschlichen Zeitmaßstäben unerschöpflichen Energieinput dar und werden somit als regenerativ oder erneuerbar bezeichnet. Auch wenn über den Zerfall von Biomasse quasi auch die Fossilen Brennstoffe regeneriert werden können diese aufgrund der Jahrmillionen dauernden Entstehungsprozesse nicht als erneuerbar angesehen werden.

Die vierte und letzte Primärenergiequelle sind die fossilen, nicht erneuerbaren Energieträger, die über keinen externen Nachschub verfügen, sondern ökosphäreninterne Ressourcen darstellen. Im Wesentlichen sind dies Erdöl, Erdgas, Kohle und Uran. Während Uran in der Kernspaltung eine Sonderform der weitgehenden CO2 emissionsfreien Energietransformation einnimmt, werden die erstgenannten Energieträger in CO2 emittierenden Oxidationsprozessen in Wärme und Strom transformiert.

2. Auswirkungen auf das Klima

Das durch unzählige Faktoren beeinflusste und höchst sensibel reagierende Klima auf unserem Planeten unterliegt seit Urzeiten ständigen Schwankungen. Seit Beginn der Industrialisierung zeichnen sich jedoch überdurchschnittlich schnelle Erhöhungen der globalen Durchschnittstemperatur ab, die erwiesenermaßen auf die verstärkten Aktivitäten des Menschen und dessen Bedarf an Energie zurückzuführen sind. Allein in den letzten Hundert Jahren ist die Jahresmitteltemperatur um 0,3 bis 0,6 Grad Celsius gestiegen (Quelle: Fachinformationszentrum Karlsruhe).

Dieser Anstieg, der in den nächsten Jahren unterschiedlichen Szenarien zufolge bei 1,0 bis 3,5% liegen wird, führt in immer stärkerem Maße zu extremen Wetterereignissen. Auswirkungen auf Flora und Fauna wie beispielsweise erhöhtes Algenwachstum in den Ozeanen zeichnen sich bereits ab.

Hauptursache dieser vom Menschen initiierten Klimaveränderungen sind zum einen das Freisetzen von so genannten klimawirksamen Gasen und zum anderen das Abholzen von CO2 absorbierenden Wäldern und eine industriell betriebene Landwirtschaft. Als klimawirksame Gase werden jene Bestandteile unserer Atmosphäre bezeichnet, die die Eigenschaft haben die kurzwellige solare Strahlung passieren zu lassen, von der Erde abgestrahlte Wärme jedoch zu reflektieren. Neben Kohlendioxid haben auch Methan, Distickstoffoxid, Ozon und Wasserstoff in unterschiedlicher Intensität diese Eigenschaft. Um deren Einfluss auf das Klima vergleichen zu können, betrachtet man jeweils die äquivalent wirksame Kohlendioxidmenge der jeweiligen Gase. Deren Anteile in der Atmosphäre sind ein wichtiger Indikator für die Beobachtungen der Einflussnahme des Menschen auf das Klima.

Zu Beginn der 90er Jahre wurden jährlich rund 24 Mrd. Tonnen CO2 aus der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzt. Setzt man dies im Verhältnis zum jährlichen Primärenergieverbrauch von 330 EJ so werden im Schnitt 262 g CO2 pro Kilowattstunde emittiert. Dies entspricht in etwa dem CO2 Ausstoß von 260 g bis 280 g bei der Verbrennung von 100 ml Erdöl mit einem Heizwert von 1 KW/h.
Einhergehend mit dem starken Fortschreiten der Industrialisierung, sowie dem großen Bevölkerungszuwachs in den letzten fünfzig Jahren wurde allein 80% der seit Beginn des Industrialisierung emittierten Kohlendioxids (1000 Mrd. Tonnen, Quelle: BMU) in dieser Zeit emittiert.

Dies führte zu einem Anstieg des CO2 Gehalts in der Atmosphäre von 280 ppm im Jahre 1765 auf derzeit 360 ppm. Wissenschaftler auf aller Welt beschäftigen sich heute mehr denn je mit dieser Problematik, und analysieren Zukunftsszenarien mit unterschiedlichen möglichen Varianten der Energiebereitstellung (siehe Abbildung 6).

Dem Szenario "A1FI" zufolge, dass eine Energiebedarfsdeckung wie bisher durch weitgehend fossile Energieträger (siehe Abb. 7) beschreibt, stiege die globale Durchschnitttemperatur bis 2100 um 4,5-5 Grad °C.
Die Szenarien "450" und "550" beschreiben Kombinationen, die zu einer stabilen Konzentration von CO2 in der Atmosphäre sorgen.

3. Begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger

Wenn die Energiebereitstellung, wie bisher fast vollständig über fossile Energieträger erfolgen würde, so wären deren Ressourcen innerhalb von wenigen Generationen aufgebraucht (siehe Abbildung 8). Das bedeutet nicht, dass es in 75 Jahren kein Erdöl mehr geben wird, sondern dass immer weiter steigende Gewinnungskosten einen Einsatz als Energieträger unwirtschaftlich machen.

Die Gewinnung von Erdöl aus Ölsand oder Ölschiefer ist eine solche kostenintensive Methode (hier bezeichnet als Erdöl unkonventionell). Dabei wird schon in 10-20 Jahren erwartet, dass das jährliche Fördervolumen an Erdöl nicht mehr zu steigern sein wird und trotz stetig weiter steigenden Energiebedarfs zurückgehen wird.

Dieser so genannte "Mid-depletion-point" wird extreme Preissteigerungen zur Folge haben (siehe Abb. 9). Ab diesem Zeitpunkt werden die Kosten für erneuerbare Energien erstmals, die der fossilen Energieträger unterschreiten.

Der seit Beginn der Industrialisierung stetig gestiegen Verbrauch fossiler Energie wird ebenso rasch zurückgehen. (siehe Abb.10). Hauptverursacher der Klimaveränderungen und der Ressourcenknappheit sind die Industrienationen.

Auch wenn die Industrienationen nur einen Anteil an der Weltbevölkerung von 25 % der Weltbevölkerung haben, so verbrauchen sie doch 65 % der konventionellen Energien und sind für 75 % der CO2 Emissionen verantwortlich.
Demgegenüber verbrauchen die ärmsten Länder der Welt nur ca. 5 % der Energie und verursachen jährlich 5 % der CO2 Emissionen.