Referat Alternative Energien - Kernenergie, Sonnenenergie, Windkraft + Wasserkraft

Referat

zum Thema:

Alternative Energien

in Hinblick auf baldigen Ausgang

fossiler Brennstoffe

Inhaltsverzeichnis

Titel

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Kohle, Öl und Gas - Wie lange noch

Kernenergie - Eine Alternative?

Sonnenenergie - Unsere Zukunft

Windkraft + Wasserkraft

Andere alternative Energien - Biomasse, Wasserstoff

Fazit

Verwendete Literatur

Danksagungen

Vorwort

rundsätzlich unterscheidet man 3 große Gruppen von Energieträgern, die uns zur Deckung unseres Energiebedarfs, also zur Stromerzeugung, zur Verfügung stehen. Man unterscheidet dabei fossile, nukleare und regenerative Energien.

Zu den fossilen Brennstoffen zählen Kohle, Erdöl und Erdgas, die vor Jahrmillionen aus abgestorbenen Tier- und Pflanzenresten entstanden. Werden diese Brennstoffe verfeuert, sind sie unwiederbringlich verloren, und dass, obwohl wir sie für viel wichtigere Dinge nutzen könnten. Die beiden nuklearen Brennstoffe sind Uran und Plutonium. Bei Uran handelt es sich um ein radioaktives Schwermetall, das auf der Erde zu Genüge vorkommt. Das radioaktive Element Plutonium wird entweder künstlich erzeugt oder entsteht als Abfallprodukt bei der Wiederaufbereitung von Uran. Weder Uran noch Plutonium stellt für die Menschheit sonst keinerlei Wert dar, so dass sie ohne Ausnahme zur Stromerzeugung genutzt werden können. Unter den regenerativen Energien versteht man Energieformen, die sich selbst wieder erneuern, beziehungsweise die unbegrenzt zur Verfügung stehen. Dazu zählt man die Sonnenenergie, die Wasserkraft und die Windkraft. All diese Primärenergien können wir auf die unterschiedlichste Weise nutzen. Die Sonnenenergie zum Beispiel lässt sich mittels Solarzellen direkt in Strom umwandeln. Ebenso kann man mit Sonnenkollektoren warmes Wasser erzeugen. Dieses kann dann gegebenenfalls zur Stromerzeugung durch Turbinen geleitet werden.

Jahrelang waren die fossilen Brennstoffe, hauptsächlich Kohle, später Öl und Gas unsere Hauptenergielieferanten, ohne dass sich jemand über das Versiegen dieser Energiequellen Gedanken machte. Auch dachte niemand an die schlimmen klimatischen Folgen, die die ungehemmte Verfeuerung dieser Brennstoffe nach sich zieht. Erst die Ölkrisen in den 70er Jahren, Kriege um Öl, wie zum Beispiel der Golfkrieg, sowie verschmutzte Meere und verseuchte Luft führten dazu, dass sich einige Personen über eine Weiterführung der bisherigen Energiepolitik Gedanken machten.

Weitere Faktoren sind der exponentielle Anstieg der Erdbevölkerung, der sich derzeit auf etwa 5,7 Milliarden Menschen beläuft, sowie die ungeheure Energieverschwendung und "energieverwöhnte" Bürger in Westeuropa und Nordamerika. Ein extremes Beispiel zeigt die enorme Kluft zwischen Armut und Reichtum: Kanada, das Land mit dem größten Energieverbrauch der Welt, verbrauchte 1988 pro Kopf über 1000 mal soviel Energie wie Nepal, das Land mit dem niedrigsten Energieverbrauch der Welt. Auch das Problem der Umweltverschmutzung wird immer akuter. Sieht man von der radioaktiven Verseuchung in der ehemaligen Sowjetunion ab, so bleiben immer noch die enormen, stetig steigenden Emissionen von Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (SO_X). Die jährlichen CO₂-Emissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe stiegen seit 1860 bis in das Jahr 1985, also in 125 Jahren um fast das 50fache an.

All diese Tatsachen und die oben genannte Entwicklung machen die wichtige Forderung klar: Wir müssen früher oder später neue regenerative Energiequellen finden, die unerschöpflich und umweltschonend zugleich sind.

Kohle, Öl und Gas

nsere heutige Welt ist von Pflanzen und Tieren abhängig, die vor vielen Millionen Jahren gelebt haben. Die damals von ihnen genutzte Sonnenenergie ist bis heute in Rückständen in Form von Kohle, Öl und Gas gespeichert. Bei den 3 fossilen Brennstoffen Kohle, Erdöl und Erdgas handelt es sich, wie der Name schon sagt, um Brennstoffe aus fossilen Überresten. Fossil bedeutet, aus früher Zeit, die fossilen Energieträger entstanden also vor Jahrmillionen, als es noch keine Menschen gab.

Die Kohle besteht aus größtenteils pflanzlichen Überresten, die zum Meeresboden sanken und dort von vielen Schichten Sand und Schlick luftdicht abgeschlossen wurden. Unter dem hohen Druck der oberen Schichten und mit Hilfe bakterieller Zersetzung bildete sich nach langer Zeit ein festes, sprödes, schwarzes Gestein, welches wir heute als Kohle kennen. Man unterscheidet die etwa 250 Millionen Jahre alte Steinkohle und die etwa 50 Millionen Jahre alte Braunkohle mit einem bedeutend niedrigeren Heizwert. Braunkohle findet man gelegentlich an der Erdoberfläche, wo sie dann über Tage mit riesigen Baggern abgebaut wird. Steinkohle hingegen wird zumeist in bis zu 2000 Meter Tiefe von Arbeitern aus Kohleflözen abgebaut und gefördert. Die größten Kohlenlager kennen wir in den USA und in Rußland

Das aus unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen bestehende Erdöl entstand fast auf die selbe Weise wie die Kohle, es besteht nur nicht aus pflanzlichen, sondern aus tierischen Überresten. Darunter war unter anderem Plankton, kleine Lebewesen und Mikroorganismen, die wie Kohle unter starkem Druck und Sauerstoffabschluss durch viele, komplizierte chemische Prozesse zu Erdöl wurden.

Erdgas wird häufig in Nähe von großen Erdölvorkommen gefunden, es entsteht durch weitere chemische Prozesse bei der Umwandlung von Tierresten zu Öl. Es besteht vorwiegend aus Methan, sowie geringen Mengen von Ethan, Propan oder Buthan.

Durch spätere Faltungen im sogenannten Muttergestein wanderten Erdöl und Erdgas in obere poröse Schichten, das Speichergestein genannt wird. Es gibt auch einige wenige Stellen, wo Erdöl durch extremen Druck von selbst zu Tage tritt, es entstehen dann Asphaltseen oder Teerkuhlen.

Bei den Schätzungen über die vieldiskutierte Reichweite der fossilen Brennstoffe gehen die Meinungen weit auseinander, zumal man von heutigen Entwicklungsstand ausgehen muss. Wahrscheinlich gibt es in der Antarktis und auf hoher See in großer Tiefe noch ausgedehnte Erdölfelder. Bleibt die Frage, wie attraktiv es in Zukunft für Arbeiter sein wird, Öl in 4000 Meter Tiefe oder bei -40° zu fördern. Geht man jedoch von gleichbleibendem Energieverbrauch unter Berücksichtigung des Bevölkerungswachstums aus, rechnet man damit, dass die Kohle noch für 250-500 Jahre, das Erdöl für 30-50 und das Erdgas noch für 50-100 Jahre reicht.

Für unsere Maßstäbe scheint das, jedenfalls bei der Kohle ein noch relativ langer Zeitraum zu sein, es reicht schließlich noch für einige Generationen. Aber man muss bedenken, dass all diese Brennstoffe, hauptsächlich das Öl, welches schon in 50 Jahren nicht mehr vorhanden sein wird, viel dringender für anderweitige Zwecke, wie zum Beispiel für Medikamente, Kunststoffe und viele andere Chemieprodukte mehr benötigt werden.

Kernenergie

s war am 26.4.1986, als uns der Reaktorunfall in Tschernobyl mit aller Deutlichkeit vor Augen führte, wie gefährlich die Atomenergie sein kann. 6 Jahre nach der Explosion der ersten Atombombe (16.7.1945) wurde am 20.12.1951 in Arco, USA der erste elektrische Strom durch Kernspaltung erzeugt. Das erste deutsche Versuchskraftwerk wurde 1961 in Kahl am Main vollendet. Seitdem geht die Entwicklung in diesem Bereich rasant weiter, und heute gibt es zahlreiche Typen und Größen von Atomkraftwerken. Das Hauptanwendungsgebiet ist natürlich die Stromerzeugung in Kernkraftwerken, aber auch als leistungsfähiger Motor für Schiffe und vor allem für Unterseeboote werden Kernreaktoren bereits benutzt.

Die Kernenergie beruht darauf, dass auch kleinste Teilchen, wie Atome Energie haben, in diesem Falle kinetische (bewegungs-) Energie und Bindungsenergie. Diese Energien könnte man theoretisch nutzbar machen, genau das passiert auch in einem Atomkraftwerk. Bei dem entscheidenden Prozess der Kernspaltung werden schwere Atomkerne, wie zum Beispiel das häufig verwendete Uranisotop 295 (U-295) in leichtere Atomkerne gespalten. Dabei wird Bindungsenergie frei. Ein weiterer, noch vielversprechenderer Prozess ist die Kernfusion, ähnlich wie auf der Sonne. Bei ihr werden leichte Atomkerne zu schweren verschmolzen. Auch dabei wird technisch nutzbare Energie frei. Eine Voraussetzung für eine funktionierende Kernfusion sind jedoch Temperaturen von mehreren Millionen ° Celsius. Aufgrund dieser Einschränkung müssen heutige Reaktoren noch auf das Prinzip der Kernspaltung zurückgreifen, bei denen bedeutend niedrigere Temperaturen reichen.

Der Hauptbrennstoff Uran wird hauptsächlich im Tagebau, aber auch teilweise unterirdisch in Erzen abgebaut. Reines Uran findet man nur selten, es befindet sich fast immer in Uranerzen, wie der Pechblende. Allerdings enthalten die meisten Erze nur wenig Uran, rentabel wird der Abbau erst ab 3 Kilogramm Uran pro Tonne Erz. Das abgebaute Uran wird durch Zerkleinerung in ein 70%iges Urankonzentrat, den sogenannten "yellow cake" umgewandelt, es hat aber immer noch eine zu geringe Urankonzentration, um in Kernkraftwerken genutzt werden zu können. Es muss weiterhin durch verschiedene Verfahren angereichert werden, um "kernkraftwerktaugliche" Urankonzentration zu erreichen. Es gibt drei bekannte Anreicherungsverfahren, in einzelnen sind es das Gasdiffusionsverfahren, bei dem gasförmiges UF₆ durch Membranen gedrückt wird. Weiterhin gibt es das Trenndüsenverfahren, welches auf Masseunterschieden des Urans beruht, sowie das Zentrifugenverfahren, bei dem Uran in einer Zentrifuge angereichert wird. Das extrem angereicherte Uran wir nun in etwa 1 cm großen Brennstofftabletten, sogenannte Pellets mit etwas Helium gasdicht verpackt. Viele von ihnen werden nun zu Brennstäben und Brennelementen zusammengesetzt.

Anders als bei normalen Kraftwerken, wo fossile Brennstoffe verfeuert werden, wird zur Dampferzeugung in einem Kernkraftwerk die benötigte Hitze durch Kernspaltung gewonnen. Spaltbares U-235 wird mit beschleunigten Neutronen beschossen, der beschossene Kern beginnt zu schwingen, die Bindungsenergie ist nicht mehr fähig, den Kern zusammen zu halten und er zerplatzt in Barium-141 und Krypton-92, sowie einige Neutronen. So wird eine gesteuerte Kettenreaktion in Gang gesetzt. Im Kernreaktor laufen komplexe, technisch durch Moderatoren (Bremsflüssigkeiten) und Steuerstäbe

kontrollierte Kettenreaktionen ab, bei der nur so viele Kerne gespalten werden, wie man zur Stromerzeugung benötigt.

Aber was nun mit ausgedienten Brennstäben und radioaktiv verseuchten Abfällen? Ein großes Kraftwerk verlassen jährlich etwa 30 Tonnen Uran, für Deutschland kommt man dann schnell auf jährliche Uranabfälle von über 10000 Tonnen. In Wiederaufbereitungsanlagen (z. B. La Hague, Karlsruhe) wird noch nutzbares Uran von abgebranntem Uran getrennt. Der unbrauchbare Rest wird, um kontaminierten Boden zu verhindern, bis zu 3000 Metern tief in unter Salzstöcken gelegenen Endlagern für ewig in Bleiummantelungen oder mit Edelstahl verglast eingelagert.

Die in einem Kernkraftwerk entstehenden, zum Teil stark radioaktiven Stoffe dürfen unter gar keinen Umständen in die Umwelt gelangen. Dafür besitzt ein Kernkraftwerk einige Sicherungen. Die grundsätzlichen 6 Barrieren gegen das Austreten radioaktiver Stoffe sind:

1.) Gasdichte Brennstofftabletten, in denen sich das Uran befindet.

2.) Edelstahlrohre, in denen die Tabletten aufbewahrt werden.

3.) Der Reaktordruckbehälter aus massivem Blei.

4.) Dicke Betonwände, die nur durch Druckschleusen geöffnet werden können.

5.) Ein stählerner Sicherheitsbehälter in Kugelform.

6.) Ein über 1 Meter dickes Stahlbeton-Gemisch, das auch von abstürzenden Flugzeugen nicht zerstört werden kann.

All diese Sicherungen und vier voneinander unabhängige Kühlsysteme sowie viele Filter machen ein Austreten radioaktiver Stoffe fast unmöglich. Gefahr geht prinzipiell nur noch von Staaten aus, in denen der Sicherheitsstandard noch nicht so hoch angesetzt ist wie in Deutschland, wie zum Beispiel in der Ukraine (Tschernobyl), oder in Japan, wo immer wieder Zwischenfälle bekannt werden.

Wenn man nun den gesamten Brennstoffkreislauf, die Kosten für Aufbereitung, Transport und Endlagerung betrachtet, könnte der Eindruck entstehen, die Kernenergie sei unbezahlbar. Eine Studie der Universität Essen kommt jedoch zu dem Ergebnis, dass Kernkraftwerke durchaus mit anderen Kraftwerkstypen konkurrieren können. In Deutschland liegt der Preis des "Atomstroms" etwa auf dem Niveau des "Kohlestroms". In Frankreich, dem Land mit den prozentual meisten Kernkraftwerken ist der Strom aus Kernkraftwerken fast halb so teuer wie konventioneller Strom aus fossilen Brennstoffen. Wie die Verhältnisse der Effizienz verschiedener Energieträger zeigt, hat die Kernkraft eindeutig die Nase vorn: Um einen 3-Personen-Haushalt ein Jahr lang mit Strom zu versorgen bräuchte man 1 Gramm Plutonium, oder 100 Gramm Uran, oder 5000 Liter Erdöl, oder sage und schreibe etwa 7000 Kilogramm Steinkohle. Hochgerechnet befinden sich in einem Kilogramm Uran-235 soviel Energie wie in 93 Waggons voll mit Kohle. Mit dieser Energiemenge lassen sich alle Häuser Deutschlands eine ¾ Stunde lang beleuchten. Außerdem sind Kernkraftwerke bei störungsfreiem Betrieb wesentlich umweltschonender als normale Kraftwerke

Sonnenenergie

ie Sonnenenergie zu nutzen ist keineswegs eine Idee des 20. Jahrhunderts, vielmehr sind schon seit über 200 Jahren viele Wissenschaftler damit beschäftigt, die Sonnenenergie für die Menschheit nutzbar zu machen. Schon in der Antike war man sich bewusst, dass die Sonne Spenderin allen irdischen Lebens ist. 1774 benutzte John Priestley eine Glaslinse, um Sonnenlicht zu fokussieren, und damit Quecksilberoxid zu erhitzen. Dieses Experiment trug überraschender Weise zur Entdeckung der Sauerstoffs bei. Etwa 100 Jahre später, im Jahre 1872 wurde die Sonnenenergie in Chile zum ersten mal zum Destillieren von Süßwasser benutzt. 4700 m² Bodenfläche erbrachten täglich über 20000 Liter Süßwasser, destilliert aus Salzwasser des Ozeans. 1878 wurde die Sonnenenergie von Mouchots auf der Pariser Weltausstellung dazu genutzt, Dampf zu erzeugen und damit eine Dampfmaschine anzutreiben. Die dabei erstmals verwendeten Parabolspiegel sind bis heute die beste Möglichkeit Sonnenstrahlung in Wärme, und damit Energie umzuwandeln. In den darauffolgenden Jahren wurden diese Techniken immer weiter verfeinert und größtenteils dazu genutzt, Felder zu bewässern. Weiterhin sorgte um 1960 die aufstrebende Raumfahrt und Satellitentechnik für die Entwicklung der Solarzellen, da die Raumfahrzeuge auch im Weltraum viel Energie benötigten. Was sollte auch gegen diese Art der Sonnennutzung sprechen, die Sonne liefert uns schließlich 20000 mal mehr Energie als wir benötigen. In der ersten Hälfte unseres Jahrhunderts jedoch traten die Bemühungen, die Sonnenenergie intensiv zu nutzen, vorerst in den Hintergrund. Grund hierfür war vor allem die Ansicht, die Sonnenenergie könnte in wirtschaftlicher Hinsicht nicht mit den fossilen Brennstoffen konkurrieren. Diese Situation hat sich bis heute grundsätzlich verändert, fossile Energieträger werden knapp, und die Umweltverschmutzung zieht immer größere Konsequenzen nach sich, so dass bald einfach neue Energiequellen gebraucht werden.

Theoretisch kann die Sonne als unerschöpfliche Energiequelle in Betracht gezogen werden, praktisch jedoch sind die auf der Sonne stattfindenden Kernfusionen, bei denen Wasserstoff in Helium verschmolzen wird, in 5 Milliarden Jahren beendet, da dann aller Wasserstoff der Sonne aufgebraucht ist. Da es sich bei 5 Milliarden Jahren um einen menschlich unendlichen Zeitraum handelt, kann die Sonne aber prinzipiell als unerschöpfliche Energiequelle betrachtet werden.

Die Energie der Sonne erreicht uns hier auf der Erde in Form von Strahlung und wird dann in viele andere Energieformen umgewandelt. Dazu zählen: Wind- und Wellenenergie, Photosynthese, Niederschlag, Erwärmung der Atmosphäre und noch viele andere mehr. Die drei vielversprechendsten Anwendungsgebiete sind die direkte Umwandlung des Sonnenlichtes in Strom, das Erhitzen von Wasser mit Sonnenkollektoren und das Erzeugen solaren Wasserstoffs.

Die Idee elektrischen Strom direkt aus Sonnenstrahlung zu gewinnen geht bis in das Jahr 1839 zurück, als der Physiker A. E. Becquerel den photoelektrischen Effekt entdeckte. Der photoelektrische Effekt beruht darauf, dass ein leitendes Material, das mit Licht (bis heute ist nicht klar, ob Licht Teilchen oder Wellen sind!) "beschossen" wird, Elektronen frei gibt. Die für diesen Prozess benötigten Hilfsmittel nennen wir Solarzellen, die zu vielen zusammengeschaltet ein Solar -modul, -panel oder Solargenerator ergeben (solar, lat. = zur Sonne gehörend). Die Solarzellen könnte man auch als Energiewandler bezeichnen, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln. Die Photovoltaik (direkte Umwandlung in Strom) ermöglicht es, Sonnenlicht mittels verschiedener Halbleitermaterialien direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Diese Umwandlung erfolgt durch den photovoltaischen Effekt, der auf der Wechselwirkung zwischen Sonnenlicht und Basismaterial der Solarzelle beruht. Solarzellen werden aus Halbleitermaterialien gefertigt, dabei handelt es sich fast ausschließlich um Silizium, welches in großen Mengen in Quarzsand vorkommt, dessen Bestand also gesichert ist. Eine Zelle besteht nun aus dünnen Schichten Silizium auf der Vorder-, sowie auf der Rückseite. Beide Seiten werden unterschiedlich behandelt, um unterschiedliches Silizium herzustellen. Es ist mit Fremdelementen wie Phosphor und Bor dotiert (verunreinigt) worden. Auf der Oberseite befindet sich das sogenannte N-Typ-Silizium mit überschüssigen Elektronen. Es sind also mehr negative Teilchen vorhanden als notwendig. Bei der Unterseite handelt es sich um sogenanntes P-Typ-Silizium, mit jeweils einem fehlendem Elektron, es gibt also Löcher. Nun haben wir auf beiden Seiten Silizium mit unterschiedlichen Ladungen, die in sich noch so stabil sind, dass sie sich nicht selber ausgleichen. Nun liegt es nahe, dass durch eine bestimmte Energie das zusätzliche Elektron in der oberen Schicht das Loch in der unteren ausfüllt. Diese Anstoßenergie ist jetzt das Licht selbst, denn Licht ist ja nichts anderes als Energie. Das Licht sorgt dafür, dass das freie Elektron (Defelektron) beweglich wird, so dass es das Loch auf der anderen Seite von alleine besetzt. Durch bewegte Elektronen entsteht wieder ein Loch, welches erneut aufgefüllt wird. Solange Licht auf die Zelle trifft, gibt es also Elektronenbewegungen, und Strom ist nichts anderes als bewegte Elektronen, die zwischen Atomkernen durchfließen. Es fließt also Strom, der mit zwei geeigneten Kontakten leicht entnommen werden kann. Es handelt sich dabei um Gleichstrom mit einer von der Fläche unabhängiger Nennspannung von etwa 0,5 Volt. Derzeit werden drei Typen von Solarzellen industriell hergestellt: Monokristalline Zellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 14%, polykristalline Zellen mit etwa 10% Wirkungsgrad und amorphe Zellen, die einen Wirkungsgrad von 5% nicht überschreiten. Der theoretische Wirkungsgrad von bis zu 25% kann leider von keiner bisher gefertigten Zelle erreicht werden, Spitzenwerte lagen in Laboratorien bei 19%. Früher wurde zur Fertigung vom Solarzellen mehr Energie verbraucht, als sie später lieferten. In der Tat ist die Herstellung von Solarzellen sehr kompliziert, heute jedoch gibt es rationellere Verfahren und die Lebensdauer der Solarzellen wurde von 5 auf 30 Jahre erhöht.

Das Anwendungsgebiet der Sonnenkollektoren ist noch um einiges weiter verbreitet. Die einfachste Methode zur Gewinnung von Energie aus der Sonne ist das Umwandeln dieser Strahlung in Wärme, die sogenannte solarthermische Energieumwandlung. Zu dieser Umwandlung werden Sonnenkollektoren benutzt, die Sonnenstrahlen sammeln und ebenso absorbieren. Man unterscheidet grundsätzlich zwei verschiedene Arten von Sonnenkollektoren. Zum einen die konzentrierenden Kollektoren und zum anderen die Flachkollektoren. Die konzentrierenden werden der Sonne nachgeführt und reflektieren die Strahlung auf eine kleine Fläche, wo dann extreme Temperaturen erreicht werden können. Flachkollektoren hingegen sind meist stationär und nutzen das direkt, sowie diffus eingestrahlte Licht, um Wasser oder andere Wärmeträger wie Natrium oder Öl zu erhitzen.

Das Herzstück eines Flachkollektors ist eine schwarz eingefärbte Röhre, die den Wärmeträger in sich führt, er wird Absorber genannt. Die Röhren sind schwarz, da somit ein möglichst hoher Grad an Absorption erreicht wird, und so fast bis zu 95% der Strahlung in Wärme umgesetzt wird. Die damit erzeugte Hitze kann vom Verbraucher direkt genutzt werden oder zwecks Zwischenspeicherung in einen Wärmespeicher transportiert werden. Der schwarze Wärmeabsorber befindet sich in einem mit einer Wärmedämmung versehenen Gehäuse mit transparenter Abdeckung, so dass möglichst wenig Wärme entweichen kann. Diese Flachkollektoren werden abhängig von Breitengrad des Standortes, Größe, Gewicht und architektonischen Begebenheiten entweder horizontal, geneigt oder sogar vertikal installiert. Grundsätzlich sollten Flachkollektoren leicht angewinkelt zum Aquator stehen, wobei der Winkel im Sommer kleiner sein sollte als im Winter. Flachkollektoren erreichen unabhängig von der Fläche Höchsttemperaturen bis 90s Celsius und sind relativ preisgünstig, so dass sie größtenteils von Heimanwendern genutzt werden. Schon 5-6 m² nach Süden ausgerichtete Kollektorfläche decken bis 70% des jährlichen Warmwasserbedarfs. Die Kollektoren speisen pro Jahr 3000 kW Wärmeenergie in das Haus und entlasten die Umwelt so um etwa 2 Tonnen CO₂, die beim Verfeuern fossiler Brennstoffe entstanden wären.

Die konzentrierenden Kollektoren sind um einiges effektiver als Flachkollektoren, sie erzielen durch ihr gebündeltes Licht und mit Hilfe der Sonnennachführung Temperaturen von mehreren 1000s Celsius. Das Prinzip der konzentrierenden Kollektoren ist relativ einfach. Sie basieren zum einen auf dem Reflexionsprinzip sowie auf dem Brechungsprinzip. Das Ergebnis ist letztendlich dasselbe, Licht wird auf einen kleinen Raum gebündelt und es entsteht eine hohe Energiedichte und damit eine extrem hohe Temperatur. Diese Art von Kollektoren sind aufgrund der komplizierten Mechanik der Nachführungsgelenke im Gegensatz zu Flachkollektoren ziemlich teuer. Auch sind solche Anlagen sehr komplex und können nicht ohne weiteres in einem Garten oder auf dem Dach installiert werden, weshalb sie weitgehend der Industrie vorbehalten sind.

Die konzentrierenden Kollektoren, die auf dem Reflexionsprinzip beruhen, arbeiten mit metallisch ausgekleideten Parabolspiegeln oder Flachspiegeln, die die Strahlung auf einen kleinen Punkt reflektieren, um dort eine sehr hohe Prozesswärme zu erzielen.

Die konzentrierenden Kollektoren, die nach dem Brechungsprinzip arbeiten, funktionieren mit Hilfe verschiedener Linsen, die das eingestrahltes Licht konzentriert auf einen Punkt projizieren.

Die Verwendung der Sonnenenergie, und vor allem der Teilbereich der Photovoltaik, wird sicherlich in nicht allzu ferner Zukunft die Technologie sein, die uns vor dem drohenden Ausgang unserer Brennstoffe bewahren wird. Immer mehr öffentliche Einrichtungen werden mit Solarzellen bestückt, es finden Solar-Rally´s statt und die ersten Sonnenautos gehen in Serienfertigung. In einigen Ländern gibt es Subventionen für Heimanwender und seit 1991 sind Stromkonzerne dazu verpflichtet Strom aus erneuerbaren Energien für einen akzeptablen Preis abzunehmen. Das größte deutsche Solarkraftwerk steht auf der Insel Pellworm. Es wurde 1983 in Betrieb genommen und hat eine Spitzenleistung von 300 kW. Momentan sind Physiker von der Universität Berlin

dabei, eine Art bioorganische Solarzelle zu entwickeln, die nach dem Prinzip der Pflanzenwelt arbeitet. Es warten theoretische Wirkungsgrade von 40%. Solarstrom kostet in Deutschland noch etwa zehnmal soviel wie normaler Strom.

Windkraft + Wasserkraft

ie Wasserkraft gehört mit zu den ältesten Energiequellen der Menschheit. Die Energieumwandlung erfolgt mit hohem Wirkungsgrad, ohne Schadstofffreisetzung, und ohne Wärmeabgabe an die Umwelt. Der älteste Weg, die Energie des Wassers zu nutzen, ist das Wasserrad. Wasser versetzt das Rad in Drehung und über eine Achse wird die Drehbewegung zu verschiedenen Zwecken genutzt. Man unterscheidet 3 unterschiedliche Wasserräder: Das unterschlächtige, mittelschlächtige, sowie das oberschlächtige Wasserrad. Im Laufe der Jahre wurden Wasserräder durch Turbinen ersetzt. Das hinter Staumauern gestaute Wasser wird unter hohem Druck durch die Turbinen geleitet, die dann einen Generator antreiben. Das erste Wasserkraftwerk aus dem Jahre 1882 lieferte Strom für 250 kleine Glühbirnen. In China liefern heute schon an die 60000 Miniwasserkraftwerke soviel Strom wie 10 Atomkraftwerke

Auch die Energie der Gezeiten (Tidenhub) kann genutzt werden. Das bei der Flut angeschwemmte Wasser wird durch große Öffnungen hinter einen Staudamm gelassen, wo es dann gestaut wird, solche Anlagen findet man vornehmlich in Buchten und Flussmündungen. Bei Ebbe wird das gestaute Wasser durch Turbinen zurück in das Meer geleitet. Das bis heute größte und modernste Gezeitenkraftwerk liegt seit 1966 in der Bretagne bei St. Malo und wird von der Rance gespeist. Der dort 13 Meter betragende Tidenhub betreibt 24 Turbinen und versorgt damit die 300000 Einwohner von St. Malo. Im Moment sind weitaus größere Projekte geplant. In Westengland soll ein Tidenhub von 11 Metern und über 200 Turbinen 5% aller Engländer mit Strom versorgen.

Genau wie die Gezeiten können auch Wellen in elektrischen Strom umgewandelt werden. Wenn der Wind auf dem offenen Meer über das Wasser bläst, entstehen Wellenberge bis 20 Meter Höhe. Nur Küsten stellen für sie natürliche Hindernisse dar, an denen sie sich brechen. An Küsten werden große hohle Röhren mit einer Öffnung an der Wasseroberfläche und mit innen installierten Turbinen gebaut, in die die Wellen eindringen können, und damit die Turbinen antreiben

Die Nutzung der Wasserkraft ist momentan noch die bedeutendste regenerative Energiequelle. Ungefähr vier Prozent des in Deutschland verbrauchten Stroms wurden 1995 aus der Wasserkraft gewonnen. In manchen Ländern liegt dieser Wert noch weitaus höher. In Österreich etwa liegt der Wert bei 25% und in Norwegen bei fast 80%. Dies liegt natürlich hauptsächlich an den örtlichen Gegebenheiten wie zum Beispiel an großen Flüssen oder Seen. Auch können riesige Stauseen nicht überall gebaut werden, sind sie ja teilweise sogar als ökologisch bedenklich einzuschätzen. Angeblich soll durch angestautes Wasser die Bahn der Erde um die Sonne geringfügig verändert werden. Ebenso müssen durch große Stauseen, wie den Hoover-Damm, viele Bauern umgesiedelt werden. Die Wasserkraft deckt momentan weltweit etwa 6% des Weltenergiebedarfs.

Als Wind bezeichnet man Luftbewegungen, die durch großräumige Luftdruckunterschiede entstehen. Die Kraft des Windes wird vermutlich schon ebenso lange genutzt wie die der Sonne, letztendlich entsteht ja erst durch die solare Strahlung der Wind, den wir dann technisch nutzen können, um damit Strom zu erzeugen. Die älteste bekannte Windmühle steht in Moos in Agypten, ihr Alter wird auf über 3000 Jahre geschätzt. Angetrieben durch den Wind drehten sich die zu meist 3 Windmühlenflügel und trieben im Mühleninneren einen Mühlstein oder eine kleine Pumpe an. Die klassische Windmühle findet man heute fast ausschließlich in Museen, sie kommt nur noch selten als Stromlieferant in Frage. Die Windmühlen werden in unserem Zeitalter durch unansehnliche Stahlstützen mit einem bis drei Rotorblättern ersetzt, die mit Hilfe von Unter- und Überdruck Strom erzeugen. Die Rotoren drehen sich mit einer komplizierten Elektronik oder durch eine einfache Windfahne in Windrichtung. Die ideale Konstruktion ist ein 50 Meter hoher Turm mit drei mindestens 25 Meter langen Flügelblättern. Die Drehbewegung der Rotorblätter wird auf eine riesige Kardanwelle übertragen, die einen Generator antreibt, der dann Strom erzeugt.

Das Problem ist nur, dass der Wind nicht immer am richtigen Ort in der richtigen Stärke vorhanden ist. Der Erfahrung nach bläst er relativ regelmäßig in Küstennähe und auf Bergen und genau dort ist es schwer, die Industrie anzusiedeln um Energie zu gewinnen. Das Relief von Deutschland hat nun weder ausgedehnte Küstengebiete, noch sehr viele Berge, was dazu führte, dass die Subventionen des Staates immer mehr an der Windenergie vorbeiliefen, viel mehr wurden Bereiche wie Kern- und Wasserkraft bezuschusst. Der wichtigste Faktor beim Bau einer Windkraftanlage ist sicherlich der Standort in einer windigen Region, doch der Wind alleine reicht nicht, er muss auch das ganze Jahr über gleichmäßig verteilt mit relativ konstanten Windgeschwindigkeiten wehen. Wind lässt sich nicht speichern, also muss er direkt dort, wo er aufkommt, in transportfähigen elektrischen Strom umgewandelt werden. In der ganzen Welt entstehen seit kurzem ganze "Windfarmen", auf denen mit unzähligen verschiedenen Typen von Windgeneratoren der Wind "geerntet", und in Strom umgewandelt wird. Weiterhin gibt es noch Windkraftanlagen mit vertikal installierten Rotoren, die sogenannten Darrieus-Motoren, deren Vorteil in der Unabhängigkeit von der Windrichtung und in geringeren Wartungskosten liegt. Eine der windigsten Regionen der Welt ist der Tehachapi-Pass in Kalifornien. Dort stehen über 5000 Windkraftanlagen und liefern Strom für mehr als eine halbe Million Bürger in Kalifornien. An diesem Beispiel erkennt man, wie unwirtschaftlich die Windenergie ist, 1 Windgenerator liefert gerade mal den Strom für 100 Personen.

Die Windkraft hat in den letzten Jahren dennoch eine Entwicklung genommen, wie sie fast nur aus der Halbleiterindustrie bekannt war. Innerhalb dieser 5 Jahre hat sich die Leistung einer Windkraftanlage in Deutschland von früheren 100 kW auf jetzt 1,5 MW verfünfzehnfacht und die Zahl der Anlagen in Deutschland hat sich mehr als verfünffacht. Die durch Windkraft erzeugte Energie auf der gesamten Erde beträgt etwa 1600 MW. Das ist etwas mehr Energie als ein großes Kernkraftwerk heutzutage erzeugt.

Ein weiterer Teilbereich der Windkraft sind Aufwindkraftwerke. Unter einem nach außen offenen Glasdach erwärmt die Sonne die darunter liegenden Luftschichten. In der Mitte des Glasdaches befindet sich eine Art Kamin, in der mehrere Turbinen angebracht sind. Durch eine Sogwirkung wird nun von unten immer mehr Luft nachgesogen und durch den Kamin wieder abgegeben, die Turbinen erzeugen mit Hilfe von Generatoren Strom. Zwei ungarische Schüler haben jetzt ein neues Superwindrad entwickelt, welches mit 45s angewinkelten Rotorblättern eine 300% größere Energieausbeute verspricht.

Dennoch wird die Windkraft in Zukunft aufgrund des geringen Aufkommens zuverlässiger Windregionen bei der Deckung des Weltenergiebedarfs nur eine untergeordnete Rolle spielen. Der Preis für "Windstrom" liegt derzeit bei dem zwei- bis dreifachem des normalen Stroms. Ebenso schreckt der hohe Investitionspreis immer noch viele Stromerzeuger ab, die sich dann lieber auf altbewährte Energien verlassen.

Dem "Wasserstrom" jedoch wird eine blühende Zukunft vorhergesagt, obwohl er flächendeckend nur in Länder mit vielen Wasservorräten eingesetzt werden kann. Deutschland zum Beispiel kommt sicherlich nicht über eine Primärenergienutzung von 10% aus Wasserkraft hinaus. Kanada jedoch, das Land mit dem größten Wasseraufkommen (hier lagert ¼ aller Süßwasservorräte der Erde) könnte, rein rechnerisch, seinen kompletten Strombedarf durch Wasserkraftwerke decken.

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Andere alternative Energien

s gibt noch weitaus mehr Energieformen, die uns helfen unseren täglichen Stromhunger zu befriedigen. Man kann sie sowohl zu erneuerbaren, als auch zu ausgehenden Brennstoffen zählen.

Man kann auch Biogas zur Energiegewinnung nutzen, zum Beispiel den Mist einer Kuh. Man lässt organisches Abfallmaterial in Faultürmen von Millionen von Kleinstlebewesen und Bakterien zersetzen. Unter Licht- und Sauerstoffabschluss fault der Biomüll, der auch aus Bananenschalen oder sonstigem bestehen kann, vor sich hin, und nach einiger Zeit bildet sich ein erdgasähnliches Gas, das Biogas. Eventuell muss der Faulturm auch beheizt werden, damit der Gärprozess schneller abläuft. Biogas kann genau so gut verfeuert werden wie Erdgas und hat einen höheren Heizwert als Braunkohle und einen nur geringfügig kleineren Heizwert als Erdgas. Biogas besteht zu 75% aus Methan (CH₄), 30% Kohlendioxid (CO₂), sowie 5%, die sich aus Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂), Stickstoff (N) und Schwefelwasserstoff (H₂S) zusammensetzen. Kleinere dieser Anlagen gibt es weltweit, in China sind über 7000000 (!) im Einsatz. Bei größeren Anlagen gibt es Komplikationen, da der Faulprozess so nur sehr schlecht abläuft.

Ein weiterer Bereich der Energiegewinnung ist die Biomasse, schnell wachsende Rohstoffe, die dann ohne Umweltbelastung schonend verbrannt werden können. Nutzbar sind unter anderem: Stroh, Schilf, Getreide, Holz und noch einiges mehr.

Auch Müllverbrennung eignet sich zur Stromerzeugung. Müll muss sowieso beseitigt beziehungsweise thermisch behandelt werden. Während dieses Prozesses könnte die Wärme leicht zur Energiegewinnung genutzt werden.

Jegliche Erdwärmeerscheinungen sind ebenfalls gut nutzbar. Es wird zum Beispiel kaltes Wasser 3000 Meter tief in die Erde gepumpt, und herauf kommt aufgrund der Erdwärme heißes Wasser. Auch Geysiere werden dazu verwendet, Strom zu erzeugen. In Island werden 60% aller Heizungen durch in Geysieren erwärmten Wasser angetrieben.

Wie bereits angesprochen kann man auch mit Hilfe der Sonnenenergie solaren Wasserstoff erzeugen. Durch die ebenfalls bereits erwähnten Solarzellen wird elektrischer Strom erzeugt. Bei der Wasserelektrolyse wird der Strom dann dazu verwendet, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der dabei entstandene Wasserstoff kann entweder verfeuert oder zum Betrieb von umweltfreundlichen Wasserstoffautos oder ähnlichem genutzt werden.

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Fazit

rotz aller oben angesprochenen Vor- und Nachteile fragt sich jetzt sicher ein jeder, für welche dieser Energieformen er sich entscheiden soll. Auf jeden Fall sollte man sich nach und nach von den fossilen Brennstoffen abwenden, da diese sowieso bald zu Neige gehen und sie für wichtigere Produktgruppen wie Medikamente oder Kunststoffe vorbehalten sein sollten. Aber auch andere Energiegewinnungsformen werfen bange Fragen auf, zum Beispiel wird die Wasserkraft bald eine aufstrebende Technologie sein, wenn man bedenkt, dass rund ¾ unseres Planeten mit Wasser bedeckt sind. Allerdings stellen die bereits erwähnten Staumauern extreme Einschnitte in die Natur dar, sie können gar ganze Biotope vernichten. In Agypten haben Nilstaumauern für das Ausbleiben der alljährlichen Hochwasser gesorgt, so verloren viele tausend Bauern ihre Arbeitsplätze, da nun kein fruchtbarer Boden mehr zur Verfügung steht.

Auch trotz aller Argumente, die gegen die Kernenergie sprechen, sollte man sie nicht von vorne herein ablehnen. Man muss bei solchen Entscheidungen mit der Zeit denken, auf der Erde leben momentan rund 5,5 Milliarden Menschen in Kürze werden es 7, und bald an die 10 Milliarden sein. Die Kernenergie wäre bei solchen Menschenmassen die einzige, die schnell und günstig ausreichend Energie erzeugen könnte. Angesichts dieser Tatsachen sollte man vielleicht intensiv weiter forschen und durch gezielte Entwicklungen dafür sorgen, dass Reaktorunfälle wie in Tschernobyl weitgehend ausgeschlossen werden können. Durch gezielte Subventionen der einzelnen Staaten könnten die Atommeiler sicherer gemacht werden und das Unfallrisiko auf 0 minimiert werden.

Letztendlich muss die Energiepolitik der einzelnen Staaten individuell auf die dortigen Verhältnisse zugeschnitten werden und die Vorteile jeder alternativen Energien gegen die Nachteile abgewogen werden.

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Verwendete Literatur

Alles über Solarzellen               Stratis Karamanolis ---

Das ABC der Sonnenenergie               Stratis Karamanolis ---

Mittendrin - Energie                 Thomas Fuchs ---

Solare Stromversorgung            Heinz Ladener ---

Was ist Was - Atomenergie      Dr. Erich Übelacker Hamburg 1981

Was ist Was - Elektrizität         Hans Reichard, Jerome J. Hamburg 1988

Notkin, Sidney Gulkin

Was ist Was - Unsere Erde       Felix Sutton Hamburg 1981

Physik - Mittelstufe                  Dorn, Bader Hannover 1980

Frag mich was - Technik                       Hans J. Zeidler ---

Bilderlexikon Technik                          Annabel Craig, Cliff Rosney ---

Geheimnisse der Natur                         Robin Rees München 1992

Bertelsmann Universallexikon  Gütersloh 1990

P.M. 7/95, 8/95, 6/96, 7/96, 8/96, 3/97           München ´95-´97

Danksagungen

dem Differenzierungsunterricht Naturwissenschaften

Jan Schneider

dem Internet

Greenpeace

der Bücherei

Andreas Racke

der Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft e.V.

dem Bundeswirtschaftsministerium für Wirtschaft

dem Taschenrechner

aktuelle Version: © Jens Krapohl ,

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