Energiegewinnung

Energiegewinnung

Folgender Artikel ist ein veränderter und aktualisierter Auszug aus der Diplomarbeit „Integration regionaler Energieerzeugung in den Landschaftshaushalt“ von Mathias Heßler (dort Kapitel 3.1)

Module zur erneuerbaren Strom- und Wärmegewinnung

Alle erneuerbaren Energien basieren direkt oder indirekt auf Sonnenenergie. Die Sonne ist der einzige Energie- Input ins System Erde. Wind entsteht als Ausgleichsbewegung der Luft zwischen unterschiedlich von der Sonne erwärmten Gebieten. Gewässer fließen aufgrund des durch Sonnenenergie angetriebenen hydrologischen Kreislaufs von Verdunstung und Kondensation. Pflanzen synthetisieren hochmolekulare Verbindungen aus niedermolekularen – mit Hilfe der Sonnenenergie. Lediglich Gezeitenenergie und Erdwärme basieren nicht auf Sonnenenergie. Erdwärme ist für die dezentrale Nutzung interessant, im großindustriellen Maßstab angezapft ist sie nur begrenzt und nur an geeigneten Standorten regenerationsfähig (siehe hierzu Heinberg 2004, S. 249).
Gezeitenenergie steht unbegrenzt zur Verfügung und ist „sauber und wirtschaftlich. Leider gibt es in der ganzen Welt weniger als zwei Dutzend für Gezeitenkraftwerke optimal geeignete Stellen, von denen die meisten in abgelegenen Gebieten wie Nordwest-Russland oder Nordwest-Kanada liegen“ (ebenda, S. 250).
Wellenenergie, die auf dem hydrologischen Kreislauf, auf der Erdrotation und der Gezeitenenergie beruht, bedingt für die Erschließung sehr lange Unterwasser- Leitungswege. Einzelne Ideen zu Wellenenergienutzung sind vorhanden (siehe beispielsweise http://brandlmotor.de/). Es ist fraglich, ob die Nutzung derart entlegener Energiequellen überhaupt nötig ist.

1. Sonnenenergie, direkt genutzt

Die Menge der von der Sonne auf die Erdoberfläche eingestrahlten Energie pro Fläche liegt bei unbedecktem Himmel und trockener Luft im Bereich von 800 - 2.000 kW/m², je nach Höhe über dem Wasserspiegel und Breitengrad. Dieser Wert wird als terrestrische Solarkonstante bezeichnet. In Deutschland liegt er um 1 kW/m².
Die tatsächliche Sonneneinstrahlung ist weit geringer, aber in Europa immer noch durchschnittlich bei 200 Watt (120 Watt in Deutschland, 230 Watt in Spanien)
(Heinberg 2004, S. 234).
Solarpanels (Photovoltaik) nutzen diese Sonnenenergie direkt über den photovoltaischen Effekt, der bereits 1839 von Edmond Becquerel entdeckt wurde. Wirkungsgrade liegen derzeit zwischen 12% und 17%; es sind bei Panels aus Silizium maximal 28% technisch möglich. Da der Herstellungsprozeß bei höheren Wirkungsgraden unproportional ansteigt, ist der erreichte Wirkungsgrad immer ein Kompromiß aus möglichen Energieerträgen und Herstellungskosten.
Investitionskosten belaufen sich auf 4.000 – 5.000 € pro installiertem Kilowatt. Für einen Jahresertrag von 4.000 kWh müssen generell knapp 500 kW Dauerleistung installiert werden, bei Photovoltaik aufgrund der tages- und jahreszeitlichen Schwankungen etwa das Vierfache, also knapp 2.000 W oder 2 kW. Photovoltaikzellen erzeugen maximal 90 bis 120 W pro Quadratmeter Modulfläche. Die Gewinnung von 2 kW erfordert also rechnerisch eine reine Modulfläche von etwa 20m². Tatsächlich ist die Fläche noch größer.
Hermann Scheer errechnet in seinem Buch „Solare Weltwirtschaft“, daß in Deutschland auf weniger als 10% der überbauten Fläche Photovoltaikanlagen angebracht werden müßten, um den Strombedarf von Deutschland allein durch Solarenergie zu decken:
„In Deutschland liegt […] die durchschnittliche Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter und Jahr bei 1100 Kilowattstunden. Der Gesamtbedarf an Strom liegt bei etwa 500 Mrd. Kilowattstunden. Die durchschnittliche Jahresleistung von Photovoltaik (nicht zu verwechseln mit dem höchsten erzielbaren Wirkungsgrad unter optimalen Einsatzbedingungen und -zeiten) liegt gegenwärtig bei 10% der Sonneneinstrahlung, also etwa 100 Kilowattstunden pro Quadratmeter. Daraus ergibt sich, daß für eine Stromerzeugung von 500 Mrd. Kilowattstunden allein mit Photovoltaikanlagen eine Modulfläche von 5000 Quadratkilometern nötig wäre. Sinnvollerweise würden die entsprechenden Anlagen auf bzw. an bestehenden Gebäudeflächen installiert. In Deutschland hieße das, daß weniger als 10% der überbauten Fläche auf Dächern, an Hauswänden und Autobahnrändern mit Photovoltaik auszustatten wären“(Scheer 2002, S. 68). 
Anders ausgedrückt „benötigt man pro Bundesbürger etwa 70 Quadratmeter Solarzellenfläche.“ Die Bilanz von Hermann Scheer berücksichtigt nicht die tages- und jahreszeitliche Ungleichheit von Sonneneinstrahlung und Stromverbrauch. Ihre praktische Umsetzbarkeit „würde […] voraussetzen, daß eine Speicherung des Stroms - diese mit einem Wirkungsgrad von praktisch 100 Prozent -  zur Überbrückung der Dunkelzeiten - Nacht, Schlechtwetterperioden, dunkle Jahreszeit - technisch realisierbar wäre. Eine Bedingung, die derzeit noch nicht erfüllt ist.
Eine Speicherung der Energie über Wasserstoff hat einen Wirkungsgrad von etwa 30%; würde man zwei Drittel des Stroms über Wasserstoff speichern, müßte die Solarzellenfläche auf fast 200m² erhöht werden“ (Bockhorst 2001).
Hermann Scheer will auch nicht darauf hinaus, daß der komplette deutsche Strombedarf mit Photovoltaik gedeckt werden sollte, er will vielmehr das Argument der Stromkonzerne entkräften, erneuerbare Energiequellen würden niemals für die Versorgung der Bevölkerung allein ausreichen.
Gegenüber der Photovoltaik haben Solarkollektoren mit bis zu 80% einen weit höheren Wirkungsgrad. Dieser sinkt mit der Temperatur, während umgekehrt der photovoltaische Effekt bei niedrigeren Temperaturen höhere Erträge erbringt (vgl. Mösl 1993). Kollektoren erzeugen keinen Strom, sondern erwärmen Wasser. Auf einer einfachen Bauart beruhend – schwarze Rohre, durch die Wasser geleitet wird – sind sie in Mittelmeerländern und semiariden Gegenden bereits seit etlichen Jahrzehnten gebräuchlich. Sie sind in der Herstellung weit einfacher als Solarpanels. In unseren Breiten ergeben sich wie bei Photovoltaik die Probleme der Speicherung für die kalten Monate und außerdem die Notwendigkeit eines ergänzenden Heizsystems, um auf duschfähige Wassertemperaturen zu kommen.
Solarthermische Stromerzeugungssysteme erhitzen Wasser, um damit einen Elektrogenerator anzutreiben. Diese Systeme befinden sich noch in der Entwicklungsphase (vgl. Heinberg 2004, S. 235). Es handelt sich hierbei um große Kraftwerke, die dem dezentralen Gedanken nicht entsprechen. 

2. Windkraft

Windkraftanlagen onshore, also an Küsten oder im Binnenland haben installierte Leistungen zwischen 250 kW und etwa 3 MW, je nach Rotorfläche, das ist die Fläche, die der Rotor mit seiner Drehung abdeckt und die zwischen 27 m² und 80 m² liegt. Offshore-  Anlagen liefern mit über 100m² Rotorfläche bis zu 5 MW. Diese Zahl entspricht jedoch bei weitem nicht der Leistung, die eine WEA (Windenergieanlage) kontinuierlich erbringt: Die Hersteller geben für ihre Anlagen je nach installierter Leistung Werte für Stromerträge bei optimalen Windbedingungen an. Eine WEA vom Typ Enercon E70 beispielsweise, mit 1,8 MW installierter Leistung erbringt bei 98m Bauhöhe (größte Ausführung) im Idealfall knapp über 4 Mio. kWh/a. Das ist dieselbe Menge Strom, wie beispielsweise eine Biogasanlage im kontinuierlichen Betrieb erbringen kann, die nur 0,5 MW, also nicht einmal 30% der Leistung der genannten WEA installiert hat.
Optimale Wind-Standorte werden zudem in Deutschland nur an der Schleswig-Holsteiner Westküste erreicht. An vielen Inland- Standorten werden Standortqualitäten von 65% nicht überschritten (vgl. Rehfeld 2004). Die Windgeschwindigkeit geht mit der dritten Potenz in die Gleichung zur Errechnung der im Wind enthaltenen Leistung ein. Bei 8 m/s (ca. 30 km/h, Windstärke 5) sinkt die Windleistung im Gegensatz zur doppelten Windgeschwindigkeit 16 m/s (knapp 60 km/h, Windstärke 7) auf ein siebtel.
Weiterhin haben WEA den Nachteil, daß keine Wärme genutzt wird.
Ein großer Vorteil ist hingegen, daß die Anlage, einmal installiert, wartungsarm selbständig läuft, während eine Biogasanlage ständige Biomasse- Transporte mit sich bringt.
Investitionskosten von WEA werden derzeit mit etwa 800 -  1.000 € pro installiertem Kilowatt veranschlagt, der Preis hängt stark von Nabenhöhe, Rotorgröße und installierter Leistung ab. Nabenhöhen von WEA liegen in der Bandbreite von 40m – 125m, eine Anlage des Herstellers GE mit 1,5 MW kostet etwa 1,5 Mio. €, eine Enercon der Größe 1,8 MW (Nabenhöhe 98 m) kostet über 2 Mio. €. Es muß angemerkt werden, daß hohe Windgeschwindigkeiten im Binnenland Symptom einer degradierten Landschaft sind: In einer Landschaft, die mit permanenter Vegetation bedeckt, deren Wasser- Nährstoffhaushalt kleinräumig geschlossen und deren Energieverteilung gleichmäßig ist, ist weit weniger Wind vorhanden, der ja eine Ausgleichsbewegung zwischen überhitzten Gebieten und Kühlungszonen ist.

3. Wasserkraft

Während direkte Sonnenenergienutzung und Windenergienutzung von den ständigen Schwankungen der Einstrahlung bzw. des Windes unmittelbar abhängig sind, kann Wasserkraft weitgehend kontinuierlich genutzt werden. Sie hat derzeit den höchsten Anteil an der erneuerbar erzeugten Energie.
„Das ganze 20. Jahrhundert hindurch wurden an den wichtigsten Flüssen der Welt Dämme für Wasserkraftwerke gebaut – vom Colorado River in den Vereinigten Staaten bis zum Nil in Ägypten. […] In der ganzen Welt sorgt die Wasserkraft für 19 Prozent der Stromherstellung“ (Heinberg 2004, S. 246). Große Wasserkraftanlagen sind eine zuverlässige, langfristige Energiequelle, die im nachfossilen Zeitalter von großer Wichtigkeit sein wird. Durch das Aufstauen wird allerdings das natürliche Fließverhalten des Gewässers stark beeinträchtigt und die überstaute Landschaft zerstört. Der Staudamm ist eine unüberwindliche Barriere für Wanderfischarten. „Außerdem sind viele existierende Wasserkraftwerke durch Verlandung, Verschlammung und die vorhersehbaren Änderungen der natürlichen Wasserkreisläufe gefährdet […]“ (ebenda, S. 247). Große Wasserkraft ist außerdem eine stark zentralisierte Stromerzeugungsmethode, die lange Leitungswege mit sich bringt und dem Besitzer der Anlage große Macht verleiht. Das vermutlich letzte Großprojekt, und gleichzeitig auch der größte Staudamm der Erde ist der „Drei-Schluchten- Staudamm“ in China, der 2009 fertiggestellt werden soll und eine Stromleistungskapazität von 18.200 MW hat. Für ihn wurden 13 Städte und 1.500 Ortschaften überflutet und zwischen 1,2 und 2 Mio. Menschen umgesiedelt (vgl. Geo 06/03).
Die „kleine Wasserkraft“ hingegen hat nicht diese verheerenden ökologischen Konsequenzen. Im Gegenteil „kann durch Querbauwerke auch die Artendiversität sowie die Individuendichte vergrößert werden“ (Ripl 2004, S. 10). Die Querbauwerke der „kleinen Wasserkraft“ stellen eine Strukturbereicherung des Gewässers und keine Barriere dar. Sie fördern gleichzeitig den Wasserrückhalt (Wasserretention) in der Landschaft und so eine Stabilisierung des Wasser- und Stoffhaushaltes (vgl. Ripl 2004, S. 8f).
Merkmal der „kleinen Wasserkraft“ ist vor allem eine nicht durchgehende Querverbauung. Unter „kleine Wasserkraft“ zählen nach dem Erneuerbare-Energien-  Gesetz von 2004 Anlagen mit bis zu 5 MW installierter Leistung. Die Untergrenze liegt unter 1 kW. Kleinstwasserturbinen mit 150 oder 300 Watt werden seriengefertigt.
Mit ihren kontinuierlichen Stromerträgen und häufig der Verbesserung des ökologischen Gewässerzustandes ist kleine Wasserkraft eine sehr vorteilhafte Nutzungsform dezentraler erneuerbarer Energie. Sie ist auch an kleineren Flüssen wie der Dosse einsetzbar.
Investitionskosten belaufen sich Kaltschmitt et al. zufolge für eine 300 kW  Referenzanlage auf 5.570 Euro pro installiertem Kilowatt (Stand 2003). Bei kleineren Anlagen um 30 kW sind die Investitionskosten geringer (4.310 € pro installiertem kW bei einer 32 kW- Referenzanlage), bei größeren Anlagen sinken die Kosten pro installiertem kW ebenfalls (4.140 €/kW bei einer 2,2 MW- Anlage, Kaltschmitt et al. 2003, S. 363).

4. Biomasse

Biomasse ist materiell gespeicherte Sonnenenergie, die nach Bedarf jahreszeitlich bedingt geerntet und gespeichert werden kann. Biomasse in Form von Holz ist der älteste Energieträger der Menschheit.
Prinzipiell kann überall Biomasse angebaut werden. Das Landschaftsbild wird dabei nicht wie bei Windenergieanlagen beeinträchtigt – im Gegenteil ist Grünaufwuchs als geschlossene Vegetationsdecke das buchstäblich grundlegendste Bestreben der Natur. Biomasse läßt sich aber nicht nur fast überall gewinnbringend anbauen, sie fällt darüber hinaus auch vielerorts an: als Ernterückstand, Schalen, Kerne und Blätter von Nahrungsmitteln, Stoffwechselendprodukte von Tier und Mensch, und mit der unweigerlichen Substitution fossiler Materialien zunehmend auch als Verpackungsmaterial aus nachwachsenden Rohstoffen. Zusammensetzung und Eignung der Biomasse für die Biogaserzeugung können bei den sehr unterschiedlichen Substraten stark schwanken. Der Betreiber der Biogasanlage hat aber mehrere Möglichkeiten, um Schwankungen zu handhaben: durch die Konzeption, Einrichtung von Zwischenlagerraum für das Gärsubstrat für eine gezielte und dosierte Einbringung, sowie durch ein Gaslager kann er den Prozeß und die Gasausbeute gut regulieren. Er benötigt hierfür ein Verständnis für die ablaufenden Prozesse und Erfahrungen im Umgang mit einer Biogasanlage und Substraten.
Bei der energetischen Nutzung von Biomasse besteht eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Möglichkeiten, die je nach Standort und Bedarf zum Einsatz kommen können. In groben Kategorien zusammengefaßt sind dies: direkte Verbrennung, Biogasherstellung, Pflanzenölgewinnung, Pyrolyse und andere Herstellungsverfahren für flüssige Brennstoffe. Mit Solarzellen, Wind- und Wellenkraftanlagen wird direkt Elektrizität erzeugt. Biomasse ist hingegen ein chemischer Energieträger, wie es auch zur Zeit noch das Erdöl ist. „Im nachfossilen Zeitalter wird lediglich Biomasse aus natürlichem Wuchs und organischen Abfällen als chemische Primärenergie für die Herstellung flüssiger und gasförmiger Kohlenwasserstoffe zur Verfügung stehen“ (Bossel 2005). Es ist abzusehen, daß Treibstoff aus pflanzlichen Rohstoffen innerhalb der nächsten Jahrzehnte gegenüber dem Erdöl rentabel wird.
Die Erzeugung von Strom und Wärme kann in mittlerem Maßstab (ab Hofebene) bis zum sehr großen Maßstab der Strom- und Wärmeversorgung einer Kleinstadt erfolgen. Aufgrund dieser großen Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten hat Biomasse als Energieträger ein riesiges Wachstumspotential. Konfliktarme und ertragreiche Standorte für Windenergieanlagen sind hingegen bereits jetzt in Deutschland großenteils mit Windkraftanlagen „bestellt“. Deswegen wird einerseits schon zu einer „Repowering“- Strategie übergegangen (Modernisierung alter Anlagen und Ersetzung durch größere Anlagen am Standort), sowie andererseits zum Ausweichen auf Meeresgebiete. Hierdurch entstehen wieder neue Schwierigkeiten, vor allem die Fundamentierung im Meeresboden, die gewährleisten muß, daß auch große Anlagen bei Orkanböen sicher stehen, und lange Leitungswege mit ihrer Verlegung am Meeresboden. Große Offshore-Windparke stellen außerdem eine erneute Zentralisierung der Stromerzeugung dar (wie natürlich auch große Onshore-Windparke). Im Gegensatz dazu ermöglicht bei Biomasse gerade die kleinräumige Verfügbarkeit eine lokale bis regionale Erzeugung, unter Minimierung der Transporte und Leitungen, sowie die Eigenständigkeit von Landwirten in kleinen Zusammenschlüssen bei der Strom- und Wärmeerzeugung mit einer Orientierung am Bedarf.
Die großen Stromkonzerne begrüßen eine Entwicklung hin zur Selbstversorgung der Bevölkerung freilich nicht. Mit neuen zentralisierten Anlagen und High-tech- Ansätzen wie der Wasserstofftechnologie (siehe hierzu auch Bossel 2005) verfolgen sie Strategien, die es ihnen ermöglichen, ihre etablierte Stellung als Versorger zu wahren. Der Bau großer und komplexer Anlagen erfordert hohen Aufwand und spezialisierte Kenntnisse für Betrieb und Wartung. Große, sensationelle Projekte sind zudem auch öffentlichkeitswirksamer als die Errichtung vieler kleiner Anlagen.
Dennoch setzt auch bereits in Deutschland und anderen Ländern vor allem Osteuropas die Entwicklung ein, daß Energieunternehmen große Flächen von nicht mehr wirtschaftenden oder gerade aufgebenden Betrieben pachten, um in Monokultur nachwachsende Rohstoffe für die Vergärung anzubauen, vor allem Mais.
Biogasanlagen haben je nach Größe der Anlage eine elektrische Leistung ab 70 kW, weniger ist aufgrund überproportional hoher Investitions- und Wartungskosten nicht rentabel.
Anlagengrößen bis über 5 MW sind technisch problemlos möglich, allerdings auch, wie die großen Windparke, kaum noch als dezentral zu bezeichnen.
Seit 1991 gibt es eine gesetzliche Förderung für erneuerbare Energien, zunächst unter der Bezeichnung „Stromeinspeisungsgesetzes für Erneuerbare Energien“ (StrEG), in der Folgezeit modifiziert und im April 2000 umbenannt zum „Erneuerbare-Energien-Gesetz“.
Die langfristigen Kosten der weitergehenden Nutzung fossiler Energie werden jedoch nicht internalisiert. Hier besteht der in der Gesetzgebung allgegenwärtige Bestandsschutz. Außerdem ist offensichtlich die Angst vor einem Ausbremsen von Wirtschaftsprozessen im Land stärker als die Bereitschaft, die Augen zu öffnen für die Vergänglichkeit eben jener Wirtschaftsprozesse mit ihrem zur Neige gehenden Antrieb.
Ansätze zu einer Besteuerung nicht nachhaltiger Entwicklungen sind beispielsweise die Entropiesteuer, vorgeschlagen von Hermann Scheer (Scheer 1993, S. 243 ff.) aufbauend auf ErnstUlrich von Weizsäckers Besteuerung der Stoffströme, oder die progressive Energie- und Bodenwertsteuer von Wilhelm Ripl, basierend auf der Bodenwertsteuer von Henry George (George 1879, Kapitel 17). Beide weisen in wesentlichen Bereichen Ähnlichkeiten auf: Sie sind als Steueralternativen gedacht, nicht als zusätzliche Steuern – es wird gleichzeitig eine Vereinfachung des Steuersystems angestrebt. Zunächst werden fossile Energien besteuert, später auch der Verbrauch von Bodenfläche (bei Scheer: Landschaftsverbrauch). Ein fruchtbarer Boden ist die auch Basis einer regenerativen Energieversorgung.
Es wird Wert darauf gelegt, daß die Umsteuerung sozial gerecht erfolgt, also nicht sozial schwache Menschen benachteiligt. Insbesondere bei der Bodenwertsteuer nach Ripl werden Gesellschaft und Umwelt in Verbindung gesehen, hier übernimmt ein „Bodenfreibetrag“ die Rolle der Existenzsicherung.
Eine Energieerzeugung auf der Basis erneuerbarer Ressourcen erfordert, eingebunden in den natürlichen Kreislauf der Nutzstoffe, die Rückführung derjenigen Stoffe, die im linear denkenden Sprachgebrauch – dem Gegenteil vom Denken in Kreisläufen – als Reststoffe, Abfall oder sogar Müll bezeichnet werden.
Nur wenn ein Verlust an Nutzstoffen an Gewässer oder Deponien weitestgehend vermieden wird, kann man von Kreislaufführung der Nutzstoffe und damit von einem nachhaltigen System sprechen.
Neben den beschriebenen aktiven Modulen zur Energiegewinnung ist für ein Funktionshaus auch die passive Erwärmung durch Glasflächen von großer Bedeutung, insbesondere freilich beim Glashausmodul.

Literatur

Bockhorst, Michael: Energielexikon-Glossar, Begriff „Sonneneinstrahlung“
http://www.energieinfo.de/eglossar/node162.html
© 1999-2001, mit freundlicher Genehmigung

Bossel, Ulf: „Elektronenwirtschaft“ statt „Wasserstoffwirtschaft“ – Strom aus Erneuerbaren Energien wird die „Leitwährung“ künftiger Energieversorgung
in: Solarzeitalter, No.2/2005

George, Henry: Progress and Poverty, 1879
online verfügbar unter: http://www.henrygeorge.org/chp1.htm
insbesondere http://www.henrygeorge.org/chp17&18.htm

Heinberg, Richard: The Party’s over – Das Ende der Ölvorräte und die Zukunft der industrialisierten Welt, Riemann Verlag, 2004

Kaltschmitt, Martin;  Wiese, Andreas;  Streicher, Wolfgang (Hrsg.):
Erneuerbare Energien – Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte
Springer Verlag Berlin, Heidelberg, 3. Auflage 2003

Mösl, Roland: Aufstieg zum Solarzeitalter, Gründungsbuch der „Planetary Engineering Group“ PEGE
online verfügbar unter http://buch.pege.org/index.htm
siehe insbesondere: http://buch.pege.org/waerme/photovoltaik-und- waerme.htm
abgerufen am 05.09.05

Rehfeld, Knud: Antworten auf den Fragenkatalog der Fraktionen SPD, CDU/CSU, BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN und FDP; Öffentliche Anhörung zu dem Gesetzentwurf der Fraktionen SPD und BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN  Drucksache 15/2327 - Entwurf eines Gesetzes zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren Energien im Strombereich (EEG) am 8. März 2004

Ripl, Wilhelm: Studie zur ökologischen Bewertung von kleinen Wasserkraftanlagen, im Auftrag von EUROSOLAR e.V., 2004
online verfügbar unter: http://www.wasserkraft.org/Gutachten%20Ripl.pdf

Scheer, Hermann: Sonnen-Strategie – Politik ohne Alternative, Piper-Verlag München & Zürich, 1993