Lernsequenzen Unterrichtsmaterialien zum Thema Energie | Sekundarstufe 1 Heft 8 INKLUSIVE CD mit Zusatzmaterialien Zukunft der Stromversorgung\nDidaktische Überlegungen Unterrichtsmaterialien zum Thema Energie für die Sekundarstufe 1 Der steigende Weltenergiebedarf, das Anwachsen der Weltbevölkerung als wichtigster auslösender Faktor dafür, die Endlichkeit der nicht regenerativen, besonders der fossilen, Energieressourcen und die sich immer deutlicher als Begrenzungsfaktor erweisende Umweltbelastung durch den Einsatz von Energie sind heute wichtige Themen gesell schaftspolitischer Diskussionen. Gerade weil Energie „Leben“ bedeutet und die Basis unseres Lebensstandards, aber auch so gut wie aller wirt- schaftlichen Vorgänge bildet, steht die Menschheit auf dem Energiesektor vor Problemen bisher nicht gekannten Ausmaßes. Dem wachsenden Energiebedarf von immer mehr Menschen steht die Notwendigkeit gegenüber, zur Vermeidung möglicher Klimaveränderungen die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas (die zur Zeit den Welt- energiebedarf überwiegend decken und diese Rolle unweigerlich auch in den nächsten beiden Jahrzehnten spielen werden) kontinuierlich einzudämmen, die regenerativen Energien zunehmend zu nutzen und auf eine möglichst rationelle Energieverwendung hinzuwirken. Angesichts der Bedeutung dieser Aufgaben – nicht nur für die heutige Generation – kommt insbesondere der Schule die Aufgabe zu, mehr „Licht“ in den „Dschungel“ rund um das Thema Energie zu bringen und den jungen Menschen die Zusammenhänge deutlich zu machen. Für eines der wichtigsten übergeordneten Lernziele halten wir es dabei, beim Schüler die Einsicht in die Notwendigkeit des Energiesparens und der rationellen Energieverwendung zu wecken und ihn zu entsprechendem Handeln zu veranlassen. Um den vermeintlichen Widerspruch eines Schülerzitats: „Wie kann es eine Energiekrise geben, wenn die Energie doch erhalten bleibt?“ aufzulösen, genügt eine rein physikalische Antwort nicht. Nur eine fächer übergreifende Betrachtungsweise kann dem Gesamtkomplex „Energie“ gerecht werden. Für die Schule heißt das unter anderem: Hier liegt ein ideales Feld für Projekttage und Projektwochen, in denen die verschiedenen Fachrichtungen einen Beitrag zum Thema leisten können. Die vorliegende Reihe stellt deshalb das Thema Energie in acht Heften, die jeweils wichtigen Teilthemen gewid- met sind, fächerübergreifend dar. Sie wendet sich sowohl an Lehrer naturwissenschaftlicher Fächer wie Physik, Biologie und Chemie als auch an Lehrer der Fächer Gemeinschaftskunde/Geographie, Arbeitslehre und Technik der Klassen 5 – 10. Auch wenn dem Thema Energie in der Schule ein bedeutender Stellenwert zukommt, dem die Lehrpläne auf unter- schiedliche Weise Rechnung tragen, sind sich die Autoren dieser Reihe bewusst, dass eine Behandlung des gesamten Stoffes aus zeitlichen Gründen im Schulunterricht nicht möglich ist. Die einzelnen Hefte wollen deshalb keinen voll- ständigen Lehrstoff vermitteln, sondern es vielmehr dem Lehrer überlassen, die bestmögliche Auswahl an aktuellen Sachinformationen, Unterrichtsmitteln und methodischen Anregungen für seinen Unterricht zu treffen. Bei einer Schwerpunktsetzung sollte jedoch immer Wert auf die Einordnung in den Gesamtzusammenhang gelegt werden. Nur so kann den Schülern die zentrale Bedeutung der Energie für unser gesamtes Lebensumfeld näher gebracht werden. Die Autoren\nVorwort Sehr geehrte Lehrkräfte, die Erziehung und die Ausbildung junger Men- schen sind zwei wesent- liche Herausforderungen einer jeden Gesellschaft. Ein Großteil der in die- sem Bereich erforderli- chen Arbeit wird in der Schule geleistet. Um Lehrerinnen und Lehrer bei dieser wichtigen Auf- gabe zu unterstützen, hat der Bundesverband der Energie- und Wasserwirt- schaft die Reihe „Lernsequenzen“ erarbeitet. Mit diesen Materialien für die Sekundarstufe 1 möchte der BDEW einen Beitrag zu Ihrer Unterrichtsvorbereitung leisten. Ziel unseres Angebots ist es, Verständnis für den Wert unserer Ressourcen zu schaffen und so den bewussten Umgang mit Strom, Erdgas und Trinkwasser im Alltag zu üben. Im vorliegenden Heft der Lernsequenzen wollen wir die Perspektiven aufzeigen, die der Forschung im Bereich Stromerzeugung, Netztechnik und Energie effizienz innewohnen. Welche Perspektiven sind für einen intelli- genten Energiemix der nächsten Jahrzehnte kurz-, mit- tel- aber auch langfristig denkbar? Welche technischen Lösungen zeichnen sich bereits ab und sind finanzierbar? In welche Richtung entwickelt sich die Energieversor- gung global? Und welche Lösungen sind für Deutsch- land die richtigen? Wir hoffen, Ihnen und Ihren Schülern mit diesem und den folgenden Heften einen differenzierten Einblick in das komplexe Thema Energie geben zu können und Ihre Unterrichtsvorbereitung auf eine fundierte Basis zu stellen. Hildegard Müller Vorsitzende der BDEW Hauptgeschäftsführung Ein Überblick über die laufende Energieforschung wäre nicht möglich gewesen ohne den fachkundigen Rat der Wissenschaft. In diesem Zusammenhang haben drei Experten aus der aktuellen Forschung die Arbeiten an der vorliegenden Publikation sehr engagiert unterstützt: Dr.-Ing. Ludger Mohrbach Leiter FE-Koordination VGB PowerTech e. V. Klinkestraße 27 – 31 45136 Essen Univ.- Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Ordinarius Technische Universität München Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik 80290 München Prof. Dr. Wolfgang Pfaffenberger Jacobs University Bremen Adjunct Professor of Economics (European Utility Management) School of Humanities and Social Sciences European Utility Management Campus Ring 1 28759 Bremen Die Autoren danken außerdem Dr. Claudia Schneider, Alexander Wilmes und Markus Promberger für die kritische Prüfung des Manuskripts.\nInhalt Einleitung .................................................................................................................................. Seite 4 1 Weiterentwicklung der Erzeugungs- und Leitungstechnik ............................. Seite 9 1.1 Effizienzverbesserung in der Kraftwerkstechnik .................................................................. Seite 9 1.1.1 Kohlekraftwerke ...................................................................................................... Seite 9 1.1.2 Gaskraftwerke ......................................................................................................... Seite 9 1.1.3 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ................................................................................ Seite 10 1.2 Effizienzverbesserung im Netzbereich ................................................................................ Seite 10 1.2.1 Supraleiter ............................................................................................................... Seite 11 2 Energieeffizienz und -einsparung .............................................................................. Seite 12 2.1 Energieeffizienz von Gebäuden .......................................................................................... Seite 12 2.1.1 Elektrische Wärmepumpe ........................................................................................ Seite 13 2.2 Energiesparen in Haushalt und Industrie ............................................................................. Seite 13 3 Steigerung der Umweltverträglichkeit ..................................................................... Seite 14 3.1 Vermeidung von CO2-Emissionen ....................................................................................... Seite 14 3.1.1 CO2-Abtrennung ...................................................................................................... Seite 14 3.1.1.1 CO2-Abtrennung vor der Verbrennung ......................................................... Seite 14 3.1.1.2 Verbrennung mit reinem Sauerstoff ............................................................. Seite 15 3.1.1.3 CO2-Abtrennung nach der Verbrennung durch Rauchgaswäsche .................. Seite 15 3.1.1.4 Biologische Verfahren zur Rauchgasreinigung .............................................. Seite 15 3.1.2 Speicherung ............................................................................................................. Seite 16 3.2 Aspekte der Umweltverträglichkeit der Kernenergie ........................................................... Seite 18 3.2.1 Kernenergieausstieg ................................................................................................. Seite 18 3.2.2 Nukleare Entsorgung................................................................................................ Seite 18 3.2.2.1 Immobilisierung ........................................................................................... Seite 19 3.2.2.2 Reduzierung der Radiotoxizität ..................................................................... Seite 19 3.2.3 Sicherheitsforschung ................................................................................................ Seite 19\n4 Überwindung der Ressourcenknappheit ............................................................... Seite 20 4.1 Windenergie ...................................................................................................................... Seite 20 4.2 Wasserkraft ....................................................................................................................... Seite 21 4.3 Meeresenergie ................................................................................................................... Seite 22 4.3.1 Gezeitenkraftwerke .................................................................................................. Seite 22 4.3.2 Wellenkraftwerke..................................................................................................... Seite 23 4.4 Biomasse ........................................................................................................................... Seite 23 4.5 Solarenergie ...................................................................................................................... Seite 24 4.5.1 Solarthermie ............................................................................................................ Seite 24 4.5.2 Aufwindkraftwerke .................................................................................................. Seite 26 4.5.3 Fotovoltaik ............................................................................................................... Seite 27 4.6 Geothermie ....................................................................................................................... Seite 27 4.7 Fusionsforschung ............................................................................................................... Seite 28 4.8 Brennstoffzelle ................................................................................................................... Seite 29 5 Speicherung zum Ausgleich von Energieangebot und Verbrauch ................ Seite 31 5.1 Pumpspeicherkraftwerke ................................................................................................... Seite 31 5.2 Druckluftspeicherkraftwerke .............................................................................................. Seite 31 5.3 Elektrochemische Speicherung ........................................................................................... Seite 31 5.4 Batteriespeicher ................................................................................................................. Seite 32 5.5 Elektromobilität ................................................................................................................. Seite 32 6 Neue Formen der Vernetzung des Gesamtsystems ............................................ Seite 33 6.1 Intelligente Netze ............................................................................................................... Seite 33 6.2 Elektronische Zähler ........................................................................................................... Seite 34 6.3 Hochspannungsgleichstromübertragungsnetze (HGÜ) ........................................................ Seite 35 Ausblick ..................................................................................................................................... Seite 36\nEinleitung 4 4 Ein Jahrhundert Versorgung mit Energie – ist schon alles erfunden? Bereits 1629 entwickelte Giovanni Branca das Funktions- prinzip der Dampfturbine. 1866 entdeckte Werner von Siemens das Dynamo-Prinzip und baute die Maschine, die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwan- delt, den Generator. Damit waren die Grundlagen der elektromagnetischen Stromerzeugung gelegt, und sie trat mit Dampfmaschine, Turbine und Generator ihren Siegeszug an. Ist im Bereich der Strom- bzw. Energiever- sorgung nicht schon alles erfunden? Wie definiert sich die Energieforschung? Energieforschung greift neue Möglichkeiten aus ande- ren Disziplinen auf, um sie im Hinblick auf effizienten Energieeinsatz oder Kostenreduktion zu prüfen. So kommen teilweise sehr alte Ideen, wie die der elekt- rochemischen Stromerzeugung in Brennstoffzellen, 150 Jahre nach ihrer Entdeckung in den Bereich technisch realistischer Umsetzung. Energieforschung soll bessere Technologie wirtschaftlich umsetzbar machen. Umge- kehrt gilt es immer wieder, Fragestellungen aus dem Energiebereich an die Grundlagenforschung zu geben, um Probleme gezielt lösen zu können. Liegen also die Perspektiven in einem bestimmten Forschungsfeld? In den Anfängen der Energieversorgung hat die Entde- ckung eines Prinzips die Entwicklung eines ganzen Systems begründet. Beim heutigen Stand der Technik muss sich dagegen jede neue Erfindung in den komplexen Gesamt- zusammenhang einfügen und dort bewähren. Die For- scher sind sich einig, dass für den zukünftigen intelligenten Energie mix alle Felder gleichzeitig und gleichwertig bear- beitet werden müssen. Die Forschung muss sich vernetzen. Es gilt, für das Gesamtforschungsge- biet Energie einen systematischen Überblick und eine entsprechende Gewichtung zu erarbeiten. 8_0_2 Der steigende weltweite Energiebedarf, die Endlich- keit der Rohstoffe sowie der Umwelt- und Klimaschutz stellen die derzeitige Energieversorgung in Frage. Das künftige System muss mit diesen Herausforderungen umgehen können. Heute gibt es bereits Ansätze und Möglichkeiten, die aber noch weiterentwickelt werden müssen. Daher ist die Forschung im Bereich Energie gerade jetzt besonders wichtig. Was muss die Grundlagenforschung leisten? Wenn wir uns fragen, wo neue Lösungen herkommen können, so lautet die Antwort nicht immer – aus der Energieforschung. Denn die Quelle neuer Möglichkeiten liegt in vielen Fällen erst einmal außerhalb der eigentlichen Energieforschung, etwa bei der Entwicklung neuer Mate- rialien, neuer Informations-, Kommunikations- und Rege- lungstechniken oder auch biologischer Verfah- ren. Gesellschaftliche Werte wie die Akzeptanz, welche die Bevölkerung einer Technik entgegen bringt, haben ebenfalls Einfluss auf die Forschung. 8_0_1 m u e s u M s e h c s t u e D : e l l e u Q m u e s u M s e h c s t u e D : e l l e u Q Erster Drehstromgenerator der Welt von Friedrich August Haselwander, 1887 Dampfmaschine Newcomenscher Bauart von Handley Wood, 1776 (Stahlstich)\ns n o i t a N d e t i n U : e l l e u Q D C E O : e l l e u Q 5 Weltbevölkerungsentwicklung nach Regionen (in Mio.) 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1000 0 1950 1970 1990 2010 2030 2050 Asien Afrika Europa Lateinamerika Nordamerika Ozeanien gepunktete Linien: Variante mit konstanter Zeugungsrate Der Weltenergiebedarf wächst Die Weltbevölkerung nimmt pro Jahr um 78 Mio. Men- schen zu. Von 1960 bis heute, innerhalb von rund fünf Jahrzehnten, hat sich die Zahl der Menschen damit verdoppelt. Etwa 2 Mrd. Menschen, also ein Viertel der Weltbevölkerung, haben gegenwärtig noch keinen Zugang zu Elektrizität und möchten diesen möglichst schnell bekommen. 8_0_3 Industrialisierung und rasantes Wirt- schaftswachstum in Asien sorgen dafür, dass der weltweite Energiebedarf deutlich 8_0_4 steigt. Auf den globalen Rohstoffmärk- ten macht sich dies durch Preisanstieg und Engpässe bei den Transportkapa- zitäten bemerkbar. Die Hersteller von Kraftwerken oder Pipelines liefern ihre Anlagen in die ganze Welt. Bei gleichzeitig hoher Nachfrage aus ver- schiedenen Ländern kann es hier zu Engpässen und Preissteigerung kommen. Der Anteil Europas am welt- weiten Energiebedarf wird stetig geringer. Angebot, Nachfrage und Preise der Energiemärkte werden außer- halb Europas bestimmt. Betrachtet man den Pro-Kopf-Verbrauch an Primär- energie, so stellt man fest, dass ein Einwohner in den Schwellenländern im Durchschnitt das 50-fache seiner eigenen Körperkraft von 60 Watt verbraucht, ein Euro- päer das ca. 100-fache und ein US-Amerikaner das 200-fache. Die Anwendungsbereiche des Stroms nehmen stetig zu. Fast alle Wachstumsbereiche sind stromintensiv, von der Telekommunikation über IT-Anwendungen bis zur Automatisierung. Außerdem: Vor dem Hintergrund des Anstiegs der Erdöl- und Erdgaspreise sind zukünftig bei der Elektrizität neue Einsatzgebiete im Verkehrs- und Wärmesektor zu erwarten. Die Fahrzeugindustrie arbeitet an der Entwicklung neuartiger Elektromobile. Elektrisch betriebene Wärmepumpen zur Erdwärmenutzung sind ebenso auf dem Vormarsch. All dies führt zum vermehrten Einsatz der besonders flexibel und effizient einsetzbaren elekt- rischen Energie. Fazit: Weil Strom andere 8_0_5 Weltenergiebedarf nach Energieträgern (in Mio. t SKE) Weltenergiebedarf nach Regionen (in Mio. t SKE) D C E O : e l l e u Q 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1000 0 1980 2000 2006 2015 2030 Erdöl Kohle Erdgas Biomasse/-abfall Kernenergie Wasserkraft andere erneuerbare Energiequellen 18 000 15 000 12 000 9 000 6 000 3 000 0 16 784 13 921 9 887 7 115 1980 2000 2015 2030 OECD-Staaten: Nicht-OECD-Staaten: Nordamerika Osteuropa Mittlerer Osten Westeuropa Ozeanien Asien Afrika Lateinamerika\nEnergieverbrauch nach Vebrauchs- gruppen in Deutschland (in Mio. t SKE) 323 315 317 318 304 312 293 n e z n a l i i b e g r e n E t f a h c s n e m e g s t i e b r i A : e l l e u Q Einleitung Altersstruktur des deutschen Kraftwerksparks 25 20 15 10 5 0 350 300 250 200 150 100 50 0 6 9 0 0 2 d n a t S , W E D B : e l l e u Q 1 – 5 6 – 10 11 – 15 16 – 20 21 – 25 26 – 30 31 – 35 36 – 40 Kernenergie Braunkohle Steinkohle Erdgas 41 – 45 > 45 Jahre Wasserkraft Sonstige 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Haushalte Verkehr Industrie Gewerbe, Handel, Dienstleistungen Energieträger ersetzt, ist auch in den Dienstleis- tungsgesellschaften weiterhin mehr Elektrizität erforderlich, auch wenn sich Energiebedarf insge- samt vom Wirtschaftswachstum entkoppelt hat. gieanlagen wären hierfür theoretisch und rein rechnerisch nötig: 167 Kernkraftwerksblöcke mit je 1 600 MW oder 8_0_7 8_0_6 Zusammengefasst: Die Weltbevölkerungsentwicklung, der Energiebedarf in Asien und perspektivisch auch in Afrika lassen den Stromverbrauch deutlich steigen. Weltweit wird bis 2030 fast eine Verdoppelung des Stromverbrauchs von heute rund 19 000 Mrd. Kilowatt- stunden (kWh) auf insgesamt rund 38 000 Mrd. kWh erwartet. In der Europäischen Union (EU) wird mit rund 3 300 Mrd. kWh derzeit ein Sechstel des weltweit erzeugten Stroms benötigt. Bis zum Jahr 2030 wird der EU-Strombedarf um 1 000 Mrd. kWh auf rund 4 300 Mrd. kWh stei- gen. Als Folge der Altersstruktur des Kraftwerksparks in Europa und für den Fall, dass es bei dem politisch beschlossenen Ausstieg aus der Kernenergie in Deutsch- land bleibt, müssen in Europa neue Erzeugungskapazitä- ten gebaut werden, die etwa 2 000 Mrd. kWh pro Jahr liefern. Bezogen auf die installierte Stromerzeugungska- pazität von ca. 752 000 Megawatt (MW) bedeutet dies einen Ersatzbedarf von etwa 300 000 MW bis 2020. Versuchen wir uns der Frage, wie dieser zusätzliche Bedarf abgedeckt werden kann, durch eine Modell- rechnung zu nähern. Unter Berücksichtigung einer technisch realisierbaren mittleren Ausnutzungsdauer von 7 500 Volllaststunden pro Jahr für thermische Kraftwerke und 3 000 Stunden pro Jahr für Windener- 242 Braunkohleblöcke mit je 1 100 MW oder 333 Steinkohleblöcke mit je 800 MW oder 333 GuD-Gaskraftwerke mit je 800 MW oder 133 333 Windenergieanlagen mit je 5 MW. Eine solche Modellrechnung ist natürlich fragwürdig und kann in keiner Art und Weise die Option für rea- listische Planungen sein. Sie veranschaulicht aber sehr drastisch die Dimensionen der anstehenden Investiti- onen und sie macht die Bedeutung des intelligenten Energiemix überdeutlich. Darüber hinaus gibt es noch einen weiteren zentralen Aspekt. Im vergangenen Jahrhundert stieg die globale Temperatur um 0,7 °C, die schnee- und eisbedeckten Flächen gehen zurück. Die Beteiligung der Menschheit an diesen globalen Vorgängen ist deutlich erkennbar. So führt die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas zu einem deutlichen Anstieg der Kon- zentration von klimaschädlichem Kohlendioxid in der Atmosphäre. Nach den Erkenntnissen, die die Wissen- schaft bisher erlangt hat, muss der Klimaschutz heute als die größte Menschheitsaufgabe des 21. Jahrhunderts gesehen werden – von UN-Generalsekretär Ban Ki Moon wird sie als die „wichtigste Aufgabe unserer Generation“ bezeichnet. Bei allen Verbrennungsprozessen wird das klimaschädliche CO2 freigesetzt, das mit über 80 % der wichtigste Faktor für die Erderwärmung ist.\n7 Die Stromerzeugung im Energiemix Die heutige Stromversorgung in Deutschland funktio- niert sehr zuverlässig, beruht aber schwerpunktmäßig auf Kernenergie und Primärenergien wie Kohle und Gas. Bei Kohle und Gas lässt sich absehen, dass sie in Zukunft nicht mehr in solchem Umfang oder so preisgünstig zur Verfügung stehen werden und klimaschädliches CO2 im Verbrennungsprozess der Kohle freigesetzt wird. Daher arbeitet die Forschung unter anderem an Verfahren, die verhindern, dass das CO2 in die Atmosphäre gelangt. Ein Viertel der derzeitigen Stromversorgung in Deutsch- land wird durch Kernenergie bereitgestellt. Diese Kraftwerke sollen spätestens im Jahr 2023 aufgrund gesetzlicher Vorgaben und fehlender gesellschaftlicher Akzeptanz abgeschaltet werden. Fragen der Abfallbe- handlung und Endlager müssen aber in jedem Fall von der Forschung begleitet werden. Die Stärke der deutschen Energieversorgung, ihr hoher Grad an Versorgungssicherheit, liegt heute wie in der Zukunft im Energiemix – was heißt das für die Entwicklungsper- spektiven? Bei der Vielfalt aller Techniken 8_0_8 und Energieträger ist eines klar: Es gibt nicht die perfekte Technik oder die ideale Energiequelle. Jedes System hat seine spezifischen Vor- und Nachteile und kann nur sinn- voll in einem ausgewogenen Mix eingesetzt werden. Daher ist wichtig, die Forschungsaktivitäten möglichst breit auszulegen und dadurch bei allen Energieträgern und Verfahren Fortschritte zu erzielen. Welcher Ener- giemix als optimal gilt, ändert sich in Abhängigkeit von Kosten, politischen Rahmenbedingungen, Kundenwün- schen und der Akzeptanz der Bevölkerung. Die im Folgenden vorgestellten Entwicklungen im Bereich der Forschung an Verfahren zu Stromerzeugung und effiziente Stromnutzung sind mögliche Bausteine des neuen Gesamtsystems. In ihrer Vielfalt tragen sie einem gesamtwirtschaftlichen Ausgleich der individu- ellen Vor- und Nachteile Rechnung. Einige der vorge- stellten Techniken sind nur als Großkraftwerke renta- bel, andere sind auch in Kleinstanlagen bei privaten Verbrauchern einsetzbar. Wenn der Energiekonsum nachhaltig und klimaschonend sein soll, ohne dass die Menschen ihre Lebensweise auf- geben müssen, lauten die Alternativen, auf fünf einfache Punkte gebracht: Der Treibhauseffekt und seine Folgen\nEinleitung 8 Zentrale und dezentrale Energieversorgung – eine sinnvolle Einteilung? Rein mengenmäßig gesehen dürfte es möglich sein, ein Energieversorgungssystem sowohl mit ausschließlich zentralen als auch mit ausschließlich dezentralen Elementen auf dem Papier zu entwer- fen. Wie weit sich diese Überlegungen dann in der Praxis umsetzen lassen, bei Berücksichtigung der vielen wirtschaftlichen, technischen und politischen Bedingungen, bleibt aber offen. Die Idee einer künftig rein dezentralen Erzeugung, bei der jeder Haushalt seinen Strombedarf selbst erzeugt, ist aus Sicht von Energieexperten in Frage zu stellen. Kleine Einheiten sind grundsätzlich weniger effizient als große Anlagen. Grundsätz- lich ist die Frage zu stellen, ob die Diskussion nicht künstlich durch die Definition der Begriffe „zent- ral“ und „dezentral“ bestimmt wird. Stromerzeu- gung mit Hilfe einer Vielzahl von Brennstoffzellen ist ohne Frage dezentral. Da die Brennstoffzellen aber mit Erdgas oder vielleicht zukünftig mit Was- serstoff versorgt werden müssen, der wiederum durch große Pipelinesysteme transportiert wird, ist zumindest die Versorgungsseite eine zentrale Ener- gietechnik. Ganz ohne große Anlagen, in der einen oder ande- ren Form, wird deshalb auch in der Zukunft eine tragfähige Energieversorgung nicht zu organisieren sein. Außerdem kommt großen Anlagen in einem gemischten System eine unverzichtbare zusätzliche Funktion des Ausgleichs und der Systemsicherung zu: Der zunehmende Einsatz der erneuerbaren Energien verändert das Zusammenspiel des Kraft- werksparks. Durch das Vorrangprinzip der Erneu- erbaren erfüllen Großkraftwerke zunehmend eine zusätzliche Reserve und Sicherheitsfunktion für Ver- brauchsspitzen oder Mindererzeugung bei ungüns- tiger Wetterlage. So schalten sich Windanlagen bei zu starkem Wind automatisch ab. Dann muss sofort ein Kraftwerk einspringen, um die Systemstabilität zu gewährleisten. Es bleibt also wichtig, die Effizi- enzsteigerung bei großen Anlagen voranzutreiben. 1. Die Art, wie heute Energie aus den fossilen Roh- stoffen Kohle, Öl und Erdgas erzeugt und trans- portiert wird, muss so effizient wie möglich erfolgen. 2. Die CO2-Emissionen müssen vermieden werden. Dies kann durch die Entwicklung einer neuen CCS- Technologie (Carbon Capture and Storage) bei der Kohlverstromung geschehen. Auch Kern- kraftwerke und erneuerbare Energieträger pro- duzieren Strom ohne CO2 zu emittieren. 8_0_9 Kraftwerk energieeffiziente Bürogebäude Speicher Kleinst- turbinen Fotovoltaikanlagen KWK Brennstoff- zellen virtuelles Kraftwerk Industrie Windpark Beim Netzbetrieb wird zwischen zentralen und dezentralen Erzeugerstrukturen unterschieden. Fasst man dezentrale Erzeuger zu kleinen Einzelnetzen oder virtuellen Kraftwerken zusammen, kann man sowohl den technischen Netz- zugang als auch die Marktfähigkeit unterstützen. 3. Die Industrie in erster Linie, aber auch die privaten Haushalte müssen so effizient und sparsam wie mög- lich mit Energie umgehen. Die Verbraucher müssen dafür die Möglichkeiten an die Hand bekommen – von der Energiesparlampe bis zur Wärmepumpe und Wärmedämmung. 4. Die erneuerbaren Energien, die Wasser, Wind, Sonne oder Biomasse zur Stromerzeugung nutzen, müssen in größerem Umfang als heute eingesetzte werden und in einem klugen Mix zur Verfügung stehen. 5. Es müssen, ausgehend von dem bestehenden Strom- versorgungsnetz, neue intelligente Netze aufgebaut werden, die den vielfältigen neuen Anforderungen der Erzeuger und Verbraucher Rechnung tragen. Vorteil in Europa: Ein einheitlicher europäischer Markt kann die verschiedenen Techniken der regenerativen Energiequellen mit Rücksicht auf die geografischen Besonderheiten effizient einsetzen. So ist der Süden Europas ein günstiger Standort für die Solarthermie und Fotovoltaik. An der Nordsee und im Atlantik können Windanlagen die reichlichen Winde nutzen. Wasserkraftanlagen sind traditionell in den Gebirgen Skandinaviens und der Alpen angesiedelt. Wellen- und Gezeitenkraftwerke in günstigen Küstenlagen kommen hinzu. In einem liberalisierten Markt sorgen die Preise dafür, dass die Investitionen nur an sinnvollen Stand- orten getätigt werden.\nErzeugungs- und Leitungstechnik 1 Weiterentwicklung der Erzeugungs- und Leitungstechnik Beginnen wir mit der Entwicklung des bestehenden Sys- tems. Das zentrale Forschungsthema ist hier die Verbesse- rung der Energieeffizienz, um die beschriebenen Entwick- lungen des steigenden Energiebedarfs aufzufangen. Das betrifft sowohl die Erzeugung, also auch das Stromnetz und den Stromverbrauch. Im Einzelnen geht es darum, die Energieeffizienz bei der Umwandlung von Primär- energieträgern zu verbessern, d. h. Kraftwerkstechnik weiter zu entwickeln, die Verluste beim Stromtransport zu verringern, z. B. durch Supraleiter und die Energieeffizienz und -einsparung bei der Anwen- dung zu verbessern. Hier muss man unterscheiden zwischen der Fülle möglicher Geräte und Prozessin- novationen für Industrie und Haushalte und der Ener- gieeffizienz von Gebäuden. Der rationelle Umgang mit Energie in diesen Bereichen ist, neben der CO2-Abspaltung und -Lagerung ein zent- rales Forschungsfeld. 1.1 Effizienzver besserung in der Kraftwerkstechnik Die konventionellen Energieträger werden auf viele Jahr- zehnte nach wie vor das Rückgrat der Elektrizitätsversor- gung bilden. Erst zur Mitte dieses Jahrhunderts werden die erneuerbaren Energien an die Bedeutung der kon- ventionellen Energieträger heranreichen. Deshalb müssen die konventionellen Energieträger zukünftig so effizient und umweltverträglich wie möglich einge- 8_1.1_1 s n e m e S : e i l l e u Q 9 setzt werden. Entscheidender Punkt: Es muss dabei aus Gründen des Klimaschutzes eine Abscheidung von CO2 vorgenommen werden. Stromerzeugung funktioniert klassischerweise durch die Erzeugung von Dampf, der über eine Turbine einen Generator antreibt. Dieses Verfahren wird sowohl in Kohle-, Gas-, Kernenergie-, Solarthermie- und Biomas- sekraftwerken eingesetzt. Hier wird insbesondere an Wirkungsgradverbesserungen gearbeitet. Durch techni- sche Materialverbesserungen ist es zum Beispiel mög- lich, mit höheren Dampftemperaturen zu arbeiten und so den Wirkungsgrad des Kraftwerks zu erhöhen. Bei der Effizienzsteigerung der Kraftwerke stellen sich anspruchsvolle Aufgaben für Forschung und Entwick- lung. Hier geht es – entsprechend der Thermodyna- mik – in erster Linie um höhere Dampftemperaturen und -drücke, um die Wirkungsgrade zu steigern. Eine Kardinalfrage ist die Entwicklung und Erprobung von Hochtemperaturmaterialien sowie eine saubere Ver- brennungsführung bei wechselnden Brennstoffqualitä- ten. Durch die Steigerung der Effizienz von Kraftwer- ken, nicht nur von einzelnen Komponenten sondern im Zusammenspiel aller Komponenten, kann ein wesent- licher Beitrag zur Schonung der Brennstoffressourcen und der Emissionsreduktion geleistet werden. 1.1.1 Kohlekraftwerke Anfang der 1960er-Jahre lag der Wirkungsgrad von Koh- lekraftwerken bei 30 %. Seitdem ist die Effizienz mit Hilfe modernster Technik auf deutlich mehr als 40 % erhöht worden. Möglich erscheint eine weitere zweiprozentige Steigerung der Wirkungsgrade auf 45 % bei Braunkohle- kraftwerken durch Vortrocknung des Brenn- stoffs sowie Verbesserung bei Kohledampf- kraftwerken durch eine Dampftemperatur über 700 °C und entsprechenden Druck von 365 bar. Für Steinkohlekraftwerke wird lang- fristig ein Ziel von 800 °C angestrebt. Diese Forschungsstrategie braucht neue Referenz- kraftwerke, um die Funktionsfähigkeit in der Praxis zu zeigen. Die besondere Schaufelform der Gasturbine, der Einsatz innovativer Werkstoffe und ein Kühlsystem, das höhere Verbrennungstemperaturen ermöglicht, sind notwendig, um mit einem möglichst geringen Primärenergieeinsatz möglichst viel Strom zu erzeugen. 1.1.2 Gaskraftwerke Heute können moderne kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke bei Feuerung mit Erdgas Gesamtwirkungsgrade von 58 % und mehr erreichen. Dabei stoßen die ver-\n10 Erzeugungs- und Leitungstechnik wendeten Werkstoffe bei Eintritts- temperaturen von etwa 1230 °C in Gasturbinen und maximal 600 °C in Dampfturbinen an ihre Grenzen. Um die errechneten möglichen Wirkungsgradsteigerungen zu rea- lisieren, müssen folgende Bereiche entwickelt werden: Die thermischen Belastungs- grenzen der eingesetzten Werk- stoffe müssen erhöht werden. Komplexere Kühlverfahren für Dampfturbinen müssen entwi- ckelt werden. Neue Konstruktionen müssen bei den Gasturbinen eine noch bes- sere Strömungsführung ermög- lichen. Energieeinsparung durch Kraft-Wärme-Kopplung Getrennte Erzeugung: Energieeinsatz 185 Heizkessel 71 85 Verluste Kraft-Wärme-Kopplung: Energieeinsatz 114 Wärme 60 Strom 40 14 Verluste KWK 114 Kraftwerk 114 Um 60 Einheiten Wärme und 40 Einheiten Strom zu erzeugen benötigt man in der KWK 114 Einheiten Primärenergie und bei getrennten Verfahren 185 Einheiten Primärenergie. Im Sonderforschungsbereich „Thermisch hochbelas- tete, offenporige und gekühlte Mehrschichtsysteme für Kombikraftwerke“ an der RWTH Aachen werden dafür im Bereich der Strömungsmechanik, der Werkstoffwis- senschaft und Fertigungstechnik die wissenschaftlichen Grundlagen geschaffen. Allein die Namensgebung zeigt, wie detailliert an den Wirkungsgradsteigerungen gearbeitet wird. In einem Testlauf im oberbayerische Irsching wird der- zeit eine Turbine geprüft, die 1500 °C aushält und einen Wirkungsgrad von 60 % erreichen kann. Ab dem Jahr 2025 sollen in Gas- und Dampfkraftwerken die Gesamt- wirkungsgrade auf 65 % erhöht werden. Durch die Entwicklung von neuen Werkstofflösungen für Brenn- kammern und Turbinenschaufeln, Wärmedämmschich- ten auf Keramikbasis, in Kombination von verbesserten Kühl- und Entwässerungstechnologien sollen diese Wir- kungsgrade Realität werden. In dem Referenzkraftwerk Tapa-do-Outeiro in Portugal wurde ein Modell für die Prozessanalyse erstellt, mit dem einzelne Komponenten der Wirkungsgradsteige- rung bewertet werden können. 1.1.3 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Die Abkürzung K-W-K steht für Kraft-Wärme-Kopplung. Kraft-Wärme-Maschinen (z. B. Turbinen oder Motoren) erzeugen aus einem flüssigen oder gasförmigen Brenn- stoff mechanische Energie und wandeln diese mit einem Generator in Strom um. Die dabei entstehende Abwärme, die in herkömmlichen Kraftwerken ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird, kann zur Behei- zung, als Prozesswärme oder zur Kälteerzeugung genutzt werden. 8_1.1_2 Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung zeichnen sich im Vergleich zur getrennten Strom- und Wärmeerzeugung durch einen deutlich höheren Nutzungsgrad aus. Wer- den Strom und Wärme gleichermaßen benötigt, ist KWK derzeit die ökologisch sinnvollste Form der Erzeugung. Die Kraftwerke können mit fossilen Brennstoffen oder mit Biomasse betrieben werden. 8_1.1_3 Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung wird übrigens auch in Brennstoffzellen genutzt. Die bei der Elektrolyse entste- hende Wärme wird über einen Kühl- kreislauf (Wärmetauscher) zur Heizung, Warmwasser- bereitung oder (bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen) zur Dampferzeugung genutzt. 1.2 Effizienzverbesserung im Netzbereich Die europäischen Stromnetze verbinden seit vielen Jahrzehnten Stromerzeugung und Verbrauch mitein- ander. Heute ist ganz Europa ein Stromverbund. Ange- legt wurde die Netzinfrastruktur aber landesspezifisch, die Verbindungen über die Grenzen dienten in erster Linie der Sicherheit bei Ausfällen oder dem Ausgleich jahreszeitlich bedingter Produktionsschwankungen. Im europäischen Binnenmarkt kam dann ein Austausch\nzu Handelszwecken hinzu. Dem heutigen Handel sind die Grenzverbindungen nicht immer gewachsen und es kann zu Engpässen an den Kuppelstellen kommen. lsoliertechnik erforderlich. Diese ist bereits gut entwi- ckelt und wird in der Forschung angewendet. Bekannt sind diese Supraleiter aus ihrer Verwendung in Kernspin- tomografen in der Medizin. Beim Aufbau der Stromerzeugung in Deutschland wurde die Netzstruktur so angelegt, dass die Stromerzeugung durch (große) Kraftwerke nahe der Verbrauchszentren erfolgte. Mit der Entwicklung von einer produktions- zu einer dienstleistungsgeprägten Wirtschaftsstruktur bestehen aber viele Verbrauchsschwerpunkte heute nicht mehr oder haben sich in andere Regionen verlagert. Die Erzeugung findet über das ganze Land verteilt statt. Die Netze mit Lebenszeiten von rund 40 Jahren sind dieser Struktur optimal angeglichen. Derzeit sind jedoch viele Investitionsvorhaben in Planung und die Trassen werden an die veränderten Erzeugungs- und Ver- brauchsstrukturen angepasst. Bei Genehmigungszeiten von bis zu zwölf Jahren brauchen solche Investitionen einen langen Vorlauf. 1.2.1 Supraleiter Eine Basistechnologie, die große Bedeutung für den rati- onellen Umgang mit Elektrizität hat, ist der Supraleiter. Sie erlaubt es, Strom fast verlustfrei zu transportieren und zu speichern. Bisher ist das noch nicht möglich. Wird elektrischer Strom in Leitungen aus Kupfer oder anderen leitfähigen Materialien transportiert, wie es vom Kraft- werk zum Verbraucher üblich ist, so wird ein Teil der elek- trischen Energie wegen des elektrischen Widerstands der Materialien in Wärme umgewandelt und geht der Nut- zung verloren. Diese Nebenwirkung ist bei elektrischen Heizungen erwünscht, während sie beim Stromtransport einen Nachteil mit erheblichen Kosten darstellt. Das Beispiel der Supraleiter ist typisch für die Situation der Energieforschung zwischen Grundlagenforschung und Anwendbarkeit: Schon 1911 ent- deckte man, dass ganz bestimmte Mate- rialien ihren elektrischen Widerstand verlieren, wenn man sie nur tief genug abkühlt. Diese Entdeckungen führten zu der Erwartung, diese sogenannten Supraleiter bald auch großtechnisch ein- setzen zu können. Erste technische rele- vante Supraleiter, wie z. B. Legierungen aus Niob und Titan, gibt es seit der Mitte der 1960-er Jahre. Für ihre Abkühlung auf eine Betriebstemperatur von minus 269 °C ist eine sehr komplexe Kühl- und 11 Die so genannten Tieftemperatur-Supraleiter werden außerdem in der Forschung für die supraleitenden Mag- neten der Kernfusions-Reaktoren eingesetzt. Genera- toren und Transformatoren wurden wegen des gerin- geren Gewichtes und einer halb so großen Baugröße sowie einem besseren Wirkungsgrad ebenfalls mit Tief- temperatur-Supraleitern entwickelt. Allerdings konnten sich aus Gründen höherer Kosten und der komplexen Helium-Kühltechnik nicht durchsetzen. Die Entdeckun- gen seit dem Jahre 1986, dass es keramik artige Mate- rialien, wie z. B. Wismut-Strontium- Kalcium-Kupferoxid gibt, die bereits bei Temperaturen etwas oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs, d. h. bei nur noch minus 196 °C supraleitend betrieben werden kön- nen, haben den Arbeiten weltweit einen neuen Schub gegeben. Der flüssige Stickstoff ist etwa 10- bis 20mal billiger als flüssiges Helium. Er erfordert daher weniger Aufwand bei den Isoliergefäßen und ist weltweit verfügbar. Diese so genannten „Hochtemperatur“-Supraleiter werden derzeit vor allem für Anwendungen in Hochleistungsmo- toren und -generatoren, für Leistungskabel und für Kurz- schluss-Strombegrenzer entwickelt. Für die Kabel spricht die höhere Leistungsdichte, so dass mehr Leistung über vorhandene Trassen geleitet werden kann. Der Strom- begrenzer ermöglicht mehr Flexibilität beim Zusammen- schalten von Teilnetzen, ohne dass vorhandene Anlagen ersetzt werden müssten. Für einen großtechnischen Einsatz dieser Hochtemperatur-Supra- leiter sind deutliche Verbesserungen der Eigenschaften und vor allem eine Verrin- gerung der Kosten notwendig. 8_1.2_1 y n a m r e G , I G K A P A K O / e c n a i l l a - e r u t c i p : e l l e u Q Standardkabel (links) und Supraleiter (rechts) im Vergleich.\nEnergieeffizienz 2 Energieeffizienz und -einsparung Der sparsame und effiziente Umgang mit Ener- gie ist Gegenstand einer breiten öffentlichen Diskussion. „Energie sparen“ beinhaltet sowohl persönliche Verhaltensweisen als auch die Aus- schöpfung der technischen Möglichkeiten, die zur Senkung des Energiebedarfs beitragen. 12 Energieverbrauch im Haushalt Unnötiger Verbrauch ergibt sich immer dann, wenn die Nutzenergie „ins Leere läuft“. Das bedeutet, dass durch den Energieeinsatz keine zusätzliche Produktivität, Dienstleistung oder verbesserte Lebens- und Arbeitsbedingungen geschaffen werden. Verbrauchsanteile und Einsparpotenziale der verschiedenen Anwen- dungsbereiche werden oft nicht richtig eingeschätzt. Die mögliche Einsparung bei Licht und mechanischer Energie wird häufig überbe- wertet, demgegenüber wird Wärme insbeson- 8_2.0_1 8 3 9 Energiesparhaus 7 6 4 5 2 3 1 6. Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung 7. Dämmung des Hauses 8. Solarthermische Anlage 9. Fotovoltaikmodule 1. Erdwärmetauscher 2. Wärmepumpe 3. Solarspeicher 4. Fußbodenheizung 5. Wärmeschutzfenster 53% 31% 10% 3% 2% 1% dere im Niedrigtemperaturbereich in Bezug auf ihren Energieverbrauch stark unterschätzt. 8_2.0_2 Fast die Hälfte des Stroms verbrauchen heute Kühl- und Gefriergeräte, Herde, Geschirrspüler und Waschmaschi- nen. Seit 1990 hat sich deren Stromverbrauch aber um 30 bis 75 % reduziert. Es ließe sich durch den Austausch alter Hausgeräte bundesweit etwa so viel Strom einspa- ren, wie heute fünf Mio. Menschen verbrauchen. 2.1 Energieeffizienz von Gebäuden Die technischen Voraussetzung für Energieeinspa- rungen sind oft kostengünstiger zu erreichen als eine Erhöhung der Energieerzeugung. Daher können sie in vielen Anwendungsbereichen eine günstige „Energie- quelle“ sein. Wegen der großen Effizienzpotenziale spielt vor allem der Energiebedarf in Gebäuden eine wichtige Rolle. Rund 40 % des gesamten Energieverbrauchs in der EU und in den USA sowie 21 % der Kohlendioxidemissionen gehen auf das Konto von Gebäuden. Beleuchtung und Hausgeräte sind dabei nur zwei der Hebel zum Energie- sparen – denn vier Fünftel der Energie werden in den Haushalten heute für Raumwärme benötigt. Hier liegt also das bei Weitem größte Einsparpotenzial. Bei Wärmeisolation, Heizung und Klimatisierung sind Forschung und Entwicklung weit fortgeschritten. Viele Demonstrationsbauten zeigen, wie weit der Energie- verbrauch auch unter Nutzung der Sonnenenergie ein-\nElektrische Wärmepumpe Drossel- ventil Nutzwärme Nutzkälte Kompressionspumpe Egal ob Kältemaschine oder Wärmepumpe, das Prinzip ist das gleiche: Ein Arbeitsstoff wird durch einen Kreislauf mit einer Kompressionspumpe und einem Drosselventil geführt. Die zirkulierende Flüssigkeit kondensiert unter Druck auf dem Weg von der Pumpe zum Ventil und gibt Wärme ab. Auf dem Weg vom Ventil zurück zur Pumpe verdampft die Flüssigkeit und entzieht der Umgebung Wärme. 13 hoben. Derzeit wird im Vergleich von Nutzwärme zur Antriebsarbeit die drei- bis vierfache Energiemenge aus der Umgebung erschlossen. Diese Werte versuchen Forscher weiter zu erhöhen. 2.2 Energiesparen in Haushalt und Industrie Im Falle energiesparender Produkte und Prozesse, angefangen von ener- giesparenden Leuchten und Kühl- schränken bis zu neuartigen Trenn- verfahren, führt die Elektroindustrie entsprechende Forschungs- und Ent- wicklungsarbeiten durch. 8_2.1_1 geschränkt werden kann. Für Neubau- ten stehen also Lösungen bereit, die im Laufe der nächsten Jahrzehnte zu deut- lichen Einsparungen führen werden. Gleichwohl kommen aus der Grundlagenforschung, zum Beispiel der Nanotechnik, immer wieder neue Ideen auf, Fenster und Gebäudehülle noch effizienter zu gestalten. Der entscheidende Anteil des Energieverbrauchs fin- det aber in alten Gebäuden statt, und angesichts der geringen Abrissrate werden Altbauten auch noch für Jahrzehnte den Energieverbrauch bestimmen. Die ent- scheidende Frage wird es also sein, ob und inwieweit die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung auch auf den Altbestand Anwendung finden werden. 2.1.1 Elektrische Wärmepumpe Schon im Jahr 1852 beschrieb der englische Physiker Lord Kelvin ein „mechanisches System zur Heizung oder Kühlung von Gebäuden“. Zunächst setzte die Entwicklung von Kältemaschinen ein, die eine rasche Verbreitung fanden. Erst in den 1920-er erinnerte man sich an die Möglichkeit solche Maschinen auch für Heizzwecke einzusetzen. Der Begriff Wärmepumpe wurde geprägt. Bei Wärmepumpen wird die Wärme aus der Umgebung mit relativ wenig „hoch- wertiger“ Antriebsenergie (Strom) auf ein nutzbares Temperaturniveau ange- 8_2.1_2 In der Studie des Bundeswirtschafts- ministeriums „Energietechnologien 2050“ schlagen die Experten aus Wissenschaft und Industrie folgendes Ranking für die Forschungsanstren- gungen im Bereich Energieeffizienz in der Industrie vor: 1. Steigerung der Ressourceneffizienz durch die Berück- sichtigung der Recyclingfähigkeit von neuen Materia- lien, Materialkombinationen und Konstruktionen. 2. Optimierung energieintensiver Prozesse bei der Stahl-, Aluminium- und Zementherstellung. Neue Katalyse- konzepte sind hier ebenso wichtig wie neue Memb- ranverfahren und die Nutzung biogener Rohstoffe. 3. Verzahnung von Querschnittstechnologien bei der Ent- wicklung von Hochtemperatursupraleitern, Nanobe- schichteten Oberflächen und neuen mathematischen Modellen zur Steuerung von Produktionsprozesse. 4. Optimierung der Abwärmenutzung durch die grund- sätzliche Ermittlung aller nutzbaren Abwärmeströme, durch neue thermoelektrische Materialien, neue Kon- zepte für ORC-Anlagen bei der Biomasseverstromung und neue Kältemittel für Wärmepumpen. Auch hier gilt es, sich die Komplexität der Aufgaben- stellungen klar zu machen, die in der Einleitung für die Energieforschung postuliert wurde: In den Anfängen jeder Industrie hat die Entdeckung eines Prinzips die Ent- wicklung eines ganzen Systems begründet. Beim heu- tigen Stand der Technik muss sich dagegen jede neue Erfindung in den komplexen Gesamtzusammenhang ein- fügen und dort bewähren.\n14 Umweltverträglichkeit 3 Steigerung der Umweltverträglichkeit Nachdem in den 1980er und 1990er Jahren die Kohle- kraftwerke mit Entstickungs- und Entschwefelungsanla- gen ausgerüstet wurden, sind die Umweltauswirkungen der Stromerzeugung deutlich geringer geworden. Die Forschung konzentriert sich daher schwerpunktmäßig auf die Vermeidung von CO2-Emissionen bei Verbren- nungsprozessen und die Entsorgung von Abfallproduk- ten aus der Kernenergie. 3.1 Vermeidung von CO2-Emissionen Kohle ist der wichtigste Primärenergieträger im deut- schen Energiemix und von den fossilen Energieträgern auch der am längsten verfügbare. Allerdings kann sie nur dann klimaneutral eingesetzt werden, wenn es gelingt, das Verbrennungsprodukt CO2 aus dem Umwandlungs- prozess zu entfernen und sicher zu lagern. nik ebenfalls Energie und verringert die Effizienz des Kraftwerks. Nach bisherigen Erkenntnissen belaufen sich die Wirkungsgradverluste durch die Anwendung der verschiedenen Abscheidungsverfahren auf acht bis 12 Prozentpunkte. Insofern ist die CO2-Abscheidung nur bei Kraftwerken mit hohen Wirkungsgraden sinn- voll. Aus heutiger Sicht kommen folgende Technologien in Frage: 3.1.1.1 CO2-Abtrennung vor der Verbrennung Die Kohle lässt sich auch schon vor der Verfeuerung im Kraftwerk von CO2 befreien. Dabei wird die Kohle durch Zufuhr von Sauerstoff und Wasserdampf bei Tempe- raturen von 1 000 °C unter vollem Prozessdruck in ein Synthesegas umgewandelt, das hauptsächlich aus Koh- lenmonoxid und Wasserstoff besteht. Aus dem Kohlen- monoxid entsteht in einem weiteren Schritt Kohlendioxid und Wasserstoff (Shiftreaktion). Durch die Gastrennung tritt ein Wirkungsgradverlust von 5 bis 6 Prozentpunkten auf. Der Prozess erfor- dert aufwändige Investitionen, bietet aber Vorteile, indem er die Produktion 8_3.1_1 3.1.1 CO2-Abtrennung CO2-Emissionen können durch tech- nologische Weiterentwicklung schritt- weise reduziert werden. Alleine die bei der Steinkohleverstromung anfallende CO2-Menge könnte weltweit um rund 35 % gesenkt werden, wenn Kraft- werke mit niedrigem Wirkungsgrad (mittlerer weltweiter Wirkungsgrad heute 30 %) durch Kraftwerke mit einem Wirkungsgrad von 45 bis 46 % (heutiger Stand der Technik) ersetzt würden. Die schrittweise Reduzierung der CO2-Emissionen durch technologi- sche Weiterentwicklung ist daher eine wichtige Option. Sie führt zu einem zweifachen Gewinn: Ressourcenschonung, da bei glei- cher Erzeugung weniger Brennstoff benötigt wird. Deutliche Reduzierung der anfallen- den CO2-Menge. Langfristig kann durch die Abschei- dung und unterirdische Speicherung die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen nahezu CO2-frei erfolgen. Allerdings benötigt die Abscheidung nach dem heutigen Stand der Tech- CO2-Emissionen in Deutschland r e h c a s r u r e V r e g a r f h c a N Energiewirtschaft 45 % Industrie 13 % Gewerbe, Handel, Dienstleistungen 7 % Haushalte 15 % Verkehr 20 % Verkehr 22 % Industrie 34 % Haushalte 27 % Gewerbe, Handel, Dienstleistungen 17 %\nl l a f n e t t a V : e l l e u Q 15 CO2-Abtrennung während der Verbrennung durch Rauch gaswäsche Elektrizität Dampfturbine Kühl- wasser Kondensator Stickstoff Brenn- stoff Kessel Elektrische Arbeit Entschwefelung Entstaubung CO2 CO2 Verdichter Kühler + Konden- sator Wasser Gips Flugasche Rauchgasrückführung (hauptsächlich CO2 und Wasserdampf) von Wasserstoff eröffnet und den hocheffizienten kombinierten Gas- und Dampf turbinenprozess für die Kohlenutzung erschließt. In Demonstrati- onskraftwerken kommt er bereits zur Anwendung. Auch hier sind alternative Druckwechselprozesse und selektive Membrane zur CO2-Abtrennung wichtige Forschungsthemen. Luft Sauerstoff Luftzerlegung Elektrische Arbeit 3.1.1.2 Verbrennung mit reinem Sauerstoff Um reinen Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen, wird eine Temperatur von minus 200 °C benötigt. Der Vorteil der Verbren- nung von Kohle, Gas oder Biomasse in reinem Sauer- stoff liegt darin, dass das Abgas zum größten Teil aus CO2 und Wasserdampf besteht. Kühlt das Gemisch ab, kondensiert der Dampf zu Wasser. Das übrigbleibende CO2 ist nahezu rein. Auf diese Weise erübrigen sich weitere Schritte zur Abscheidung. Der errechnete Wir- kungsgradverlust ist gering, da die Anlage im Hinblick auf die CO2-Separierung ausgelegt wird. Ein solches Verfahren findet bereits in Glas- und Stahlschmelzöfen Anwendung. Für die Stromerzeugung wird der Prozess derzeit in einer Pilotanlage in der Lausitz getestet. Die Entwicklungsarbeit beschäftigt sich mit vielen Fragen in Bezug auf die Werkstoffe, die Verbrennungsführung und die Turbinen. 3.1.1.3 CO2-Abtrennung nach der Verbrennung durch Rauchgaswäsche Dabei wird das CO2 aus dem Abgas herkömmlicher Kraftwerke chemisch mit einer wässrigen Lösung von z. B. Monoethanolamin (MEA) unter Atmosphärendruck herausgewaschen. Amine gehen mit dem Kohlendioxid eine chemische Bindung ein, die anschließend durch Erhitzen wieder getrennt werden kann. Das ausgewa- schene CO2 ist danach so gut wie rein, kann verdichtet und zum Speicher abtransportiert werden. Nachteilig sind bei diesem Prozess der hohe Wirkungsgradverlust von 9 bis 12 Prozentpunkten und die großen Mengen des zu behandelnden N2-reichen Abgases. Pluspunkt dieser Methode ist, in den Kraftwerksprozess nicht ein- greifen zu müssen. Hier gilt es, diesen Prozess effizienter Kesselasche und wirtschaftlicher zu machen. Dabei ist auch zu überlegen, ob es Alternativen zur MEA-Wäsche, etwa durch selektive Membranen, geben kann. 8_3.1_2 3.1.1.4 Biologische Verfahren zur Rauchgasreinigung Eine Option der klimawirksamen Wiederverwertung von CO2 ist die CO2-Fixierung durch marine Mikroalgen sowie die Verwertung der später geernteten Algenbiomasse als Energieträger. Neben technischen Fragestellungen, die mit der Entwicklung dieser Technologie einhergehen, steht bei aktuellen Projekten der Nachweis im Vorder- grund, ob die Gesamtenergiebilanz von Algenproduktion und Konversion positiv ist und tatsächlich eine Netto- CO2-Minderung erzielt wird. Der untersuchte bio-chemische Prozess basiert auf der Fotosynthese, bei dem Pflanzen CO2 aufnehmen und Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Im Ver- gleich zu Landpflanzen haben Mikroalgen, nur wenige Millimeterbruchteile groß, jedoch eine sieben- bis zehn- fach höhere Wachstumsrate. Die Folge: schnelleres Wachstum bedeutet stärkere Fotosyntheseleistung und somit höheren Kohlendioxidverbrauch. Eine Pilotanlage zur CO2-Fixierung durch Meeres algen wurde in unmittelbarer Nachbarschaft des Kohle- kraftwerks in Niederaußem bei Köln errichtet. Das Rauchgas wird dem Kraftwerk hinter der Rauchgas- entschwefelungsstufe entnommen und entspricht so\nUmweltverträglichkeit 16 dem Zustand, in dem es normalerweise in die Umwelt gelangt. Durch eine Zuleitung gelangt das Abgas in einen sogenannten „Blasenreaktor“ mit Algensuspen- sion. Dort vermischt es sich mit der Suspension aus Salzwasser und Mikroalgen, wobei diese bis zur Sät- tigung CO2 aus dem Rauchgas aufnimmt. Diese CO2- angereicherte Suspension wird in ein Gewächshaus mit transparenten, in V-Form an Trägern befestigten Kunststoffschläuchen, den Fotobioreaktoren, ge leitet. In den transparenten Fotobioreaktoren kommen die Algen in Kontakt mit Licht und wachsen. Das für die Fotosynthese benötigte CO2 wird der Suspension von den Mikroalgen entzogen. Ist die Dichte der Algen in den Wachstumsgefäßen ausreichend hoch, wird die Algensuspension statt in den Blasenreaktor in einen Erntebehälter geleitet. Die Algen werden dann vom Salzwasser getrennt. Sie haben eine pasteuse Konsistenz und stehen nun für die Weiterverarbeitung bereit, z. B. zu Treibstoffen oder Baustoffen. 8_3.1_3 3.1.2 Speicherung Als ein Verfahren zur Abscheidung und unterirdischen Speicherung von mehreren Mrd. Tonnen CO2 über Tau- sende von Jahren stellt CCS (Carbon Capture and Sto- rage) eine Brücke zu einem nachhaltigen Energiesystem dar. Wenn das Einsatzpotenzial der CCS-Technologie voll ausgeschöpft würde, wäre im Vergleich zu heute bis 2050 nach Modellrechnungen eine Senkung der CO2-Emissionen innerhalb der Europäischen Union um mehr als 50 % möglich. Dabei sind alle Industrie und Transportsektoren berücksichtigt, wobei die Reduzie- rung allein im Kraftwerkssektor etwa 30 % ausmacht. Nur selten lässt sich das CO2 direkt am Kraftwerkss- tandort speichern, da man nicht davon ausgehen kann das dort geeignete Formationen im Untergrund gege- ben sind. Es muss daher zu einem ausgewiesenen Spei- cherort transportiert werden. Weil CO2 weder explosiv noch giftig ist, eignen sich LKW und Schiffe prinzipiell Die wesentlichen Schritte der CO2-Abtrennung und -Lagerung Anlieferung der Kohle ...vor der Verbrennung CO 2 mit dem Schiff Zwischen- lager ...nach der Verbrennung CO 2 Injektion O 2 C via Pipeline via Pipeline t e g r e B l e h c i M / l a t o T : e l l e u Q Nicht abbaubare Kohlevorkommen C O 2 2 O C C O 2 Erschöpfte Gas- und Öllager Saline Aquifere Carbon Capture and Storage (CCS) ist ein dreiteiliger Prozess. Die Abbildung zeigt die gesamte CCS-Prozesskette: Von der Abscheidung über den Transport bis hin zur Speicherung des CO2.\nals Transportmittel. Angesichts der erheblichen Mengen bieten sich aber vor allem Pipelines an, um das CO2 in flüssigem Zustand zu befördern. Das CO2 ließe sich vom Kraftwerk unter hohem Druck über Pipelines zur Spei- cherstätte bringen. Ein solches Röh- rensystem wäre vergleichbar mit dem schon bestehenden Erdgas-Pipeline- Netz. In den USA gibt es bereits 2 500 Kilometer Pipelines, durch die CO2 zu den Ölfeldern in Texas geleitet wird. a p d / e c n a i l l a - e r u t c i p : e l l e u Q 17 Ein Teil des abgetrennten CO2 kann zur Stimulation der Öl- und Gasförderung eingesetzt werden (Enhanced Oil Reco- very – EOR), indem es in entsprechende fast leere Lagerstätten eingepresst wird und so die Restausbeute (um wenige Prozent) erhöht. Dieses Verfahren wird in der Ölförderung bereits erfolgreich angewendet. Im kanadischen Weyburn wird seit 2000 eine Pilotanlage für das EOR-Verfahren betrieben. Dort werden jährlich rund 1,8 Mio. Tonnen CO2 in die Tiefe gepumpt, um auf diese Weise eine Zusatzausbeute von mehr als 100 Mio. Barrel Öl zu erzielen. Unter der Bezeichnung „Enhanced Gas Recovery“ (EGR) kommt ein vergleichbares Verfahren auch bei der Erdgas- gewinnung zur Anwendung. Die weltweite Speicherka- pazität ausgeförderter Erdöl- und Erdgasfelder wird auf maximal 900 Mrd. Tonnen CO2 geschätzt. Kohleflöze, die CO2-Abscheidung in China Die rasant wachsende Kohleverstromung in China und der Umgang mit dem entstehenden CO2 sind von entscheidender Bedeutung für das Welt- klima. Die Erforschung und Entwicklung von CCS liegt hier daher im besonderen Interesse der Staa- tengemeinschaft. In gemeinsamen Projekten mit Großbritannien und den USA werden potenzielle Speicherstätten für CO2 in China gesucht. Das chi- nesische Projekt GreenGen wurde im Dezember 2005 in Tianjin vom chinesischen Ministerium für Industrie und Handel gemeinsam mit Vertretern der Industrie gestartet. Ziel ist die Erforschung der CO2-Abscheidung und –Speicherung. Dazu gehört auch die Entwicklung neuer verbesserter Werkstoffe. Geplant ist, auf Grundlage der For- schungsergebnisse ein entsprechendes Kraftwerk zu errichten. Abgase eines Kohlekraftwerks in Taiyuan in China im August 2007. Durch den großen Bedarf an Primärenergieträgern in der am schnellsten wachsenden Wirtschaft der Welt hat sich der Kohlepreis seit dem Jahr 2000 verfünffacht. aufgrund ihrer Lagertiefe in absehbarer Zeit nicht profitabel erschlossen werden können, untersuchen Forscher ebenfalls auf die Eignung zur CO2- Speicherung. 8_3.1_4 Eine weitere Lösung ist die Verpressung des CO2 in tief liegende saline Aquifere. Dabei handelt es sich um poröse Gesteinsschichten, die mineralhaltiges Wasser führen. Diese kommen in Tiefen ab 800 Metern im Erdboden vor. Die Speicherung von CO2 in salinen Aquiferen erscheint vielversprechend, da das CO2 mit den umgebenden Stof- fen Bindungen eingeht – das CO2 mineralisiert im Laufe der Zeit. Diesen Aufnahmeprozess kann man mit dem Aufsaugen eines Schwammes vergleichen. Bei allen diesen Lageroptionen muss sichergestellt sein, dass die Lagerstätten nach oben dicht abgeschlossen sind, um unter anderem die Trinkwasserqualität nicht zu gefährden. CO2 ist zwar ungiftig, aber schwerer als Luft und verdrängt beim Entweichen den lebensnotwendigen Sauerstoff. Deshalb dürften sich früher diskutierte Entsor- gungspfade der Einleitung in tiefe Meeresschichten nicht als nicht praktikabel herausstellen. Weitere Möglichkeiten werden diskutiert und in ersten Experimenten erprobt. Fachleute gehen davon aus, dass eine quantitativ essen- zielle CO2-Lagerung ab 2025 zur Verfügung steht. Gleichwohl beginnen bereits heute Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Frage kostengünstiger Abtren- nung des CO2 aus der Kohlenutzung.\nUmweltverträglichkeit 3.2 Aspekte der Umweltverträglichkeit der Kernenergie 3.2.1 Kernenergieausstieg Im Jahr 2007 haben Kernkraftwerke in Deutschland 140,5 Mrd. Kilowattstunden elektrischen Strom erzeugt und damit 22,1 % des Strombedarfs insgesamt und 45 % des Grundlaststrombedarfs gedeckt. Sie ersparen damit eine CO2-Emission in der Größenordnung des Straßen- verkehrs. Forschung zur Sicherheit von Kernreaktoren und zur sicheren Entsorgung von nuklearen Abfällen ist daher wichtig. Das gilt auch für die Zukunft. In Deutsch- land wird im Rahmen einer strategisch angelegten Vor- sorgeforschung trotz Ausstieg aus der Kernenergie noch für Jahrzehnte kerntechnisches Know-how benötigt. Auch wenn in Deutschland der Ausstieg aus der Kern- energie zum jetzigen Zeitpunkt gesetzlich geregelt ist, liegen großen Chancen in einer Weiterentwicklung der Kerntechnik. Da ist zum einen die Entwicklung von Reaktoren der vierten Generation mit verbesserter Wirtschaftlichkeit, Reich- weitenerhöhung, Proliferationssicherheit (Missbrauch von Kernbrennstoffen für 8_3.2_1 18 e h u r s l r a K m u r t n e z s g n u h c s r o F : e l l e u Q In Drucktank-Explosionslaboren lassen sich unterschiedliche Unfall- szenarien nachstellen und untersuchen. e h u r s l r a K m u r t n e z s g n u h c s r o F : e l l e u Q Schmelzofenzelle der Prototypverglasungsanlage Kernwaffen) und erweiterten Anwen- dungen wie Meerwasserentsalzung und Wasserstoffproduktion. Diese Reaktoren zeichnen sich außerdem durch Sicher- heit vor Kernschmelzen aus. Bei Zerstörung des Reaktors durch äußere Einflüsse kann aber dennoch radioaktives Inventar freigesetzt werden. 8_3.2_2 Die Sustainable Nuclear Energy Technology Platform (SNE-TP) der EU hat 2009 empfohlen, die sechs Reaktor- typen des Generation-IV-Programms weiterzuentwickeln. Höchste Priorität hat die am weitesten fortgeschrittene Variante des schnellen natriumgekühlten Reaktors. Mit dieser Technik, die weltweit schon rund ein Dutzend Mal gebaut wurde, könnten die Uranvorräte um den Faktor 60 gestreckt werden. 3.2.2 Nukleare Entsorgung Die Entsorgung abgebrannter Brennelemente stellt noch viele Forschungsaufgaben in der Abfallbehandlung und der über Jahrtausende zu garantierenden Endlager- Sicherheit. Zu erforschen sind allerdings auch Strate- gien der Abfallminimierung durch Anwendung neuer Reaktorprinzipien und der Transmutation, das heißt, der Umwandlung der die Radiotoxizität nach Hunderten\nVorgang der Spallatation in einer Transmutationsanlage 19 Treffen die beschleunigten Protonen auf ein massives Ziel (engl. Target), werden eine Vielzahl von Neutronen frei. Sie reagieren mit den radioaktiven Abfällen und bilden kurzlebigere Isotope. Target mit Kern Protonen-Beschleuniger Strahlrohr Behälter Spallationstarget (Blei-Bismut-Schmelze) Puffer (Protonen-Abschirmung) innerer Kern (neue radioaktive Abfälle) äußerer Kern (teilweise rezyklierte Abfälle) Reflektor (reflektiert Neutronen zurück) innere Abschirmung äußere Abschirmung von Jahren dominierenden Aktiniden in weniger toxische Nuklide mit bedeutend kürzerer Halbwertszeit. 8_3.2_3 Das Potenzial einer Transmutationsstrategie besteht darin, für die Rückstände schon nach etwa 1 000 Jah- ren ein Gefährdungsniveau erreichen zu können, wie es auch in dem aus der Natur gewonnenen Brennstoff besteht. Allerdings ist auch für diesen Weg, der einer mehrfachen Wiederaufarbeitung und Auftrennung der Abfälle bedarf, der Erfolg noch lange nicht garantiert. Ein positives Ergebnis würde den Bedarf an Endlagern für Wärme entwickelnde Abfälle langfristig um ca. 3 Größenordnungen vermindern. Hier forschen die Wis- senschaftler in den folgenden Bereichen: Immobilisierung hoch radioaktiver Abfälle, Reduzierung der Radiotoxizität und Sicherheitsforschung für die Endlagerung. 3.2.2.1 Immobilisierung Ziel des Arbeitsthemas Immobilisierung von hoch radio- aktiven Abfällen ist die Entwicklung und Anwendung von Verglasungstechnologien. Am Institut für Nuklearsi- cherheit des Forschungszentrums Karlsruhe wurde eine Schmelztechnologie entwickelt, mit der in einer Vergla- sungseinrichtung hoch radioaktive Spaltproduktlösungen zu Glas verfestigt werden können. Die Verglasungstech- nologie des Forschungszentrums soll in einer chinesi- schen Anlage zum Einsatz kommen. Protonen- Strahl 3.2.2.2 Reduzierung der Radiotoxizität Partitioning und Transmutation sind Strategien zur Verringerung der Radiotoxizität von Wärme entwickelndem Abfall. Beim Par- titioning werden die langlebigen Radionuklide von den kürzerlebi- gen abgetrennt. Bei der anschlie- ßenden Transmutation werden diese langlebigen Radionuklide durch Neutronenreaktionen in kurzlebige Radioisotope oder stabile Elemente umgewandelt. Hierzu hat die Sustainable Nuclear Energy Platform (SNE-TP) der EU- Kommission die Errichtung spe- zieller, unterkritischer Reaktoren vorgeschlagen, denen Neutronen externen Beschleunigungsquel- len zugeführt werden (Projekt MYRRHA). Die Forschung richtet sich auf technische Durchführbarkeit und Bewertung dieser Technologie im Vergleich zur Endlagerung lang- lebiger hoch radioaktiver Abfälle. 3.2.3 Sicherheitsforschung Die deutschen Kernkraftwerksbetreiber arbeiten in Gemeinschaftsprojekten in der Materialforschung, der Komponentenqualifikation, dem Objektschutz, Nachrüs- tungen, Brennstoffweiterentwicklungen und Zwischen- lagerkonditionierung. Die staatliche Sicherheitsforschung für Kernreaktoren konzentriert sich auf Prozessstörungen und entwickelt entsprechende Schutzmaßnahmen. Außerdem werden die radiologischen Folgen von kerntechnischen Unfällen untersucht. Der überwiegende Anteil der Arbeiten ist in Netzwerke und Projekte des Europäischen Rahmenpro- gramms eingebunden. In der Sicherheitsforschung zur Endlagerung werden die Grundlagen für Endlagersysteme standortunabhängig entwickelt. Die Forschung konzentriert sich auf Wärme produzierende Abfälle. Dazu gehören die Endlagerung verglaster hoch radioaktiver Abfälle aus der Wiederauf- arbeitung und die Endlagerung abgebrannter Brenn- elemente in Salz-, Hartgestein- und Tonformationen.\n20 Ressourcen 4 Überwindung der Ressourcenknappheit Erneuerbare Energien aus Sonne, Wind, Wasser, Erd- wärme oder Biomasse sind nahezu unerschöpflich und klimafreundlich. Daher stellen sie eine zentrale Option für eine nachhaltige Energieversorgung der Zukunft dar. Erneuerbare Energien sollen im Jahr 2020 rund 20 % des europäischen Strombedarfes decken. In Deutschland ist es das Ziel, 30 % zu erreichen. Die Ausbaudynamik im Bereich der Verstromung von Biomasse und der Wind- energie auf See, aber auch die erst mittelfristig wirksam werdenden Planungen zur weiteren Erschließung der Wasserkraft und Geothermie lassen eine solche Pers- pektive plausibel erscheinen. Die Entwicklung der regenerativen Energie wird flankiert von Forschungen zum Thema Speicherung von Elektrizi- tät. Bis heute ist die Speicherung bis auf einen geringen Umfang in Pumpwasserspeicherkraftwerken in einem wirtschaftlichen Rahmen nicht möglich. Mit der zuneh- menden Bedeutung der Erneuerbaren und der damit ver- bundenen Wetterabhängigkeit ist diese Problemstellung wieder stärker in den Fokus der Forschung gerückt. Die Forschung zielt neben der Entwicklung neuer Tech- nologien insbesondere auf eine Senkung der Kosten der heute schon funktionierenden Systeme ab. Durch die staatliche Förderung der Stromerzeugung aus erneuer- baren Energien stieg der Anlagenbedarf und machte auf der Herstellerseite eine industrielle Massenproduktion möglich. Blickt man auf 30 Jahre Förderung der erneuerbaren Energien zurück, so lässt sich dieser Zeitraum grob in drei Perioden einteilen: Die Dekade von 1975 bis 1985 war überwiegend durch Forschung und Entwicklung geprägt. Zwischen 1985 und 1995 kamen einzelne und später auch breit angelegte Demonstrationsprogramme hinzu. Seit Mitte der Neunziger erlangen erneuerbare Energien durch gesetzliche Regelungen zunehmend energiewirtschaftliche Relevanz, wobei sie durch die jüngsten Preissteigerungen für Öl und Erdgas in einigen Anwendungen bereits wettbewerbsfähig sind. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) unter- stützt den Ausbau von Energieerzeugungsanla- gen, die erneuerbare Energien zur Stromerzeu- gung nutzen. Es regelt die Vergütungssätze, nach denen die Anlagenbetreiber für ihre Einspeisung ins Stromnetz abgerechnet werden. In der Debatte um das EEG spielen die Kosten- belastungen der Verbraucher eine große Rolle. Für die Zukunft ist deshalb entscheidend, ob bzw. wie schnell sich die Kostenschere zwischen erneuerbaren und nicht-erneuerbaren Energien schließt. Die Degression der Vergütungssätze im EEG erzwingt seitens der erneuerbaren Energien eine stetige Kostensenkung und stellt damit hohe Anforderungen an die Produktivitätsfortschritte in der Branche: So müssen die Stromgestehungs- kosten neuer Windenergieanlagen innerhalb von zehn Jahren um etwa 30 % gesenkt werden, für Solarstrom sogar auf die Hälfte, damit sich der Anlagenbetrieb rechnet. Auch wenn die Mittelwerte über bestimmte längere Zeitabstände gut bekannt sind, fällt es trotzdem schwer, derartig fluktuierende Energiequellen ohne Speicher in bestehende Energiesysteme einzubinden. 4.1 Windenergie Vermutlich ist die Windkraft schon von den Babyloniern vor 4 500 Jahren genutzt worden. Erwiesen ist, dass in Alexandria vor ca. 3 000 Jahren Windmühlen zum Mah- len von Getreide genutzt wurden. In Deutschland sind Windmühlen im 4. Jahrhundert n. Chr. nachzuweisen. Gegen Ende des Mittelalters hatte sich das Windrad in ganz Europa durchgesetzt. Am Anfang des 19. Jahrhunderts gab es in Deutschland 22 000 Windgetreidemühlen, von denen 1938 noch 4 500 in Betrieb waren. Die erste und zweite Ölpreiskrise (1973/1979) und das damit gewachsene Bewusstsein der begrenzten Primärenergievorräte setzte die Entwicklung der Großwindkraftanlagen im Megawattbereich in Gang. Kennzeichnend für erneuerbare Energien ist, mit Aus- nahme der Wasserkraft, Biomasse und der Geothermie, dass sie nicht ständig zur Verfügung stehen. Insbeson- dere die wetterabhängigen Sonnen- und Windenergien bieten ein fluktuierendes, zum Teil stochastisch auftre- tendes Energieangebot. Es ist nicht mit Sicherheit vorher- sehbar, in welchem Maße und wann die Energie anfällt. Anfang 2009 waren deutschlandweit ca. 23 000 Wind- kraftanlagen in Betrieb. Damit scheinen die Standorte an Land ausgereizt zu sein. Eine Schlüsselrolle kommt deshalb der Nutzung der Windenergie auf See zu. Die wesentlich höheren Windgeschwindigkeiten und das größere Angebot an Standorten ermöglichen hier eine weitere Erhöhung der Windenergieproduktion.\nHorizontalachsenkonverter 1 Rotorwelle 2 Turmkopf/Gondel 3 Windrichtungs- nachführung 4 Rotorblätter 5 Rotorblatt- verstellung 6 Getriebe 7 Generator 8_4.1_1 Die Forschung richtet sich bei der Off- shore-Anwendung auf Werkstoffe, Kom- ponentenzuverlässigkeit, dem Wartungs- management sowie der Konstruktion insgesamt. So müssen noch die Turbulenzfragen zwischen Böe und Rotor und deren Auswirkungen auf die einzelne Gesamtanlage beantwortet werden (siehe LS Heft 3). 8_4.1_2 Zur Integration der Windenergie in die Gesamtenergieversorgung sind gute Wetterprognosen wichtig. Derzeit darf der erzeugte Windstrom nicht mehr als 5 % von der Prognose abweichen, sonst kann die Diffe- renz nicht mehr durch andere Erzeugungsanlagen auf- gefangen werden. 4.2 Wasserkraft Das theoretische Potenzial der Wasserkraft, also die potenzielle Energie aller Gewässer weltweit, wird mit ca. 44 000 Mrd. Kilowattstunden pro Jahr angegeben. Davon werden derzeit knapp 10 % genutzt. Das nutz- bare Wasserkraft-Potenzial in Deutschland beträgt der- zeit etwa 26 Mrd. Kilowattstunden pro Jahr. In einem durchschnittlichen Wasserkraftjahr werden momentan etwa 19 Mrd. Kilowattstunden Strom gewonnen. Das ergibt eine Ausnutzung von derzeit 73 %. 21 In Deutschland liegt der Anteil der Wasserkraft an der Stromerzeugung im Mittel etwa bei 4 %. Mehr als 20 Länder der Erde decken ihren Strombedarf überwie- gend aus der Wasserkraft. Spitzenreiter sind Norwegen, Island und Paraguay (100 %), Brasilien (84 %), Österreich (64 %), Kanada und Venezuela (62 %), Schweiz (58 %), Schweden (51 %) und Chile (50 %). Der Wirkungsgrad liegt bei guten Wasserkraftanlagen über 90 % und sie können über hundert Jahre genutzt werden. Die Investitionskosten sind abhängig von geolo- gischen und topografischen Gegebenheiten des Stand- orts, aber um ein Vielfaches höher als bei fossil befeuer- ten Wärmekraftwerken. Die größten technischen Potenziale für die Errichtung zusätzlicher Anlagen (insbesondere Staudämme) beste- hen in Afrika, in Südamerika und in Südostasien. Wegen ihres hohen Wirkungsgrades sind Wasserkraft- werke auch zukünftig eine Option für die Energie- versorgung. Mit ihren hohen Investitions kosten und den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen 8_4.2_1 H a v el Spree M u l d e Elb e Zeichenerklärung 100 MW 10 bis Laufwasser Speicherwasser Pumpspeicher 100 MW Laufwasser Speicherwasser Pumpspeicher E m s Lippe Ruhr R h e i n M osel W eser Elb e r e d E M a i n N e c k a r B o d e Saale L e i n e W e r r a Main n it z g e P Naab L e c h u a n o D I l l e r r a I s n I n Alz Laufwasser- und Speicherwasserkraftwerke erzeugen ausschließlich Strom. Pumpspeicherkraftwerke können zusätzlich Verbrauchsspitzen ausgleichen.\nRessourcen G A N O . E : e l l e u Q 22 Wasserkraftwerk Walchensee in den Gebieten mit dem größten Entwicklungs- potenzial sind sie allerdings derzeit oft nicht wettbewerbsfähig. Sie stehen deshalb nicht im Fokus von Forschung und Entwicklung. 8_4.2_2 4.3 Meeresenergie 4.3.1 Gezeitenkraftwerke 8_4.3_1 Gezeitenkraftwerke nutzen die zwischen den Gezeiten auftretenden Höhendif- ferenzen des Wasserspiegels – und die daraus resultierenden Strömungen. Die Gezeiten werden von der Gravitationswirkung der Sonne und des Mondes auf das Meer ausgelöst. Damit haben sie einen entscheidenden Vorteil: Ebbe und Flut sind im Gegensatz zu Sonnen- und Windenergie permanent vorhanden und damit berechenbare Größen. Hochwasser große Tidenhub genutzt, um das durch den Damm aufge- staute Wasser von der Buchtseite zurück ins Meer laufen zu lassen – und so die Turbinen anzutreiben. Das erste Gezeitenkraftwerk der Erde, die französische Anlage an der Rance-Mündung in St. Malo in der Bre- tagne, wurde 1967 errichtet. Ein weiteres Gezeiten- kraftwerk befindet sich in Kanada in Annapolis Royal an einer Nebenbucht der Bay of Fundy in Neuschottland. Es wird seit 1984 in erster Linie für Forschungszwecke betrieben und arbeitet im Ein-Richtungs-Betrieb mit dem Ebbstrom. Seit 2006 produziert ein Gezeitenkraftwerk im East River bei New York Strom für einen Supermarkt. Freistehende Räder mit langsamer Umdrehung erzeugen hier den Strom aus den durch Ebbe und Flut ausgelös- ten Wasserbewegungen. Andere kleinere Gezeitenkraft- werke gibt es in Russland bei Murmansk und in China. Das größte chinesische Gezeitenkraftwerk wurde 1986 in der Provinz Zhejiang fertig gestellt. Ein neuer technologischer Ansatz sind Turbinen, die nicht den Tidenhub, sondern auf direktem Weg die starken Strömungen am Meeresgrund nutzen. In Küs- tennähe sind diese besonders stark und sorgen für opti- male Bedingungen. Europa verfügt in diesem Bereich über eine der ertragreichsten Meeres-Energiequellen der Welt. Der Rhythmus der Gezeiten verändert sich insbe- sondere an der Küste Englands kaum, so dass die Ener- giegewinnung planbar wird und die maximale Leistung des Gezeitenkraftwerkes von Tag zu Tag konstant bleibt. Ein geplantes Gezeiten- kraftwerk an der Westküste Englands ist mit einer Leistung von bis zu acht Mega- 8_4.3_2 Gezeitenkraftwerk offenes Meer Damm bei Flut Staubecken Ursprünglich wurde in einem Gezei- tenkraftwerk die Bucht durch einen Damm vom offenen Meer abge- trennt. In diesem Damm befinden sich auf dem Meeresgrund beid- seitig ausgelegte Turbinen. Bei Flut strömt das Wasser von Mee- resseite durch die Turbinen in den Staudamm – die kinetische Energie (Bewegungsenergie) des Wasser- stromes wird dabei in elektrische umgewandelt. Bei Ebbe wird der offenes Meer Damm Staubecken bei Ebbe\nwatt eines der größten weltweit und das erste, das ohne „Staudamm-Prinzip“ eine signifikante Menge Strom aus dem Meer bereitstellt. erzeugung aus Wellen in einem Bauwerk zu verbinden, ist eine sinnvolle Lösung und besonders außerhalb Euro- pas von Bedeutung. Positiv ist auch die ökologische Verträglichkeit. Die Tur- binen liegen „unsichtbar“ am Meeresgrund, ihre relativ langsamen Drehgeschwindigkeiten haben keine Aus- wirkungen auf die Meerestiere. Expertenschätzungen zufolge könnte die Strömungsenergie der Ozeane rund 800 Mrd. Kilowattstunden Strom pro Jahr liefern – etwa so viel wie 70 große Kernkraftwerke. In Deutschland wäre die Nutzung von Gezeitenkraftwerken aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeiten in der Nord- und Ostsee wenig ertragreich. 4.3.2 Wellenkraftwerke 8_4.3_3 Meereswellen enthalten sowohl die kine- tische Energie der Orbitalbewegung als auch die potenzielle Energie aus dem Druckunterschied zwischen Wellenberg und Wellental. Schwimmersysteme nutzen die von der Wellenoberfläche erzeugte Relativbewegung zwischen zwei oder mehr Festkörpern, von denen mindestens einer ein Schwimmer ist, der von den Wellen auf und ab bewegt wird. Die Systeme basieren zumeist darauf, dass ein schwimmender Körper bei seiner Bewegung mit den Wellen rhythmisch an seiner Ankerleine zerrt, die mit einer die Nutzenergie erzeugenden Pumpe verbunden ist. Die Wellenenergie ist unstetig, in ihrer Größe nicht zu beeinflussen und sehr große Wellen können die Wand- lersysteme zerstören. Eine Großausführung an der Küste oder im offenen Meer setzt daher ein aufwendiges Bauwerk voraus. Den Schutz von Küsten oder Hafenanlagen mit der Energie- 8_4.3_4 Wellenkraftwerk Windturbine Generator Ein Vergleich der Wellenenergienutzung mit anderen regenerativen Energiequellen zeigt ein gutes Potenzial. Für Irland und Großbritannien wird vorhergesagt, dass 50 % bzw. 30 % des Strombedarfs aus Wellenenergie erzeugt werden könnte. Die Bedingungen in Deutschland sind an der recht kurzen und intensiv genutzten Meeresküste ungünstig. Außerhalb Europas sind vor allem die Wellen- energiekraftwerke in Japan und Indien von Bedeutung. 23 4.4 Biomasse Die Biomasse speichert Sonnenenergie und spielt als einzige erneuerbare Kohlenstoffquelle eine Sonderrolle: Aus ihr lassen sich neben Wärme und Strom vor allem chemische Rohstoffe und Kraftstoffe erzeugen. Biomasse umfasst sowohl pflanzliche Produkte wie Grünmasse und Waldrestholz als 8_4.4_1 Biomassekraftwerk Strom Strom Wärme Wärme CO2 Blockheizkraftwerk ORC- Prozess (Organic Ranking Cycle) Knickholz Luftstrom Biogasanlage Jede Welle drückt Wasser in die Pneumatische Kammer und jedes Wellental zieht es wieder hinaus. Die Luft wird komprimiert bzw. angesaugt und treibt so die Turbine an. Rinder- gülle\ni s a g o B d n a b r e v h c a F : e l l e u Q 24 Ressourcen „Der Mist macht’s“ Zahl der Biogasanlagen in Deutschland 3 710 3 500 2 680 2 050 1750 2007 2006 2005 2004 2003 650 390 330 1600 2002 260 1300 2001 180 1050 2000 65 850 1999 50 8_4.4_3 auch landwirtschaftliche Abfälle, Altholz und organische Anteile des Hausmülls. Mit Konversionsmethoden von der Ver- gärung, Gaserzeugung und Verbren- nung bis zur Methanolherstellung und Wasserstoffsyn- these wird Biomasse in speicherbare Energieformen umgewandelt. Die Umwandlung von Biomasse in synthesegasstäm- mige Sekundärenergieträger eröffnet eine hohe Flexi- bilität bezüglich der verwendeten Biomassen und der erzeugten Endenergie in Form von Strom und Kraftstoff (Herstellung von flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen wie z. B. Dieselsubstitut, Erdgassubstitut, Wasserstoff) in Co-Generation mit Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung). Die thermochemische Gaserzeugung aus Biomasse steht deshalb im Fokus des Forschungs- und Entwick- lungsbedarfs. Die technischen Möglichkeiten zur Wärmegewinnung und Verstromung der Biomasse sind weltweit gegeben, so dass für die Umsetzung die entsprechenden wirt- schaftlichen Rahmenbedingungen entscheidend sind. Wegen des Problems, für Energiepflanzen genügend Land und Wasser verfügbar zu haben, kommt der Züchtung von schnell wachsenden Pflanzen mit hohem Brennwert besonders dann große Bedeutung zu, wenn diese auf Böden gedeihen, die für Nahrungsmittelpro- duktionen definitiv ungeeignet sind, z. B. stark versalzte Böden. Darüber hinaus reichen die Forschungsthemen bis in die Gentechnik hinein, um biotechnologische Ver- wertungspfade zu verbessern. 4.5 Solarenergie 4.5.1 Solarthermie Installierte Leistung in Megawatt 1270 1100 Erste Anwendungen der solarther- mischen Nutzung gehen bis in die Antike zurück. Brenn- oder Hohlspie- gel wurden für die Fokussierung von Lichtstrahlen verwendet. Die passive Nutzung der Solarthermie wurde im alten Ägypten, in Mesopotamien und in den frühen südamerikanischen Hochkulturen durch die Architektur ihrer Bauwerke praktiziert. Hier wur- den zum Beispiel Türen so positio- niert, dass sie in der Mittagshitze im Schatten lagen. In kalten Klimazonen sind Fenster und Türen bevorzugt auf der windabgewandten Seite des Hauses, aber mög- lichst in Richtung zur Mittagssonne hin ausgerichtet. Synthesegas oder SynFuels aus Biomasse Die Bereitstellung von regenerativen Kraftstoffen aus Biomasse kann in einem Energiesystem mit dezentralen Energieerzeugungs- und Nutzungs- strukturen eine wichtige Rolle übernehmen. Neben dem Einsatz von Brenngasen bei der Kraft- Wärme-Kopplung erfordert vor allem die Erzeu- gung hochwertiger Synthesegase aus Biomasse für einen Einsatz zur Kraftstofferzeugung und in Brennstoffzellen neue Technologien. Bislang erfolgt die Erzeugung von H2-reichem Syn- thesegas durch die Vergasung der Biomasse mit nachfolgender Gasaufbereitung. Je nach Verga- sungsverfahren muss das erzeugte Produktgas zur Kraftstoffsynthese von Verunreinigungen, Inert- gas und dem bei der Vergasung gebildeten CO2 befreit werden. Die wichtigsten Einflussgrößen sind dabei Temperatur, Druck, Verweilzeit, das Vergasungsmittel und die Art der Energiezufuhr. Bei der Vergasung wird zwischen autothermen Verfahren, bei denen ein Teil des Einsatzstoffs partiell mit Luft oder Sauerstoff zur Wärmeerzeu- gung oxidiert wird, und den allothermen Ver- fahren, bei denen die Wärmezufuhr von außen erfolgt oder durch einen Wärmeträger eingekop- pelt wird, unterschieden. Das entstehende Pro- duktgas setzt sich aus den Hauptkomponenten H2, CO, CO2, CH4, N2 sowie Verunreinigungen wie z. B. Teere, Partikel, Schwefel-, Halogen- und Alkali- Verbindungen zusammen.\ns e g a m i - g k a / e c n a i l l a - e r u t c i p : e l l e u Q Dish-Sterling-Anlage 1 Konzentrator Schale (Spiegel) 2 Fundament 3 Stirling Einheit 4 Antriebsschiene Elevation 10 5 Antriebsschiene Azimuth 6 Stirling Tragwerk 7 Azimuthantrieb 8 Schaltschrank Switch 9 Drehstand 10 Ringträger 11 Elevationslager 7 1 11 9 8 3 6 25 4 5 t r a g t t u t S , r e n t r a P d n u n n a m r e g r e B h c a h c S : e i l Sphärischer Brennspiegel, gefertigt 1686 von Ehrenfried Walther von Tschirnhaus, Spiegelfläche aus poliertem Kupferblech, Durchmesser 159 cm, Höhe 230 cm. In der Dish-Sterling-Anlage wird solarthermische Energie in mechanische Energie umge- wandelt. In einem direkt angeschlossenen Generator wird elek trische Energie erzeugt. 2 l l e u Q 8_4.5_1 Im 18. Jahrhundert erfand der Natur- forscher Horace-Bénédict de Saussure die Vorläufer der heutigen Sonnenkol- lektoren (siehe LS Heft 3). Ausgelöst durch die erste Ölkrise wurden Mitte der 1970-er Jahre Konzepte zur Solarenergienutzung entwickelt. In solar- thermischen Kraftwerken wird Sonnenlicht durch Spie- gelsysteme auf einen Absorber gebündelt und die dort erzeugte Wärme mit Hilfe von Dampf- turbinen zur Stromproduktion genutzt. Je nach Art des fokussierenden Spiegelsystems werden Rinnenkraftwerke, Turmkraftwerke und Dish- Anlagen unterschieden. Stromerzeugung bei Dunkelheit 8_4.5_2 8_4.5_3 Das Desertec-Konzept des Club of Rome Unter dem Begriff Desertec (Strom aus Wüsten) beschäftigt sich der Club of Rome in Deutsch- land mit einem Konzept, die Stromversorgung in Europa durch afrikanische Solarthermiekraftwerke sicherzustellen. Dazu hat das deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt im Auftrag des Bundesum- weltministeriums die Ressourcen an erneuerbaren Energien, den erwarteten Strom- und Wasserbe- darf bis 2050 und der Aufbau eines Stromverbun- des mit den Mittelmeer staaten Nord-Afrikas und des Nahen Ostens untersucht. Demnach würden solarthermische Kraftwerke auf einem Gebiet von weniger als 0,3 % der Wüsten- fläche Nordafrikas und des Nahen Ostens genü- gend Strom und entsalztes Wasser für diese Län- der selbst und Europa erzeugen können. Zusätzlich wäre Stromerzeugung durch Windkraft in Marokko und am Roten Meer möglich. Solar- und Windstrom könnte mit Hochspannungs-Gleichstromübertra- gungs-Netzen bis nach Europa übertragen werden. Im Gegensatz zur Fotovoltaik können solarthermi- sche Kraftwerke kostengünstig und rund um die Uhr betrieben werden. Werden solarthermische Kraftwerke künftig in Serie gefertigt, soll eine Sen- kung der Erzeugungskosten auf bis zu 4 – 5 Euro- Cent pro kWh möglich sein. Der Club of Rome ist eine internationale Vereini- gung von Persönlichkeiten aus Wissenschaft, Kul- tur, Wirtschaft und Politik. Er wurde 1968 in Rom ins Leben gerufen und setzt sich für eine lebens- werte und nachhaltige Zukunft der Menschheit ein. Bekannt wurde die Organisation 1972 mit ihrem Buch „Grenzen des Wachstums“. Um das Projekt Desertec weiter zu entwickeln, wurde Anfang 2009 die Stiftung Desertec Foundation mit Sitz in Berlin gegründet. Zu den Aufgaben der Stiftung zählen Pilotprojekte, wissenschaftliche Studien und die weltweite Vernetzung von Einzelaktivitäten.\nRessourcen 26 in einem Kamin nach oben strebt. Von den Rändern des Glasdachs strömt Umgebungsluft nach, die eben- falls erwärmt wird. So wird die Sonneneinstrahlung zum „Motor“ eines gleichbleibenden Aufwindes. Eine im Kamin eingebaute Turbine wandelt die Windener- gie mittels eines Generators in elektrische Energie um. Abgesehen von der Intensität der Sonneneinstrahlung hängt die Leistung eines solchen Elektrizitätswerks von der Kollektorfläche und der Kaminhöhe ab. Es könne entweder Horizontalachsen- oder Vertikalach- senturbinen verwendet werden. Beim Mildura-Projekt ist geplant, die Horizontalachsen turbinen ringförmig am Fuße des Turms, also an der Übergangsstelle vom Kol- lektor zum Turm auf dem Boden an zu bringen. Bei Rinnenkraftwerken wird das Sonnenlicht auf ein selektiv beschich- tetes Absorberrohr fokussiert. In diesem Rohr wird ein Wärmeträger (z. B. Thermoöl) auf bis zu 400 °C erhitzt und anschließend zur Dampf- erzeugung genutzt. Die fokussierenden Spiegelelemente sind entwe- der parabolisch geformt (Parabolrinnenkraftwerke) oder bestehen aus einzelnen Facetten von Flachspiegeln (Fresnelkraftwerke). Die Versuchsanlage in Manzanares in Spanien hatte einen Kollektordurchmesser von 244 m und eine Kamin- höhe von 195 m, damit erreichte sie eine Leistung von 50 kW. Die Vertikalachsenturbine wurde am unteren Ende der Turmröhre aufgestellt. Ein Aufwindkraftwerk mit einer Leistung von 200 MW würde einen Kollektor von 8 km Durchmesser benötigen und einen 1 000 m hohen Kamin. In Afrika und Asien ist Platz und Sonnenlicht im Überfluss vorhanden. Dort könnten Aufwindkraftwerke einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung leisten. Doch obwohl viele Länder wie der Sudan, Indien und Ghana Interesse an der Tech- nologie haben, sind die Bauvorhaben bisher an einer fehlenden Finanzierung und ungünstigen wirtschaftlichen Rah- menbedingungen gescheitert. 8_4.5_5 ist sowohl über die in Flüssigsalztanks gespeicherte Wärme möglich als auch durch die ergänzende Befeuerung mit Gas, Öl oder Biomasse. 8_4.5_4 Fortschritte beruhen auf dem Einsatz von neuartigen Komponenten in großtechnischen Versuchsanlagen wie im spanischen Almería. Weitere Entwicklungen zielen auf höhere Temperaturen, neuartige thermische Ener- giespeicher und langfristig auch auf die chemische Spei- cherung der solaren Energie ab. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum- fahrt haben eine solar-hybride Gasturbine in Zusammen- arbeit mit elf internationalen Partnern im EU-Projekt Solhyco entwickelt und auf dem Solarturm CESA-1 als Testanlage montiert. Ein Spiegelfeld lenkt die Sonnen- strahlung auf drei Solarreceiver, die die Kompressorluft der 250 Kilowatt-Gasturbine stufenweise auf 800 °C erhitzen. Nur bei Bedarf schaltet sich die mit Biodiesel betriebene Brennkammer der Turbine dazu, so dass unabhängig von Tageszeit und Witterung elektrische Energie erzeugt wird. 4.5.2 Aufwindkraftwerke Aufwindkraftwerke nutzen die Eigenschaft, dass warme Luft nach oben steigt. Unter einem Glasdach wird durch die Sonneneinstrahlung Luft erwärmt, die In einem Aufwindkraftwerk drehen sich in einem hohlen Turm Turbi- nen mittels der einströmenden heißen Luft, welche in der Umgebung des Turms unter Folien aufgeheizt wird.\n4.5.3 Fotovoltaik Mit Solarzellen ist es möglich, Strom direkt zu gewinnen. Diese Technik ist noch relativ jung und die Forschung rich- tet sich hier besonders auf Kostensenkungen, Effizienz- verbesserungen bei der Herstellung und beim Betrieb. Solarenergie ist nach menschlichen Maßstäben uner- schöpflich, ihre technische Nutzung allerdings noch nicht ausgereift. Die Sonne gibt durch die im inneren ablaufende Kernfusion eine unglaublich hohe Menge an Strahlungsenergie ab. Diese Sonnenstrahlung wird durch Erdatmosphäre gedämpft. Die gesamte Strah- lungsleistung der Sonne, die pro Quadratmeter auf die Erdatmosphäre trifft, wird durch die Solarkonstante (1367 W/m2) beschrieben. Sie beträgt im Mittel am Äquator: E = 800 W/m2 B Z / e c n a i l l a - e r u t c i p : e l l e u Q 27 8_4.5_6 Die fotovoltaische Solarenergienutzung erlebt derzeit ein rasantes Wachstum. Verbesserungen in der Dünnschichtfo- tovoltaik können das Potenzial dieser Technologie weiter ausschöpfen. Die Forscher am Helm- holtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie setzen Dünnschicht-Solarzellen ein. Diese neuen Solarzellen sind bei gleicher Effizienz etwa hundertmal dünner als her- kömmliche Silizium-Solarzellen. Die Licht absorbierende Schicht misst nur einige Hundertstel Millimeter. Die Vorteile liegen in geringerem Material- und Energieverbrauch, einfacheren Pro- duktionsprozessen sowie vielseitigeren Anwendungsmöglichkeiten. 8_4.5_7 Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche Weltraum 1367 W/m2 = Solarkonstante Mit einer Pinzette wird in einem Labor in Leipzig eine flexible und beschichtete Polymerfolie gehalten. Mit einem neuen Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen sollen in der Fotovoltaik neue Maßstäbe geschaffen werden. Mit Hilfe der Ionenstrahltechnik wird die Folie mit Kupfer, Indium und Selen beschichtet. Damit kann das teure hochreine Silizium in der Fotovoltaik abgelöst werden. 4.6 Geothermie 8_4.5_8 Geothermie stammt nach Schätzun- gen zu 30 bis 50 % aus Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung und zu 50 bis 70 % aus radio aktiven Zerfallsprozessen, die in der Erdkruste seit Jahrmillionen konti- nuierlich Wärme erzeugen. Ganz ober- flächennah kommen Anteile aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdober- fläche und aus dem Wärmekontakt mit der Luft dazu. Atmosphäre Verluste durch Reflexion, Streuung und Absorption in 4 500 m Höhe 1,17 kW/m2 diffuse Strahlung direkte Strahlung Erde bei wolkenlosem Himmel treffen ca. 800 W/m2 auf die Erde Mit zunehmender Tiefe in der Erdkruste steigt die Temperatur an. Im inneren Erdkern beträgt sie nach verschiede- nen Schätzungen 4 500 °C bis 6 500 °C. 99 % unseres Planeten sind heißer als 1000 °C; ca. 90 % des Rests sind immer noch heißer als 100 °C. Fast überall hat das Erdreich in einem Kilometer Tiefe eine Temperatur von 35 °C bis 40 °C. Interessant sind besonders Gebiete mit deutlich höheren Temperaturen. In\nRessourcen Verbindung mit Vulkanaktivität können die Tempe raturen schon in geringer Tiefe mehrere hundert Grad betragen. In Island erzeugen fünf Geothermiekraft- werke rund 20 % des Strombedarfs. Was im vulkanischen Island vergleichsweise einfach ist, wird in Mitteleuropa zu einer technischen Herausforderung: Mehr als vier Kilometer tief müssen die Bohrungen sein, bis die Hitze ausreicht, um ein geo- thermisches Kraftwerk zu betreiben. Dabei dür- fen Trinkwasserschichten nicht verletzt werden. 8_4.6_1 Die Forschung arbeitet derzeit an einer effektiven Nutzung vorhandener Heiß- wasserreservoire sowie der Erschließung heißer Gesteins- schichten durch stimulierten Wärmeaustausch. In Groß Schönebeck wurde ein Geothermielabor eingerichtet. Dort sind die geologischen Bedingungen typisch für weite Teile Mitteleuropas. In 4 000 bis 5 000 Metern Tiefe liegen wasserführende Gesteinsschichten, die zwischen 100 °C und 200 °C heiß sind. Die beiden For- schungsbohrungen verlaufen parallel bis auf 4 300 und 4 400 Meter in das Erdinnere. Aus der ersten Bohrung soll heißes Wasser gefördert werden und die Tur binen des Versuchskraftwerks antreiben. Über die zweite Bohrung wird das abgekühlte Wasser wieder in den Untergrund verpresst. In 8_4.6_2 Energie aus der Tiefe: Die Nutzung von Erdwärme Fernwärme Gewerbegebiet Wohngebiet Stromerzeugung Wasserdampfwolken aus einem Geothermiekraftwerk in Island. Experiment serien wurden vorab künst- lich Risse und Klüfte im Gestein erzeugt, durch die das Tiefenwasser fließen und Wärme aufnehmen kann. 8_4.6_3 Geowissenschaftler aus mehreren europäischen Part- nerländern entwickeln nun im Projekt I-GET „Integrierte Geophysikalische Technologie“ zur Erkundung geo- thermaler Lagerstätten neue Verfahren, um geeignete Geothermiestandorte genau zu lokalisieren – und zwar ohne zuvor eine aufwändige Probebohrung durchzu- führen. Sie untersuchen die Tiefenstruktur der Erdkruste durch seismische und magnetotellurische Messungen. Damit ermitteln sie zum Beispiel die Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit im Untergrund, die auf wasserführende Tiefenschich- ten hinweist. 28 k i f a r g o f n l I s u b o G / e c n a i l l a - e r u t c p i : e l l e u Q kalt heiß Turbine zur Strom- erzeugung 40 °C Kühlung 20 °C Schieber steuert Wasserzufuhr 50 °C 70 °C … 97 °C 97 °C Pumpe 2 217 m 2 274 m Kaltes Wasser fließt in heiße Gesteinsschicht zurück Heiße Gesteinsschicht (Aquifer) 100 °C Heißes Wasser wird hochgepumpt 4.7 Fusionsforschung Unter allen bekannten Optionen ist nur eine, die eine wirklich neue Energiequelle erschließen könnte: Das ist die Kernfusion. Die Kern- fusionsforschung hat das Ziel, CO2-neutral und unabhängig von Rohstoffimporten Energie für die Stromerzeugung bereit zu stellen. Die Fusion, d. h. die Verschmelzung von Atomkernen, ist der Prozess,\nB Z / e c n a i l l a - e r u t c i p : e l l e u Q R E T I : e l l e u Q 29 29 Das Herzstück des Reaktors für den ITER wird ein Tokamaks (Toroidale Kammer in Magnetspulen) in Form eines Donuts sein. mit dem die Sonne und die Sterne ihre Energie erzeugen. Die Sonne sendet Licht aus, weil in ihr ständig Wasserstoffkerne 8_4.7_2 8_4.7_1 in einem mehrstufigen Prozess zu Heliumkernen ver- schmelzen und dabei Energie frei setzen. Unter Bedin- gungen, wie sie auf der Erde erreicht werden können, verlaufen die Fusionsreaktionen der Sonne extrem lang- sam. Deshalb soll hier die Fusion zweier anderer Arten von Wasserstoffkernen genutzt werden: Deuterium und Tritium. Sie sind quasi Zwischenstufen auf dem Weg vom Wasserstoff zum Helium. Tritium lässt sich unter den Bedingungen einer Fusionsreaktion aus Lithium erzeugen. 8_4.7_3 Nach eindrucksvollen Fortschritten die- ser Technologie, die vor allem an der gemeinsamen europäischen Testanlage JET (Joint European Torus) in England während der 1990-er Jahre erzielt worden sind, wird es nun eine größere, reaktorähnlichere Testanlage der ITER errichtet. Er wird als gemeinsames Forschungspro- jekt der Europäischen Union, Schweiz, Japan, Russland, Volksrepublik China, Südkorea, Indien und den USA betrieben. ITER soll die großtechnische Nutzung der kontrollierten Kernfusion zur Stromerzeugung vorbe- reiten. Der Reaktor arbeitet nach dem Tokamak-Prinzip. Der Bau der Anlage hat 2008 in Cadarache in Südfrank- reich begonnen und soll etwa 10 Jahre dauern. Der Reaktor wird aus ovalen Segmenten zusammengesetzt, um die sich die Spulen extrem starker Elektromagneten winden werden. Zwei Magnetfelder halten das extrem heiße Plasma in der Schwebe. 4.8 Brennstoffzelle Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde schon 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt, indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sau- erstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Span- nung feststellte. 8_4.8_1 Aufgrund der Erfindung der Dynamo- maschine durch Werner von Siemens geriet die von ihm als „Galvanische Gas- batterie“ bezeichnete Brennstoffzelle zunächst in Vergessenheit. Die Dynamomaschine war, in Verbindung mit der Dampfmaschine, bezüglich Brenn- stoff und Materialien deutlich einfacher und unkompli- zierter zu betreiben. Eine Renaissance erlebte die Brenn- stoffzelle ab den 1950er Jahren mit der beginnenden Raumfahrtforschung. Sie gewinnt seitdem kontinuierlich an 8_4.8_2\nRessourcen Bedeutung. In Island wird sie im Zuge der eingeführten Wasserstoffwirtschaft bald flächendeckend eingesetzt. Die momentan leistungsfähigste stationäre Brennstoffzelle ist eine Hochtemperatur-Wasserstoff-Sau- erstoff-Brennstoffzelle und steht im For- schungszentrum Jülich. Brennstoffzellen gelten als Energiewand- ler der Zukunft, denn sie erreichen bei besonders niedrigen Schadstoffemissionen besonders hohe elektrische Wirkungsgrade und einen hohen Gesamtnutzungsgrad bei gleichzeitiger Wärmenutzung. Sie können mit Wasserstoff, mit kohlenwasserstoffhal- tigen Brennstoffen oder direkt mit Methanol betrieben werden und sind sowohl für die dezentrale Strom- und Wär- meversorgung als auch für den Antrieb von Elektrofahr- zeugen geeignet. 8_4.8_3 30 W B n E / x u l l a C : e l l e u Q i g a l r e V a d e M n e s s i W / e c n a i l l a - e r u t c i p : e l l e u Q Aufbau einer Brennstoffzelle Elektromotor Sauerstoffzufuhr Hydroxid- ionen Wasserstoffzufuhr Wasserstoffionen Wasserabfluss Die Wasserstoffatome geben Elektronen an die Elektrode ab. Diese ist dadurch nega- tiv aufgeladen. Die Sauerstoffmoleküle spalten sich mit Hilfe eines Katalysators und reagieren mit den Wasserstoffionen. Sie entziehen die zweite Elektrode dabei Elekt- ronen, laden sie also positiv auf. Verbindet man die Elektroden, so fließt Strom. 8_4.8_4 Im Fahrzeugbereich sind bereits mehrere hundert Autos und Busse in der Alltags- erprobung. Im Jahr 2008 startete das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) gemeinsam mit neun Part- nern aus der Wirtschaft den bundesweit größten Pra- xistest von Brennstoffzellen-Heizgeräten für Eigenheime namens Callux. Im Rahmen des Nationalen Innovations- programms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnolo- gie investiert die Industrie gemeinsam mit dem BMVBS 1 Mrd. Euro in diese Entwicklung der innovativen Tech- nologie. Japan hat in der Hausenergie- versorgung bereits mit der ersten Phase der Markteinführung (mehrere Tausend Geräte) begonnen. 8_4.8_5 Wenn man es nicht besser wüsste, könnte man den grauen mannshohen Blechkasten auf den ersten Blick mit einem Gefrierschrank verwech- seln, dessen Türen allerdings die Griffe fehlen. Dass eine Brennstoffzelle heute so aussieht, ist schon ein großer Fortschritt. Noch vor wenigen Jahren hatte eine Anlage rund 350 kg Gewicht, war dreimal so groß und konnte nur in einem Stück geliefert werden.\nSpeicherung 5 Speicherung zum Ausgleich von Energieangebot und Verbrauch Elektrizität ist sehr komfortabel, lässt sich aber nicht wirt- schaftlich sinnvoll speichern. Gerade Solar- und Wind- kraftanlagen sind abhängig vom aktuellen Wetter. Ist es also sehr sonnig, sollte der überschüssige Strom auf- gefangen werden, damit in der Nacht, wenn die Sonne nicht scheint, auch genug Strom vorhanden ist. In Deutschland ist ein umfangreicher Ausbau der erneu- erbaren Energien geplant. Bis zu 30 % der Stromversor- gung sollen sie bis zum Jahr 2020 leisten. Die vorhan- dene Infrastruktur der Stromnetze ist allerdings nicht auf den verstärkten Einsatz erneuerbarer Energien, d. h. für große Mengen unregelmäßig eingespeiste Energie ausgelegt. Deshalb gewinnt die Speicherung von elek- trischer Energie zunehmend an Bedeutung. Sie hilft, die fluktuierende Einspeisung erneuerbarer Quellen besser dem zeitlichen Bedarf anzupassen. 5.1 Pumpspeicherkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke pumpen zu Zeiten, in denen ein „Überschuss“ an elektrischer Energie vorhanden ist (in der Regel nachts), Wasser durch Rohrleitungen in ein hochgelegenes Speicherbecken (Oberbecken). Dieser See ist entweder natürlichen Ursprungs oder entsteht durch Aufstauen. Es gibt Oberbecken, die aus- schließlich durch Wasserpumpen gefüllt werden und solche, die auch durch natürlichen Zufluss gespeist werden. 8_5.1_1 Pumpspeicherkraftwerk Staumauer Oberes Speicher- becken Wasserschloss Druckrohrleitung Generator Turbine Strom Unteres Speicherbecken 8_5.1_2 Die Höhe der Speicherkapazität ist grundsätzlich abhängig von der speicherbaren Wassermenge und dem nutzbaren Höhenunterschied zwischen Oberbecken und der Turbine. Bei reinen Pumpspeicher- werken ist die Speicherkapazität meist so ausgelegt, dass die Generatoren ca. vier bis acht Stunden unter Volllast Strom produzieren können. 31 5.2 Druckluftspeicherkraftwerke 8_5.2_1 Ein Druckluftspeicherkraftwerk ist prinzipiell ein Gas- turbinenkraftwerk, das Spitzenlastenergie bereitstellt. Druckluftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerke werden auch kurz Luftspeicher-Kraftwerke oder nach der engli schen Bezeichnung Compressed Air Energy Storage, abge- kürzt CAES-Kraftwerke, genannt. Sie nutzen die Ener- gie, die in komprimierter Luft steckt. In Schwachlastzeiten wird mit einem elekt- risch angetriebenen Verdichter Druckluft in einer unterirdischen Kaverne gespei- chert. In Zeiten einer hohen Energienachfrage bei Spit- zenlast wird die Druckluft in eine Gasturbine geleitet, die wegen des fehlenden Verdichters ihre volle Leistung an den angekuppelten Generator abgeben kann. Da bei Expansion der Luft wieder Wärme zugeführt werden muss, um eine Vereisung der Turbinen zu vermeiden, wird immer eine Kombination aus Druckluftspeicher und Gasturbinenkraftwerk verwendet. Weltweit wer- den bislang nur in Deutschland und in den USA Kraft- werke dieses Typs betrieben. Eine Weiterentwicklung sind adiabate CAES mit Wärmespeichern, die einen so geringen Wärme- verlust haben, das keine zusätzliche Zufeuerung von Gas benötigt wird. 5.3 Elektrochemische Speicherung Nutzt man den erzeugten Strom zur Herstellung von Wasserstoff, erhält man ein speicherbares Zwischenprodukt von hoher Energiedichte. Über die Brennstoffzellentechnologie lässt sich dann aus diesem Wasserstoff wieder Strom gewinnen. In aktuellen Forschungsprojekten wird die Mög- lichkeit untersucht mit dem überschüssigen Windstrom Wasser in die Elemente Wasserstoff\nSpeicherung Kompressor Wärmespeicher Stromlieferung in Spitzenlastzeiten Strombezug in Schwachlastzeiten Elektromotor Luftturbine Generator möglich. Hier wird daran geforscht, durch verbesserte Materialien leistungsfähigere Batterien zu entwickeln, die auch gesamtwirtschaftlich relevante Reserven bilden können. Im Bereich der Elektrofahrzeuge werden derzeit große Fortschritte bei der Batterietechnik gemacht. E W R : e l l e u Q 32 5.5 Elektromobilität Sie ist eine wichtige Option, die zur Lösung der Energie- und Umweltprobleme wesentlich beitragen kann. Die Elektromobilität bietet wesentliche Energieeffizienzvor- teile und dadurch große CO2-Einsparpotentiale. Sie kann die Stromnetzstabilität verbessern, da sie potenzielle Speichervolumina für die steigenden fluktuierenden Ein- speisungen aus erneuerbaren Energien bietet. Das setzt aber kostengünstige Batteriespeicher voraus (s.o.). Ein Hybridelektrokraftfahrzeug ist ein Kraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor und einem weiteren Energiewandler angetrieben wird. Die Energie bezieht es sowohl aus einem Kraftstofftank als auch aus einer Bat- terie. Der heutige Stand der Technik im Bereich elektro- chemischer Energiespeicher ist für den breiten Einsatz in der Elektromobilität noch nicht gerüstet. Die Forschung richtet sich hier besonders auf die Ent- wicklung leistungsfähiger Batterien und den Aufbau der nötigen Infrastruktur für das Lademanagement. 8_5.5_1 l r e m a D i G A : e l l e u Q Einspeichern der Druckluft Ausspeichern der Druckluft Druckluft Kaverne In einem Druckluftspeicherkraftwerk wird – zu Zeiten eines hohen Stromange- bots – Luft komprimiert und zur Speicherung in unterirdische Kavernen gepresst. Diese Druckluft kann im Bedarfsfall zur Stromerzeugung genutzt werden. 8_5.3_1 und Sauerstoff zu spalten. Der gewon- nene Wasserstoff wird in einer Versuchs- anlage in Stahlflaschen gefüllt. Bei Bedarf wird damit eine Brennstoffzelle betrie- ben, die aus dem Wasserstoff Strom erzeugt. Auf diese Weise kann die zurück gewonnene Energie ins Netz ein- gespeist werden, wenn sie gebraucht wird, aber Wind- stille herrscht. Dieses Verfahren, Strom in Wasserstoff zu speichern, kann die Eigenschaften von Windenergie- anlagen mit den Fähigkeiten des Wasserstoffs verbinden. Um Wasserstoff verstärkt als Energieträger zu nutzen, ist es notwendig, effektive und sichere Speicherverfahren zu entwickeln. Druck und Flüssiggasspeicherung gehören heute zum Stand der Technik. Eine Alternative zu den konventionellen Verfahren ist die chemische Speicherung von Was- serstoff in Niedertemperatur- und Hochtemperaturmetallhydriden. 5.4 Batteriespeicher Für den Hausgebrauch lassen sich kleine Mengen Strom in Batterien speichern. Großräu- mig ist dieses derzeit noch nicht Die beiden gezeigten Komponenten der Mercedes-Benz S-Klasse S 400 HYBRID sind ein Hybrid- modul und eine Lithium-Ionen-Batterie. Bei dem kompakten Hybridmodul handelt es sich um einen scheibenförmigen, zwischen Verbrennungsmotor und Siebenstufen-Automatik 7G-TRONIC integrierten Elektromotor, der auch als Anlasser und Lichtmaschine dient. Die verwendete Lithium- Ionen-Batterie hat kompaktere Abmessungen sowie ein geringeres Eigengewicht als herkömm- liche Nickel-Metallhydrid-Batterien. Zudem bietet sie eine höhere Energiedichte und einen besse- ren elektrischen Wirkungsgrad.\nVernetzung 6 Neue Formen der Vernetzung des Gesamtsystems Der beginnende Ausbau des Stromnetzes markiert bereits ein neues Verständnis der Stromversorgung. Das Bemühen um CO2-arme Erzeugung und der Aus- bau der erneuerbaren Energien sowie verbesserte Effi- zienz der Nachfrager bringen neue Anforderungen an Netzstruktur und den Netzbetrieb, da sich die Zahl der Einflussgrößen deutlich erhöht hat. Erneuerbare Energien stehen nicht überall gleichermaßen zur Ver- fügung. Insofern konzentrieren sich die Anlagen an den wenigen günstigen Standorten wie z. B. bei Wind in Norddeutschland. Der Strom muss dann über weite Strecken zu den Verbrauchszentren transportiert wer- den. Hierfür sind neue Hochspannungsleitungen, ähn- lich wie Autobahnen, nötig. Im Verteilnetz kann durch eine bessere Abstimmung zwischen Verbrauchern und Erzeugern das System gleichmäßiger und damit effizi- enter genutzt werden. Um die vielschichtigen Anforderungen nur einmal kurz in den Blick zu nehmen: Die Stromversorgung der Zukunft muss auf Kundenwünsche flexibel reagieren können, den Netzzugang für alle Strom- erzeugungsanlagen unterschiedlicher Größe und 8_6.0_1 Vision eines Netzes der Zukunft 33 Standorte garantieren und allen Marktteilnehmern glei- che politische, wirtschaftliche und technische Rahmen- bedingungen bieten. Dies schließt Markzugangsregeln, staatliche Förderung und Umweltstandards ein. Derzeit anstehende Neuinvestitionen in Kraftwerke und Netze sind Festlegungen für viele Jahrzehnte. Daher müssen bereits heute Visionen der Zukunft in diese Ent- scheidungsprozesse einfließen. Der aktuellen Energiefor- schung kommt dabei eine besondere Bedeutung und Ver- antwortung zu. Sie muss diesen Visionen einer strategisch neu ausgerichteten Energielandschaft Rechnung tragen. 6.1 Intelligente Netze Den Versorgungsnetzen wird heute eine ganz neue Bedeutung für die Energieeffizienz eingeräumt. Hier findet derzeit ein weltweiter Paradigmenwechsel statt. Die künftige Integration zehntausender kleiner, weit verteilter Energieerzeuger, wie Windkraft-, Solar-, Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen und Brennstoffzellen in die Versorgungsnetze wird eine große Rolle im Energiemix spielen – bis hin zum direkten Zusammenwirken. Die Energieversorgung wird zu einem gegenseitigen Geben und Nehmen. Wasser- kraftwerk Pumpspeicher- kraftwerk Solar- kraftwerk Biomasse- kraftwerk Off-shore- Windpark CO2-armes Kraftwerk Transfor- mator Hochspannungs- übertragung Fotovoltaik- anlagen Solaranlagen Erdkabel für Kommunikation und Stromversorgung KWK Nachfrage gesteuertes Management Parkhaus für Elektroautos Kleinststrom- speicher Wärme- speicher supraleitende magnetische Energiespeicher Brennstoff- zellen Wetter- vorhersage lokales Netz Wellen- kraftwerk Wasserstoff- herstellung und Tankstelle Wasserstoff- speicher\n34 Vernetzung Um das sogenannte System intelligenter Netze zu steu- ern, müssen Informations- und Kommunikationssysteme entwickelt werden. Als neue Dimension werden zum Beispiel die Verbraucher ihren individuellen Bedarf je nach Tageszeit an die Versorger kommunizieren (natür- lich weitgehend automatisiert). Die Stromnachfrage erhält dadurch mehr Flexibilität und verändert sich auch in Abhängigkeit von Preis und Verfügbarkeit. Auf diese Weise kommt es zu einem Ausgleich der Last im Tages- verlauf. Intelligente Netze bieten durch Anwendung aktueller Technologien erweiterte Möglichkeiten einer flexiblen Anpassung von Erzeugung, Netzführung, Speicherung und Verbrauch an die wechselnden Anforderungen der Energiemärkte. Zentrale und dezentrale Ansätze werden mit Informations- und Kommunikationstechnik, Mess-, Steuer- und Regelungstechnik und moderne Bauweisen und Methoden des Netzbetriebs kombiniert. Der Vorteil dieser aufwendigen Technik liegt darin, dass Verbraucher und Erzeuger in ständigem Austausch ste- hen und so ihr Verhalten aufeinander abstimmen kön- nen. Über einen im Tagesablauf flexiblen Preis erfährt der Verbraucher, wann Strom in großem Ausmaß zur Verfügung steht – z. B. durch hohe Windenergieein- speisungen – und kann so seinen Energiebedarf dar- auf einstellen. Hohe Preise signalisieren Knappheit und der Verbraucher wird angeregt, Geräte vom Netz zu nehmen. Dieser Vorgang kann vollkommen automa- tisch ablaufen, wenn die Geräte selbst mit der Erzeu- gung kommunizieren. Eine Kühltruhe lädt sich dann nur auf, wenn Strom aufgrund günstiger Wetterlagen oder schwacher Last in der Nacht besonders preiswert ist. Auf diese Weise kommt es zu einem Ausgleich der Lastspitzen und insgesamt einem effizienteren Energie- einsatz. Ein solches System wird aber nicht von einem Tag auf den anderen nutzbar sein, sondern muss sich erst ent- wickeln. Entscheidende Voraussetzung sind u.a. elekt- ronische Zähler, die bereits verfügbar sind und sich auch im Alltagsbetrieb schon bewährt haben. Bis 2011 sollen diese neuen Geräte in allen Neubauten eingesetzt wer- den. Wir sehen an diesem Beispiel: Die künftige Vision kann sich nur aus der heutigen Realität entwickeln. Daher muss der gleichzeitige Betrieb von altem und neuem System möglich sein. Folgende Maßnahmen sind erforderlich zur Entwicklung des intelligenten Netzes der Zukunft: Als virtuelles Kraftwerk bezeichnet man die Ver- netzung vieler kleiner Anlagen, die der dezen- tralen Stromerzeugung dienen. Sie müssen von außen über ein zentrales Leitsystem steuerbar sein (Dezentrales Energiemanagement-System). Geeignete Stromerzeuger sind Brennstoffzel- len und andere Maschinen zur Kraft-Wärme- Kopplung wie Mikrogasturbinen, Gasmotoren und Gasturbinen. Virtuelle Kraftwerke lassen sich – als Ergänzung und Entlastung der zentra- len Stromerzeugung in Großkraftwerken – zur Abdeckung von Bedarfsspitzen nutzen: In Zei- ten, in denen der Verbrauch steil ansteigt, kön- nen die dezentralen Anlagen über das Leitsys- tem genutzt werden. Analyse, welche technischen Lösungen schnell und kostengünstig umgesetzt werden können, um alle Energiequellen nutzen zu können. Konsolidierung der politischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen in Europa. Einführung gemeinsamer technischer Standards für den Netzbetrieb. Entwicklung eines Informations- und Telekommunika- tionssystems. Sicherstellung des harmonischen Betriebs von alter und neuer Netzstruktur. 6.2 Elektronische Zähler Ein intelligentes Netz ist ohne elektronische Verbrauchs- zähler nicht denkbar. Und hier hat die Zukunft bereits begonnen. In Italien, Schweden, Kanada, den USA, der Türkei, Australien, Neuseeland und den Nieder- landen wurden intelligente Zähler bereits in größerem Umfang installiert bzw. ihre Einführung beschlossen. In Deutschland sind elektronische Zähler ab 2010 in Neu- bauten und bei Totalsanierungen Pflicht. Derzeit werden deutschlandweit elektronische Zähler in Pilotprojekten bei Energieversorgern getestet. Im Gegensatz zu den alten, schwarzen Drehstromzäh- lern, den Ferraris-Zählern, machen digitale Stromzäh- ler die jährlichen Besuche des Ablesers überflüssig, da die Zählerdaten elektronisch an den Anbieter übermit- telt werden – beispielsweise über das Internet. Außer- dem kann die Höhe der Strombedarfe, z. B. Lastspit- zen, er kannt, gespeichert und zu Rechnungszwecken ausgewertet werden.\na p d / e c n a i l l a - e r u t c i p : e l l e u Q Waschmaschine) in Nebenzeiten mit günstigeren Tarifen verschieben. Die Energieversorger können durch entsprechende Tarifgestaltung die Last besser planen, da die Kun- den motiviert werden, Strom möglichst außerhalb der Spitzenlastzeiten zu nutzen. 35 6.3 Hochspannungsgleichstrom- übertragungsnetze (HGÜ) Der Klimawandel treibt die europäische Stromerzeugung in Richtung CCS, erneuerbare Energien und Kernenergie. Erneuerbare Energien können aber nur an bestimmten Standorten wie in Südeuropa oder am Atlantik kosten- günstig produziert werden. Um den Strom zu den Ver- brauchern zu transportieren, sind dann größere Entfer- nungen zu überwinden. Dies ist mit der herkömmlichen Technik schwer möglich, da beim Wechselstrom ein Teil der Energie als Wärme verloren geht. Über weite Stre- cken ist dieser Verlust sehr hoch. HGÜ-Leitungen übertragen keinen Wechselstrom son- dern Gleichstrom. Dieser hat den Vorteil, dass er verlu- stärmer und über große Strecken transportiert werden kann. Bisher wird diese Technik z. B. in China verwen- det, wo der am Drei-Schluchtendamm erzeugte Strom über 8 000 kV-Leitungen transportiert wird. Für Europa werden Konzepte diskutiert, zusätzlich zum vorhandenen Stromnetz ein Hoch- spannungsgleichstromübertragungsnetz aufzubauen. 8_6.3_1 s n e m e S : e i l l e u Q Hochspannungs-Gleichstromübertragung (235-MVA-HGÜ-Leistungstransformator für die Strecke Australien – Tasmanien) Elektronischer Haushaltszähler Mögliche Funktionen der modernen Verbrauchsmesser: Anzeige des aktuellen Verbrauchs beispiels- weise über den PC. 8_6.2_1 Speicherung und Auswertung der Verbrauchsdaten. Anzeige der eingespeisten Energie (z. B. durch eine Fotovoltaik-Anlage des Kunden). Anzeige des aktuellen Tarifes oder zusätzlicher Infor- mationen des Versorgers. Automatische Zählerablesung durch den Energiever- sorger. Tarifwechsel. Programmierte Steuerung von einzel- nen elektrischen Haushaltsgeräten. Fernsteuerung von elektrischen Gerä- ten über ein Telekommunikationsnetz. Vorteile: Die Möglichkeit zur besseren Informa- tion über verbrauchte Menge und lau- fende Kosten sensibilisiert den Kunden für seinen Stromverbrauch. Der tatsächliche Verbrauch kann kurz- fristig (z. B. monatlich) abgerechnet werden. Der Energieversorger spart Kosten bei der Zählerablesung und die Gefahr des Stromdiebstahls verringert sich. Der Kunde kann seinen Stromver- brauch (z. B. Waschvorgänge mit der\nDie Stromversorgung ab 2020 wird wie folgt charakterisiert: Im Zentrum steht der Verbraucher: Interesse der Verbraucher am Marktgeschehen, an neu- en Produkten und Dienstleistungen. Flexiblere Nachfrage und flexiblere Tarife werden kom- biniert mit elektronische Verbrauchsmessung und Verbrauchsmanagement. In einer altern- den Gesellschaft steigen die Anforderungen an Komfort und Dienstleistungen. Die EU-Märkte sind vollständig liberalisiert und harmonisiert. Dezentrale Erzeugungs- und Anwendungs- technologien gewinnen an Bedeutung. Auf absehbare Zeit bleiben die zentrale sowie die konventionelle Stromerzeugung unver- zichtbar. Der Netzbetrieb wird auf lange länderüber- greifende Transportstrecken ausgelegt, um die Erzeugung aus Erneuerbaren von den Erzeugungsschwerpunkten zum Verbraucher zu bringen. Die Infrastruktur ist technisch auf dem neues- ten Stand. Intelligente Netze tragen gemein- sam mit Speichermöglichkeiten zur Versor- gungssicherheit bei. Energieeffizienz, Energiedienstleistungen und erneuerbaren Energien werden Kerngeschäfte für alle Versorgungsunternehmen sein. 36 Ausblick Vision: Fließende Rollenverteilung zwischen Verbrauchern und Erzeugern Die grundsätzliche Versorgungsrichtung vom Kraftwerk zum Verbraucher ist das Ergebnis eines hundertjährigen Optimierungsprozesses. Für die gegenwärtige flächen- deckende Belieferung mit elektrischer Energie lautet die Faustregel, dass etwa alle 50 Kilometer ein Großkraft- werk die Grundlast produziert, die für eine kontinuier- liche Versorgung sämtlicher Verbraucher unabdingbar ist. Im Laufe der vergangenen 20 Jahre hat aber die breiter gestreute „dezentrale“ Nutzung von Wind, Sonnenener- gie oder Biomasse die erneuerbaren Energien zu einem wichtigen Faktor der Versorgung mit Strom und Wärme gemacht. So werden heute deutschlandweit in rund 3 710 Biogasanlagen mehr als fünf Mrd. Kilowattstun- den Strom aus Biogas erzeugt. Das entspricht etwa 1 % der gesamten deutschen Stromerzeugung. Der Informationstechnologie kommt die Aufgabe zu, die vielen tausend kleinen Anlagen zur Energieerzeu- gung mit den großen zentralen Anlagen leistungsstark zu verknüpfen – damit das Versorgungsnetz stabil bleibt und energieeffizient gesteuert werden kann. Die Über- legungen gehen derzeit so weit, künftig auch Kühlhäu- ser oder Elektrofahrzeuge zur Netzstabilisierung heran- zuziehen. Die Perspektiven sind faszinierend und schon heute mehr als eine Wunschvorstellung. Solar- und Windkraftanla- gen, Brennstoffzellen, motorgetriebene Mikro-Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen, Kraftwerke, Energiespeicher und Leitungsnetze informieren einander in einer gemein- samen Sprache über den aktuellen Energiebedarf – und berücksichtigen auch schon den Bedarf des nächsten Tages. Diese hochkomplexen Steuerungssysteme gilt es weiterzuentwickeln und zu etablieren. Letztlich müssen staatliche Rahmenbedingungen so gesetzt werden, dass davon die richtigen Anreize für For- schung, Industrie und Verbraucher in Hinblick auf eine langfristig nachhaltige Energiewirtschaft ausgehen. Um diese Vision verwirklichen zu können, müssen viele gesellschaftliche Gruppen eng zusammen arbeiten: Ver- braucher, Netzbetreiber, Stromerzeuger, Technische Zulie- ferer, Forscher, Händler, Regulatoren und Behörden.\nAutoren Astrid Sonja Fischer, geboren 1969, arbeitet als freie Autorin und Journalistin in Berlin und ist auf energiewirtschaftliche Themen spezialisiert. Sie war acht Jahre beim Verband der Elektrizitätswirtschaft (VDEW)/ Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW), zunächst als stellvertretende Pressesprecherin und später als Leitende Redakteurin tätig. Die gelernte Groß- und Außenhandelskauffrau und Diplom-Volkswirtin studierte in Bochum und Köln. Wei- tere Stationen ihres Berufsweges waren die Bundesstelle für Außenhandelsinformation (bfai), Köln, Prognos, Basel, und Ferrostaal, Essen. Birgit Henrichs, geboren 1960, ist Bildungsreferentin beim BDEW. Zu Ihrem Aufgabenbe- reich gehört die Herausgabe der Lehrerhandreichungen und Unterrichtsmaterialien. Darüber hinaus die Anregung und Ver- netzung des Bildungsknowhows der Energie- und Wasserwirt- schaft. Die Kulturwissenschaft- lerin und Pädagogin studierte in Tübingen. Weitere Stationen ihres Berufsweges waren das Deutsche Tech- nikmuseum Berlin, das Ministerium für Bildung, Jugend und Sport des Landes Brandenburg und der Cornelsen Verlag in Berlin. Anmerkungen Die Abkürzung „LS“ steht für „Lernsequenzen“. Im Text des Heftes finden Sie Symbole, die auf ergän- zende Materialien hinweisen und deren Nummerie- rung folgendermaßen zu lesen ist: Die erste Ziffer steht für die Nummer des Heftes, die mittlere für das Kapitel und die letzte für die laufende Nummerierung innerhalb des Kapitels (z. B. 8_1.2_1: Heft 8, Kapitel 1.2, Abbildung 1). 8_1.2_1 Grafiken und Abbildungen 8_1.2_1 Tabellen und Diagramme 8_1.2_1 Arbeitsblätter und Aufgaben Impressum Herausgeber BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V. Reinhardtstraße 32 10117 Berlin Autoren und Redaktion Birgit Henrichs, Bildungsreferentin BDEW Astrid Sonja Fischer, freie Journalistin, Berlin Ansprechpartnerin Tatjana Holzenhauer, Bildung und Schule Tel.: 0 20 54 / 924 -120 Fax: 0 20 54 / 924 -159 E-Mail: tatjana.holzenhauer@ew-online.de Produktion INKA Medialine, Frankfurt am Main Illustrationen Atelier Lothar Reinhardt, Biebesheim am Rhein Druck Nino Druck GmbH, Neustadt an der Weinstraße Copyright EW Medien und Kongresse GmbH Kleyerstraße 88 60326 Frankfurt am Main www.ew-online.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne schriftliche Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt vor allem für Vervielfältigungen in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikros- kopie oder ein anderes Verfahren). Weiterhin sind Überset- zungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektro- nischen Systemen verboten. 1. Auflage (überarbeitet), Januar 2012 Bestell-Nr. 6750 28 Wir danken der Arbeitsgruppe „Lernsequenzen“ des Fach- aus schusses „Schulkommunikation“ des BDEW für ihre Unterstützung.\nDiese von Fachleuten aus der Energiewirtschaft zu sam men mit Pädagogen entwickelte Reihe zum Thema Energie ist für einen fächerüber greifenden Unterricht konzipiert. Die große Komplexität des Themenkreises Energie wird in acht Heften mit Begleitmaterial dargestellt, um wichtige Teilaspekte gesondert herauszuarbeiten. (auch in englischer Fassung erhältlich) (auch in englischer Fassung erhältlich) Heft 1 Energie: Der Begriff. Die Ressourcen. Der Bedarf Heft 2 Wärmekraftwerke Heft 3 Erneuerbare Energien Heft 5 Energieefﬁzienz Heft 6 Energie und Umweltschutz Heft 7 Ökonomie der Energiewirtschaft Heft 8 Zukunft der Stromversorgung Heft 9 Gaswirtschaft Perspektiven der Energieversorgung Der Ordner zu den Lernsequenzen mit 17 Lernstationen 8 2 0 5 7 6 . r N - l l e t s e B