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Energiequelle



Der Begriff Energiequelle beschreibt allgemein eine Möglichkeit, Nutzenergie für eine Anwendung zu gewinnen. Energiequellen nach dem allgemeinen und politischen Sprachgebrauch dienen der Gewinnung von Nutzenergie (Strom, Heizwärme, Antriebsenergie) für die Nutzung durch den Menschen. Energiequellen sind z. B. nukleare und fossile Brennstoffe, sowie regenerative Energie wie Sonnenenergie, Windenergie, Wasserenergie oder Erdwärme.

Der Begriff Energiequelle ist streng physikalisch nicht korrekt, da es - global gesehen - keine Energie-Quellen oder -Senken gibt (Energieerhaltungssatz). Energie kann lediglich umgewandelt werden.

Im Bereich der Politik wird teilweise der Begriff Energieträger als Synonym für Energiequelle benutzt. Jedoch sind Energiespeichermedien (z. B. Wasserstoff, Batterien, etc.) keine Energiequellen, sondern sekundäre Energieträger.

Weiteres empfehlenswertes Fachwissen

Inhaltsverzeichnis

Fossile Energiequellen

Hauptartikel: Fossile Energie

Die als Energiequelle nutzbaren fossilen Energieträger sind aus Biomasse entstandene Stoffe, die - durch Sedimentschichten von der Atmosphäre abgeschlossen - nicht verrotten konnten und so ihre chemische Energie erhielten. Fossile Energieträger sind Kohle, Erdgas, Erdöl und Methanhydrat. Allen fossilen Energieträgern ist gemeinsam, dass sie nur in begrenztem Maß vorhanden sind und ihre Verwendung mit CO2-Emissionen verbunden ist (siehe Treibhauseffekt, Klimawandel, Klimaschutz).

Genutzte fossile Energiequellen

Braun- und Steinkohle

  Stein- und Braunkohle bildeten sich im Karbon bzw. Tertiär aus abgestorbenen Pflanzen, die im Morast absackten und langsam zusammengedrückt wurden. Der Prozess bei dem sich abgestorbenes organisches Material zuerst in Torf dann in Braunkohle und dann in Steinkohle umwandelt wird als Inkohlung bezeichnet und ist durch Zunahme des relativen Kohlenstoffanteils gekennzeichnet.

Steinkohle ist die tieferliegende, ältere Kohlenart und wird vorwiegend unter Tage in Stollen und Schächten abgebaut, während die weiter oben liegende Braunkohle nach dem Abräumen der Deckschichten (Abraum) im Tagebau abgebaut werden kann. Je tiefer die Kohle liegt, desto weniger Sauerstoff und desto mehr Kohlenstoff enthält sie. Dies erhöht den Heizwert der Kohle.

Stein- und Braunkohle werden in Dampfkraftwerken verfeuert. Die daraus entstehende Wärmeenergie wird genutzt, um Wasser zu Wasserdampf umzuwandeln und damit über eine Dampfturbine mechanische, daraus wiederum über einen Generator elektrische Energie zu gewinnen. Weiterhin wird Steinkohle in der Stahlherstellung und in geringem Umfang, wie auch Braunkohle, zum Betrieb von Wohnraumheizungen (Kohleöfen) verwendet.

Kohle ist ein heimischer Energieträger, sichert also Arbeitsplätze und vermindert die Importabhängigkeit; Außerdem ist Strom aus Kohlekraftwerken je nach Bedarf abrufbar, benötigt also keine „Schattenkraftwerke“ zum Ausgleich von Schwankungen. Dies gilt für Braunkohlekraftwerke allerdings nur sehr eingeschränkt, da diese in der Grundlast, also mit konstanter Leistung betrieben werden. Dagegen spricht, dass heimische Kohle verglichen mit Importkohle sehr teuer ist und massiv subventioniert werden muss, um konkurrenzfähig zu bleiben.

Kohle ist als fossiler Energieträger nur in begrenztem Umfang vorhanden, und als Grundstoff für die chemische Industrie eigentlich zu schade zum Verbrennen. Außerdem ist die Verbrennung von Kohle im Vergleich mit anderen fossilen Energieträgern (Erdöl, Erdgas) mit vergleichsweise hohen CO2-Emissionen verbunden, da Kohle im wesentlichen - wie der Name nahelegt - aus Kohlenstoff besteht. Die Verbrennung von Kohle ist zudem - bedingt durch die enthaltenen Verunreinigungen - mit relativ hohen Schadstoffemissionen (Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen, Stäube) verbunden, die sich nur mit hohem technischen Aufwand reduzieren lassen. Vor allem aber verursacht der Abbau von Kohle - besonders der Tagebau bei der Braunkohle - enorme Umweltschäden. Nach der Verbrennung verbleiben außerdem Asche und Filterstäube zur Entsorgung sowie Gips aus der Rauchgasentschwefelung.

Erdöl

 Erdöl entstand vor etwa 70 Millionen Jahren aus abgestorbenen Wassertieren und -pflanzen durch Sedimentation der Mikroorganismen in Verbindung mit mineralischen Schwebstoffen.Es besteht im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen. Typische Verunreinigungen sind Schwefel-Verbindungen, Schwefelwasserstoff und Stickstoff-Verbindungen. Erdöl wird zur Stromerzeugung in Dampfkraftwerken, als Ausgangsstoff für Treibstoffe (Benzin, Diesel), zum Heizen sowie als Grundstoff in der chemischen Industrie verwendet.

Strom aus Ölkraftwerken ist je nach Bedarf abrufbar, benötigt also keine „Schattenkraftwerke“ zum Ausgleich von Schwankungen. In geringerem Maß als Kohle ist Erdöl aus der Nordsee ein heimischer Energieträger, er sichert also Arbeitsplätze. Die Vorkommen in der Nordsee sind allerdings sehr begrenzt.

Erdöl ist als fossiler Energieträger nur in begrenztem Umfang vorhanden, und als essentieller und vielseitiger Grundstoff für die chemische Industrie (Grundstoff für Schmierstoffe, Kunststoffe und vieles andere) noch bei weitem wertvoller als der Grundstoff Kohle. Außerdem ist die Verbrennung von Erdöl auch im Vergleich mit anderen fossilen Energieträgern mit vergleichsweise hohen CO2-Emissionen verbunden, wenngleich die Verbrennung weniger CO2 freisetzt als die von Kohle. Die Verbrennung von Erdöl ist zudem - bedingt durch die enthaltenen Verunreinigungen - mit relativ hohen Schadstoffemissionen (Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen) verbunden, die sich nur mit hohem technischen Aufwand reduzieren lassen. Nicht zuletzt ist Erdöl ein Umweltschadstoff (Ölpest), die Gewinnung von Erdöl führt zu enormen Umweltbelastungen - sowohl bei der normalen Gewinnung (Leckagen) als auch bei Tankerunglücken (siehe z. B. Exxon Valdez, Amoco Cadiz, u. a.). Nach der Verbrennung verbleiben Filterstäube zur Entsorgung sowie Gips aus der Rauchgasentschwefelung. Zudem besteht ein Problem bei Erdöl in dem Peak-Oil genannten Fördermaximum. Ist der Peak, das Maximum erreicht beginnt die Förderrate zu sinken. Dies führt bei gleich bleibendem oder sogar - wie tatsächlich der Fall - steigendem Verbrauch an Erdöl zu einer immensen Preissteigerung und auch zu Versorgungsengpässen.

Erdgas

Erdgas entstand zusammen mit dem Erdöl, es ist der unter normalen Temperaturbedingungen gasförmige Anteil des Umwandlungsprozesses. Erdgas besteht vorwiegend aus Methan (CH4). Typische Verunreinigungen sind Schwefel-Verbindungen, Schwefelwasserstoff und Stickstoff-Verbindungen. Erdgas wird zur Stromerzeugung mit Gasturbinen, zum Heizen und seit einiger Zeit auch als PKW-Treibstoff (CNG) verwendet. Erdgas ist außerdem Ausgangsstoff für Synthesegas, das in der chemischen Industrie Verwendung findet (Produktion von Acetylen, Methanol, Wasserstoff und Ammoniak).

Erdgas enthält im Vergleich zu Kohle und Erdöl erheblich weniger Verunreinigungen (z. B. Schwefelverbindungen), setzt daher bei der Verbrennung weniger Schadstoffe frei und ist somit ein vergleichsweise umweltfreundlicher fossiler Energieträger.  Erdgas enthält zudem - chemisch gesehen - einen höheren Wasserstoffanteil als Kohle oder Erdöl und setzt daher bei gleichem Energieertrag weniger Treibhausgas CO2 frei. Allerdings ist unverbranntes Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, selbst ein sehr effektives Treibhausgas (siehe GWP). Erdgas aus Leckagen fördert also ebenfalls den Treibhauseffekt. Erdgas wird heute zur Stromerzeugung hauptsächlich in Gasturbinen- oder GuD-Kraftwerken (Gas- und Dampfkraftwerken) eingesetzt. Diese Kraftwerke erreichen einen sehr hohen Wirkungsgrad von 55–60 % und können im Gegensatz zu Kohle- oder Kernkraftwerken bei Bedarf sehr kurzfristig Strom liefern, sind also spitzenlasttauglich und können gut zum Ausgleich von Lastschwankungen, Kraftwerksausfällen oder Leistungsschwankungen, z. B. von Windenergieanlagen, eingesetzt werden.

Erdgas ist als fossiler Energieträger nur in begrenztem Umfang vorhanden, außerdem muss Erdgas zum großen Teil importiert werden, macht deshalb also importabhängig.

Bisher ungenutzte fossile Energiequellen

Die bisher ungenutzten fossilen Energiequellen sind bisher nicht (oder nicht wirtschaftlich) zu gewinnen, und können erst bei wesentlich höheren Energiepreisen wirtschaftlich werden.

Methanhydrat

Methanhydrat (Methanklathrat, Methaneis) besteht aus Methan, das in gefrorenes Wasser eingelagert ist, wobei die Wassermoleküle das Methan vollständig umschließen. Man spricht daher auch von einer Einlagerungsverbindung (Klathrat). Erstmals wurde Methanhydrat 1971 im Schwarzen Meer entdeckt. Methanhydrat bildet sich am Boden von Meeren bzw. tiefen Seen, wo der Druck hoch und die Temperatur niedrig genug ist. Bei niedrigerem Druck ist Methanhydrat instabil und zersetzt sich zu Wasser und freiem Methan, das theoretisch analog zum ähnlich zusammengesetzten Erdgas genutzt werden könnte. Die größten Vorkommen von Methanhydrat wurden an den Hängen der Kontinentalschelfe ausgemacht.

Bei geschätzten zwölf Billionen Tonnen Methanhydrat ist dort mehr als doppelt so viel Kohlenstoff gebunden wie in allen Erdöl-, Erdgas- und Kohlevorräten der Welt. Wegen der Instabilität gestaltet sich der Abbau der Methanhydratfelder jedoch schwierig und ist momentan noch Spekulation.

Die Verbrennung von Methanhydrat setzt etwa gleich viel CO2-Emissionen frei wie die von Erdgas, so dass diese ebenfalls zur Globalen Erwärmung beiträgt, allerdings in geringerem Maß als Kohle oder Erdöl. Weiterhin ist Methan selbst ein starkes Treibhausgas, das weitaus effektiver ist als CO2 (siehe GWP). Beim Abbau müssten also hohe Ansprüche an die Vermeidung von Leckagen und anderen Methanfreisetzungen gestellt werden.

Die Ausbeutung der Methanhydratvorkommen an Kontinentalschelfen erfordert weiterhin umfangreiche Untersuchungen bezüglich der Hangstabilität. So können Hangrutsche an Kontinantalschelfen durch ihre Größe von mehreren hundert Kilometern zu Tsunamis führen.

Regenerative Energiequellen

Hauptartikel: Erneuerbare Energie

Erneuerbare Energiequellen tragen ihren Namen, weil sie im Gegensatz zu den - begrenzt vorhandenen - fossilen Energieträgern ständig direkt (Sonnenlicht) oder indirekt (Wind, Wasserkraft, Wellen, Biomasse) von der Sonne nachgeliefert oder aus anderen, nichtfossilen Quellen (Geothermie:radioaktiver Zerfall im Erdinneren, Gezeitenkraftwerke:Bewegung von Mond und Erde) gespeist werden. Sie gehen daher quasi nie zur Neige. Die regenerativen Energiequellen sind, außer der Windenergie, derzeit noch nicht völlig konkurrenzfähig zu etablierten Energiequellen und sind deshalb, wie auch die Kernenergie zuvor, auf Subventionen angewiesen um den Einsatz attraktiv zu machen und die Weiterentwicklung zu forcieren. Noch herrscht allerdings ein deutliches Ungleichgewicht zu Gunsten der Kernenergie bezüglich der von der Allgemeinheit erbrachten Unterstützungsleistungen.

Genutzte regenerative Energiequellen

Wind

Hauptartikel: Windenergie

 Unterschiedlich warme Luftschichten führen zu einer Verfrachtung von Luft, die als Wind bezeichnet wird. Windkraftanlagen nutzen heute die Bewegungsenergie des Windes, um diese mit Hilfe von Propellern in mechanische Energie und schließlich in einem Generator in elektrische Energie umzuwandeln. Windenergie wurde bereits seit dem 10. Jahrhundert in Windmühlen genutzt, um Getreide zu mahlen.

Die Erzeugung von Strom durch Windenergie ist – vom Bau der Kraftwerke abgesehen – CO2-frei und setzt – von den durch Kraftwerksbau und -beseitigung bedingten Emissionen abgesehen – keine weiteren Schadstoffe frei. Die energetische Amortisationszeit ist extrem kurz, sie liegt bei wenigen Monaten bis zu einem Jahr. Die Nutzung der Windenergie birgt keine nennenswerten Sicherheitsrisiken. Eine Windkraftanlage ist sehr zuverlässig, die technische Verfügbarkeit liegt zwischen 95 Prozent und 99 Prozent, die energetische bei ca. 90 Prozent. Alle installierten Windkraftanlagen zusammen können weder gleichzeitig ausfallen, noch ist es wahrscheinlich, dass sie gleichzeitig keinen oder maximalen Strom liefern. Dazu ist die Windenergie unabhängig von Brennstoffen und deren Preisentwicklung; die Stromkosten entstehen fast ausschließlich durch Kosten für die Finanzierung der notwendigen Investitionen. Dieser Faktor führt dazu, dass bei weiter steigenden konventionellen Energiepreisen die Stromgewinnung aus Windenergie konkurrenzfähiger wird. Als rein einheimische Energiequelle verringert sie die Abhängigkeit von den globalen Preissteigerungen anderer Energiequellen.

Windkraftanlagen sind direkt von den gerade herrschenden Windverhältnissen abhängig, die Erzeugung schwankt also. Bei Windstille oder Sturm erzeugen sie keinen Strom. Da die Speicherung von Strom aktuell nur mit von Umwandlungsverlusten behafteten Pumpspeicherkraftwerken erfolgen kann, müssen unter anderem konventionelle Kraftwerke, die ihren Strom aus nicht schwankungsbehafteten Quellen beziehen, diese Schwankungen ausgleichen. Durch die mittlerweile recht gute Prognostizierbarkeit des Windangebots sinkt dieser Anteil aber auf unter 10 % der Windenergiekapazität und kann von bestehenden Kraftwerken innerhalb ihrer Regeltätigkeit aufgebracht werden. Deren Wirkungsgradreduzierung liegt, wie bei der Regeltätigkeit durch wechselnden Bedarf, bei nur wenigen Prozentpunkten.

Windkraftanlagen sind ökologisch umstritten, da die Gefahr des Vogelschlags besteht, allerdings ist die absolute Gefahr dafür um einen Faktor 10.000 niedriger als im Straßenverkehr. Windkraftanlagen können im Betrieb schädlichen Infraschall abstrahlen und führen an Land durch ihre auffällige Bauart zu (wenn auch subjektiver) optischer Umweltverschmutzung.

In der Nähe von Straßen und Siedlungen geht von Windkraftanlagen im Winter die Gefahr von Eiswurf aus. In der Sichtweite von Straßen gefährden Windkraftanlagen die Verkehrssicherheit, weil die Aufmerksamkeit der Fahrer unbewusst abgelenkt wird.

Sofern man externe Effekte nicht berücksichtigt, ist Windstrom zur Zeit noch teurer als konventionell erzeugter Strom, allerdings kann die Windenergie auch nicht auf die jahrzehntelange massive Förderung anderer Energiequellen zurückblicken (z. B. Steinkohle). In Regionen mit schwach ausgebautem Stromnetz, wie z. B. die Stromversorgung auf Inseln oder in Entwicklungsländern, sind Windkraftanlagen schon heute zu konventionellen Energiequellen konkurrenzfähig.

Wasserkraft

 Wasserkraftwerke nutzen die Energie aus der Erdanziehung oder Bewegungsenergie von stetig fließendem Wasser, um daraus mittels Wasserturbinen mechanische Energie und daraus wiederum elektrische Energie zu gewinnen. Da der natürliche Wasserkreislauf von der Sonne angetrieben wird, ist Wasserkraft indirekt eine Form der Solarenergie. Wasserkraft wird im wesentlichen zur Erzeugung von Strom genutzt, die direkte Verwendung mechanischer Arbeit (Wassermühlen) ist eher verschwindend gering.

Die Erzeugung von Wasserkraft ist - vom Bau der Kraftwerke abgesehen - CO2-frei und setzt keine weiteren Schadstoffe frei. Des Weiteren ist Strom aus Wasserkraftwerken je nach Bedarf abrufbar, benötigt also keine „Schattenkraftwerke“ zum Ausgleich von Schwankungen.

Die für Wasserkraftwerke in der Regel nötigen Stauseen sind auf geeignete, nur begrenzt zur Verfügung stehende Geländestrukturen angewiesen. Wasserkraft ist also von der gewinnbaren Menge her stark begrenzt; die Möglichkeiten in Deutschland sind weitgehend ausgereizt. Außerdem ist die Anlage von Stauseen flächenintensiv. Wenn beim Anlegen von Stauseen Wälder geflutet werden, entsteht bei der nachfolgenden Verrottung des organischen Materials eine große Menge Methan, das als Treibhausgas wirkt. Außerdem wird bei dem Prozess Sauerstoff verbraucht, so dass in dieser Phase (die viele Jahre dauern kann) der Stausee für Wasserbewohner ziemlich lebensfeindlich ist.

Gezeiten

  Gezeitenkraftwerke nutzen die kinetische Energie der mit den Gezeiten verbundenen Meeresströmungen, um daraus elektrische Energie zu gewinnen. Dazu werden in geeignet geformten Flussmündungen oder an ähnlichen Küstenlinien mit starkem Tidenhub Staudämme mit Turbinen errichtet. Eines der bekanntesten Gezeitenkraftwerke befindet sich in der Mündung der Rance bei Saint-Malo, Frankreich.

Die Erzeugung von Strom in Gezeitenkraftwerken ist - vom Bau und der Beseitigung der Kraftwerke abgesehen - CO2-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei.

Gezeitenkraftwerke sind nur an Orten rentabel, die eine geeignete Küstenlinie mit einem starken Tidenhub aufweisen; solche Orte sind nur sehr begrenzt verfügbar. Außerdem stellen Gezeitenkraftwerke unter Umständen einen erheblichen Eingriff in teilweise sehr sensible Ökosysteme dar.

Wellen

Wellenkraftwerke nutzen die Energie der durch den Wind auf der Wasseroberfläche des Meeres erzeugten Wellen. Die Entwicklung steht derzeit zwar noch am Anfang. Dennoch gibt es seit 2000 das weltweit erste Wellenkraftwerk mit einer Pneumatischen Kammer, das Strom in ein kommerzielles Stromnetz einspeist.

Seit Mitte 2006 sind auch Wellenkraftwerke mit Auftriebskörpern kommerziell im Einsatz. Sie nutzen in Schlangenform die Wellenbewegung um zwischen mehreren Gliedern die Bewegung hydraulisch auf Generatoren zu übertragen.

Die Erzeugung von Strom durch Wellenkraftwerken ist - vom Bau und der Beseitigung der Kraftwerke abgesehen - CO2-, schadstoff- und emissionsfrei.

Da mit Wellenkraftwerken noch keine ausreichenden Erfahrungen vorliegen, weiß man über die ökologischen Auswirkungen, z. B. auf Meereslebewesen, bisher wenig.

Meeresströmung

Ein Meeresströmungskraftwerk nutzt die kinetische Energie aus der natürlichen Meeresströmung zur Bereitstellung von elektrischem Strom

Derzeit gibt es einige Meeresströmungskraftwerke im Erprobungsstadium:

  • Seaflow
  • Kobold (Straße von Messina)
  • Hammerfest (Norwegen)

Das Seaflow wurde von der Universität Kassel geplant und mit Unterstützung eines britischen Ministeriums vor der Küste von Cornwall in der Straße von Bristol im Südwesten Englands gebaut. Zur Zeit wird es getestet.

Sonnenenergie in direkter Nutzung

Hauptartikel: Sonnenenergie

Zur direkten Nutzung der Energie aus der Strahlung der Sonne kann diese entweder direkt (Photovoltaik) oder indirekt (solarthermisch) in elektrischen Strom verwandelt oder unmittelbar als Solarwärme genutzt werden.

Die Nutzung der Sonnenenergie ist - vom Bau der Anlagen abgesehen - CO2-frei und setzt keine weiteren Schadstoffe frei. Es fallen keine Brennstoffkosten an, ein Solarkraftwerk benötigt allerdings einen gewissen Wartungsaufwand.

Das Angebot an Sonnenenergie ist an das Tageslicht gebunden und daher schwankend (Tag/Nacht, Wetter, Jahreszeit), daher ist die Gewinnung von Solarstrom mit dem Einsatz von steuerbarer Reserveenergie („Schattenkraftwerke“) verbunden. In Mitteleuropa ist sowohl das Angebot an Solarenergie als auch die Wettersituation eher absolut unzureichend. Solarthermische Kraftwerke und in klimatisch günstigeren Regionen (Südeuropa, Afrika, etc.) scheitern zur Zeit an fehlenden Möglichkeiten zum effektiven Transport (Stromleitungen hätten zu viele Verluste); hier könnte die noch in den Kinderschuhen steckende Wasserstofftechnologie in der Zukunft eine Lösung anbieten.

Photovoltaik

 Bei der Photovoltaik wird Sonnenlicht mittels Solarzellen direkt in elektrischen Gleichstrom umgewandelt.

Die Nutzung der Sonnenenergie ist - vom Bau der Anlagen und deren späterer Beseitigung abgesehen - CO2-frei und hat - von den durch Kraftwerksbau und -beseitigung bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Emissionen von Abgasen, Strahlung, Stäuben, Lärm oder Abwärme. Die Nutzung der Solarenergie birgt zudem keine spezifischen Sicherheitsrisiken. Die energetische Amortisationszeit ist relativ kurz, sie liegt bei wenigen Jahren. Zusammen mit einer sehr hohen Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten ergibt sich ein Vielfaches der Herstellungsenergie als Nutzenergie. Das Sonnenenergieangebot folgt zeitlich grob dem jeweils aktuellen Strombedarf, tagsüber und gerade zur Mittagsspitze erreicht die Solarenergie ihr Angebotsmaximum, sie ist somit sehr gut für Spitzen- und Mittellastdeckung geeignet und aufgrund dessen ein wertvoller Baustein im Energiemix. Dazu ist die Photovoltaik unabhängig von Brennstoffen und deren Preisentwicklung; die Stromkosten entstehen ausschließlich durch Investitions- und (geringe) Wartungskosten. Dieser Faktor ermöglicht, dass bei weiter steigenden konventionellen Energiepreisen die Stromkosten aus Photovoltaik kontinuierlich sinken werden. Solarenergie ist eine rein einheimische Energiequelle und verhindert damit die Abhängigkeit von globalen Preissteigerungen anderer Energiequellen. Eine Photovoltaikanlage ist sehr zuverlässig und praktisch wartungsfrei. Alle installierten Anlagen zusammen können nicht gleichzeitig ausfallen. Sie liefern bei Dunkelheit zwar keinen Strom, dann aber ist auch der Strombedarf geringer. In Deutschland ist die Photovoltaik als dezentrale Technik realisiert, die Energie wird dort erzeugt, wo sie auch verbraucht wird, Leitungsverluste entfallen. Anders als bei den konventionellen Energiequellen sind die physikalischen Möglichkeiten Wirkungsgrad und die Optimierung der Fertigungskosten noch nicht ausgereizt, durch verstärkte Forschung dürfte die Photovoltaik in Zukunft zunehmend effizienter und günstiger werden.

Solarthermie

  Bei der Solarthermie (Solarwärmenutzung) wird die beim Auftreffen des Sonnenlichts auf eine Oberfläche durch Absorption entstehende Wärme in Sonnenkollektoren über ein Trägermedium (z. B. Wasser) gesammelt und zum Heizen oder zur Brauchwassererwärmung genutzt. Eine Nutzung zur Stromgewinnung ist in Mitteleuropa ökonomisch nicht zu realisieren.

Das Angebot an Sonnenenergie ist an das Tageslicht gebunden und daher schwankend (Tag/Nacht, Wetter, Jahreszeit); Tageszeit- und Wetterschwankungen lassen sich allerdings bei der Solarwärmenutzung mittlerweile durch Wärmespeichertechniken (z. B. Latentwärmespeicher) weitgehend ausgleichen. Die jahreszeitlichen Schwankungen sind gravierender, da Solarwärme für Heizzwecke genau dann am wenigsten zur Verfügung steht, wenn man sie benötigt. Eine langfristige Speicherung von Wärme vom Sommer zum Winter ist trotz der thermischen Verluste technisch möglich, scheitert zur Zeit an der Wirtschaftlichkeit, dazu sind die Brennstoffpreise nicht hoch genug.

Solarthermische Kraftwerke und Aufwindkraftwerke
 Bei solarthermischen Kraftwerken wird das Sonnenlicht über eine große Anzahl von Spiegeln auf einen Kollektor konzentriert, wodurch die für ein Kraftwerk mit Dampfkreislauf notwendigen Temperaturen erreicht werden.

Aufwindkraftwerke erzeugen durch eine geeignete Konstruktion (ein umgekehrter Trichter) einen starken thermischen Aufwind, der sich mit Turbinen nutzen lässt.

Biomasse

 Biomasse zählt zu den nachwachsenden Rohstoffen, d. h. sie steht nicht unbegrenzt zur Verfügung (wie etwa Windenergie), kann jedoch (im Gegensatz zu fossilen Energieträgern) nach dem Ernten innerhalb kurzer Zeit auf natürliche Weise wieder entstehen. Biomasse entsteht durch die Umwandlung von Energie aus der Sonnenstrahlung mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese in organische Materie. Biomasse stellt damit gespeicherte Sonnenenergie dar. Der Unterschied von Biomasse zu anderen Nutzungsarten der Sonnenenergie ist deren Unabhängigkeit von den Zeiten der Sonneneinstrahlung. Biomasse lässt sich in vielen unterschiedlichen Arten nutzen, z. B. durch

  • die direkte Verbrennung von Holz und anderer Biomasse (die älteste Nutzung von Biomasse zur Energiegewinnung),
  • Umwandlung durch Mikroorganismen in Biogas, das für Kraftwerke, als Treibstoff, oder zum Heizen verwendet werden kann,
  • Umwandlung durch chemische Prozesse, z. B. in Biodiesel oder Alkohole.

Die zur Verwendung tauglichen biologischen Stoffe sind ebenfalls vielfältig, so können neben Pflanzlichen Ölen und Früchten für Biodiesel auch die restlichen Teile der Pflanzen, wie Holz, Stroh usw. für z. B. BtL-Kraftstoff sowie tierische Exkremente für Biogas und biologische Siedlungsabfälle (Deponiegas) zur Gewinnung von Heizstoffen eingesetzt werden.

Die Verwendung von Biomasse zur Energiegewinnung ist prinzipiell zwar nicht CO2-frei, da bei der Verbrennung CO2 freigesetzt wird. Da dieses CO2 aber bei der Entstehung der Biomasse zeitnah der Atmosphäre entzogen wurde, ist die Verwendung von Biomasse in der Bilanz - von den Emissionen bei der Gewinnung abgesehen - CO2-neutral. Biomasse ist als Nischen-Energiequelle sinnvoll, soweit sie Abfallprodukte land- und forstwirtschaftlicher Prozesse bzw. biologisch abbaubare Siedlungsabfälle nutzt und bei deren Beseitigung mithilft. Ein großmaßstäblicher Einsatz mit speziell hierzu erzeugter Biomasse, z. B. zur großmaßstäblichen Umstellung von Diesel auf Biodiesel, scheitert weitgehend am enormen Flächenaufwand bei der Erzeugung der Biomasse. Zudem sind die ökologischen Belastungen bei der intensiven landwirtschaftlichen Nutzung problematisch. Nicht zuletzt ist die Ressource Biomasse durch die Erzeugungskapazität der Erde begrenzt (Energieeitrag der Sonne, verfügbare Fläche) und durch den Menschen schon in erheblichem Maß genutzt. [1].

Umwelt

  Bei der Nutzung von Umweltenergie mit Hilfe von Wärmepumpen, die in der Regel elektrisch angetrieben werden, kann die in der Umgebung vorhandene thermische Energie zum Heizen und zur Brauchwassererwärmung verwendet werden. Hierzu wird ein geeignetes Medium der Umgebung (Luft, Erdreich, Gewässer, Grundwasser, Tunnelwasser, Grubenwasser) nach dem Kühlschrankprinzip abgekühlt und mit der dabei gewonnenen Wärme das Medium im Heizkreislauf eines Gebäudes oder das Brauchwasser erwärmt.

Wärmepumpen sind keine Energiequelle im eigentlichen Sinn, da sie aus thermodynamischen Gründen den Einsatz erheblicher Mengen Antriebsenergie erfordern. Ihr Nutzen liegt darin, dass sie mehr Heizwärme liefern als sie an Antriebsenergie benötigen. Man kann sie daher als eine Art Energieverstärker betrachten.

Für eine Betrachtung der Umweltauswirkungen ist die Erzeugung der Antriebsenergie entscheidend. Erfolgt diese mit geringem Wirkungsgrad in Dampfkraftwerken wie im konventionellen Strommix, so kann das Gesamtsystem ineffizienter sein als der direkte Einsatz der Primärenergie z. B. in Form von Gas.

Eine höhere Effizienz im Gesamtsystem kann oft erreicht werden, wenn die Eingangstemperatur der Wärmepumpe auf einem höheren Niveau liegt, z. B. in Kombination mit der Nutzung von Erdwärme.

Erdwärme (Geothermie)

  Die geothermische Energie ist die in Form von thermischer Energie (umgangssprachlich Wärme) gespeicherte Energie unterhalb der Erdoberfläche. Im Erdinneren sind immense Mengen (rund 1.011 Terawattjahre) an thermischer Energie gespeichert, die teilweise aus der Zeit der Erdentstehung erhalten sind, überwiegend aber durch den Zerfall natürlicher radioaktiver Isotope entstehen. Die Temperatur im Erdkern beträgt schätzungsweise 6000 °C, im oberen Erdmantel noch 1300 °C. 99 Prozent des Erdballs sind heißer als 1000 °C, nur 0,1 Prozent sind kühler als 100 °C. Dabei nimmt im Schnitt die Temperatur um 3 °C pro 100 m Tiefe zu. Manche Gebiete haben jedoch einen höheren Temperaturgradienten, so zum Beispiel Gebiete in den USA, Italien, Island, Indonesien oder Neuseeland.

Die Nutzung der Erdwärme zur Stromerzeugung, insbesondere aber im Wärmemarkt (Heizen und Kühlen) ist - vom Bau der Anlagen abgesehen - CO2-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau und die spätere Beseitigung bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei, soweit das geförderte heiße Wasser nicht gelöste Gase enthält, die freigesetzt werden. Außerdem ist die Gewinnung von Erdwärme kaum mit anderen Emissionen (z. B. Infraschall) oder Beeinträchtigungen des Landschaftsbildes verbunden.

Bisher ungenutzte regenerative Energiequellen

Die folgende Energiequelle befindet sich noch in der Entwicklung und wird noch nicht kommerziell eingesetzt.

Osmose

  Osmosekraftwerke sind Wasserkraftwerke, die aus dem unterschiedlichen Salzgehalt von Süß- und Salzwasser Energie gewinnen können. So durchdringt nach dem Prinzip der Osmose eine ionenarme Flüssigkeit (z. B. das Süßwasser aus einem Fluss) eine Membrane in Richtung einer ionenreicheren Flüssigkeit (z. B. Meerwasser), wobei sich ein Osmosedruck aufbaut. Bei geeignetem Aufbau kann der Flüssigkeitsstrom eine Turbine antreiben und dabei Strom erzeugen. [2]

In Skandinavien gibt es bereits Versuchsanlagen an Flussmündungen, das Verfahren ist jedoch noch weit von der Wirtschaftlichkeit entfernt.

Wesentlicher Vorteil ist (im Gegensatz z. B. zu Wind und Sonne) die stetige Verfügbarkeit von Energie, solange sowohl Süß- als auch Salzwasser verfügbar ist.

Nukleare Energiequellen

Hauptartikel: Kernenergie

Genutzte nukleare Energiequellen

Kernspaltung

  Bei der Kernspaltung von Uran oder Plutonium entstehen Energie und Neutronen, die ihrerseits wiederum weitere Spaltungen auslösen. Diese bei dieser Kettenreaktion frei werdende Energie wird in einem Kernreaktor kontrolliert genutzt.

Die Nutzung von Kernenergie ist nicht völlig CO2-frei, da bei Gewinnung und Aufbereitung des Brennstoffs sowie bei dessen Transport und Entsorgung CO2-Emissionen auftreten. Die CO2-Emissionen liegen allerdings – auf die umgesetzte Energiemenge bezogen – um eine Größenordnung unterhalb der Emissionen eines fossil befeuerten Kraftwerks. Weiterhin fallen bei Errichtung und Beseitigung des Kernkraftwerks durch den enormen Materialeinsatz CO2-Emissionen an, die aber - da ein Kernkraftwerk enorme Mengen Elektrizität während seiner Betriebsdauer erzeugt - bezogen auf die insgesamt erzeugte Energiemenge nicht stark ins Gewicht fallen. Des Weiteren gibt ein Kernkraftwerk auch im Normalbetrieb geringe Mengen radioaktiver Stoffe mit Abluft (Edelgase) und Abwasser an die Umgebung ab, die Strahlenexposition der Bevölkerung liegt dabei weit unterhalb der Schwankungsbreite der natürlichen Strahlenbelastung und ist auch weitaus geringer als die Strahlenbelastung, die beispielsweise ein Kohlekraftwerk durch die Freisetzung der im Brennstoff enthaltenen natürlichen Radioaktivität (14C, 40K, Uran, Thorium) abgibt. Kernkraftwerke sind – von jährlichen Wartungen abgesehen – hochverfügbar, (mehr als 90 %) eignen sich besonders für eine konstante Leistungsabgabe und sind daher klassische Grundlastkraftwerke; sie sind bei den Stromerzeugungskosten konkurrenzfähig mit fossilen Energieträgern. Kernkraftwerke sind langlebig, einige haben in den USA Verlängerungen der Betriebsgenehmigungen auf bis zu 60 Jahre Laufzeit erhalten.

Der Bau eines Kernkraftwerks erfordert eine sehr hohe Investition (Beispiel: Das neue Kernkraftwerk in Olkiluoto (Finnland) ist mit 3,2 Milliarden Euro Baukosten veranschlagt), ein großer Teil des Strompreises aus Kernkraft ergibt sich aus den Errichtungs- und Kapitalkosten; auch der Abriss verursacht nochmals Kosten von ca. 500 Millionen Euro. Da die Brennstoff- und Entsorgungskosten nur einen geringen Anteil an den Kosten ausmachen, ist die Kernenergie im Vergleich zu fossilen Energieträgern äußerst robust gegenüber Schwankungen des Uranpreises.

Beim Betrieb und der Beseitigung eines Kernkraftwerks entstehen radioaktive Abfälle, deren Menge (Masse, Volumen) im Vergleich zu den Abfällen fossiler Kraftwerke allerdings gering ist. Diese stellen jedoch durch ihre Strahlung ein Gefahrenpotential dar und müssen aufwendig konditioniert und entsorgt werden. Die Entsorgung der radioaktiven Abfälle durch Endlagerung in tiefen geologischen Formationen ist technisch weitgehend gelöst aber politisch umstritten.

Bei gravierenden Unfällen und terroristischen Anschlägen stellen Kernkraftwerke ein erhebliches Gefahrenpotential dar. Um diesem Gefahrenpotential zu begegnen, unterliegen Kernkraftwerke strikter Überwachung, sie werden in allen Aspekten der Auslegung sicherheitsgerichtet konstruiert und auf dem Stand der Technik gehalten. Die Kernenergie ist aufgrund ihrer Trägheit und den enormen Grundkosten primär zur Grundlastdeckung und bedingt für Mittellast geeignet. Deshalb müssen Schwankungen im Strombedarf (Mittel- und Spitzenlast) von anderen Kraftwerkstypen zu höheren Kosten übernommen werden. Die Nutzung der Kernspaltung zur Stromerzeugung in einem Kernkraftwerk erfolgt wie bei allen thermischen Kraftwerken (alle fossilen sowie solarthermische) mit einem niedrigen Wirkungsgrad von ca. 35 Prozent, der Rest ist ungenutzte Abwärme, welche durch Flusswasser oder über Kühltürme abgeführt wird. Die dabei eintretende Erwärmung der Flüsse birgt eine Gefährdung für das darin enthaltene Leben, ist aber in der Regel (in Deutschland generell) durch Vorschriften auf ein ungefährliches Maß begrenzt.

Kernzerfall

  Der Zerfall von radioaktiven Stoffen kann als Energiequelle benutzt werden, dabei wird die entstehende Zerfallswärme in Radioisotopengeneratoren zur Stromgewinnung auf thermoelektrischer Basis und zum Heizen genutzt. Die gewinnbaren Energiemengen sind gering, dafür sind Radioisotopengeneratoren sehr robust, absolut wartungsfrei und langlebig. Kernzerfallsgeneratoren wurden früher u. a. für Herzschrittmacher verwendet, heutzutage werden sie vornehmlich als Stromquelle und Heizung für Raumsonden im äußeren Sonnensystem eingesetzt, da dort Solarzellen keine ausreichende Leistung und keine Wärme liefern. Im strengen Sinn ist die Erde ebenfalls ein Radioisotopengenerator, da die bei der Geothermie genutzte Erdwärme der gängigen Lehrmeinung zufolge zum großen Teil vom radioaktiven Zerfall langlebiger Radioisotope im Erdinneren herrührt.

Nukleare Energiequellen in der Entwicklung

Kernfusion

  Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung leichter Atomkerne zu schwereren. Dabei entsteht ein neues chemisches Element. Die Sonne und andere Sterne gewinnen ihre Energie durch Kernfusion. Um die Fusion in einem Kraftwerk zu zünden, muss der Brennstoff (Wasserstoff-Plasma) in Magnetfelder eingeschlossen und auf 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Die größte Energieausbeute liefert die Reaktion zwischen den beiden schweren Sorten des Wasserstoffs - Deuterium und Tritium. Bei der Verschmelzung zu einem Heliumkern wird ein schnelles Neutron frei, das 80 Prozent der gewonnenen Energie mit sich trägt. Damit lassen sich aus einem Gramm dieses Brennstoffs durch Kernverschmelzung 50.000 Kilowattstunden Energie gewinnen, soviel wie die Verbrennungswärme von elf Tonnen Kohle. Die Grundstoffe, die für den Fusionsprozess benötigt werden, sind in nahezu unbegrenzter Menge vorhanden und über die ganze Welt verteilt. Mit dem ersten Fusionskraftwerk im industriellen Maßstab wird allerdings nicht vor 2050 gerechnet.

Siehe auch

  • Energieversorgung
 
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