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Titel / Referat: Alternative Energien in Hinblick auf baldigen Ausgang fossiler Brennstoffe
Schlagwörter: Kernenergie; Sonnenenergie; Windkraft; Wasserkraft; Biomasse; Wasserstoff; Energie; Ölkrise; Strom Hausaufgabe, Referat
Themengleiche Dokumente anzeigenReferat
zum Thema:
Alternative Energien
in Hinblick auf baldigen
Ausgang
fossiler Brennstoffe
angefertigt von
für den Deutschunterricht im Mai 1997
-1-
Inhaltsverzeichnis
Titel..........................................................................................1
Inhaltsverzeichnis....................................................................2
Vorwort....................................................................................3
Kohle, öl und Gas - Wie lange
noch?....................................4
Kernenergie - Eine
Alternative?.............................................5
Sonnenenergie - Unsere
Zukunft?..........................................7
Windkraft +
Wasserkraft....................................................10
Andere alternative Energien - Biomasse,
Wasserstoff... ....13
Fazit.......................................................................................14
Verwendete
Literatur.............................................................15
Danksagungen........................................................................15
-2-
Vorwort
G
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 (SOX). 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.
-3-
Kohle, öl und
Gas
U
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.
-4-
Kernenergie
E
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
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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
-6-
Sonnenenergie
D
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
-7-
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 Wär-
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meträger 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 äquator stehen, wobei der Winkel im
Sommer kleiner sein sollte als im Winter. Flachkollektoren erreichen
unabhängig von der Fläche Höchsttemperaturen bis 90º 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 1000º 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.
-9-
Windkraft +
Wasserkraft
D
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
-10-
bekannte Windmühle steht in Moos in ägypten, 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 45º angewinkelten Rotorblättern eine 300%
größere Energieausbeute verspricht.
Dennoch wird die Windkraft in Zukunft aufgrund des
geringen Aufkommens zuver-
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lässiger 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
E
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
T
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 ägypten 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
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1.
Auflage:
|
20.05.1997,
18:06
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2.
Auflage:
|
aktuell
|
aktuelle Version:
©
18.09.98,
18:52
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referat fossile brennstoffe, referat alternative energie, fossile brennstoffe-referat, energiewandler energieformen, alternative energien referat