Infokarten Energie - Lighthouse Foundation

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Erdwärme (Geothermie)
Nach unten hin wird es wärmer
Unsere Erde besitzt einen heißen Kern. Deshalb ist zu beobachten, dass die Temperatur ansteigt, je weiter man ins Erdinnere kommt. Das ist auch schon nach wenigen Metern festzustellen: 120 Meter unter dem Wattenmeerhaus herrscht das ganze Jahr über eine konstante
Temperatur von ca. 8-15 Grad Celsius. Durch diese oberflächennahe Geothermie kann mit
Hilfe einer Wärmepumpe schon Wärme für den Haushalt gewonnen werden.
Als Tiefengeothermie bezeichnet man die Nutzung der Erdwärme in Tiefen zwischen 400 und
5.000 Meter. Ab einer Temperatur von etwa 90 Grad Celsius kann dort Strom erzeugt werden.
Das Prinzip der Wärmepumpe
Eine Trägerflüssigkeit wird in die Tiefe zur Erdwärmesonde geleitet. Diese Flüssigkeit ist ähnlich wie ein Frostschutzmittel, so dass sie Wärme besser transportieren kann. In der Tiefe
nimmt die Flüssigkeit die Wärme der Umgebung gut auf und steigt dann wieder nach oben.
Dort wird sie durch einen Verdichter zusammen gedrückt und durch diesen Druck entsteht
noch zusätzliche Wärme. Das führt dazu, dass die Flüssigkeit verdampft und gasförmig wird,
da sie einen niedrigen Siedepunkt hat. Über einen Wärmeaustauscher (das ist eine Spirale,
die durch den Pufferspeicher läuft) wird die Wärme auf das Wasser im Pufferspeicher übertragen. Durch die abgegebene Wärme ist die Trägerflüssigkeit nun wieder flüssig und fließt zurück nach unten zur Erdsonde.
Die gewonnene Wärme kann nun in das Heizungssystem des Hauses eingebracht werden:
Das Wasser aus dem Pufferspeicher läuft direkt durch das ganze Heizsystem und wird vorher
noch auf die gewünschte Temperatur eingestellt.
Als warmes Trinkwasser wird nicht das Wasser direkt aus dem Pufferspeicher genommen,
sondern eine Frischwasserleitung durchläuft den Speicher und wird dort aufgewärmt. Da die
Wärmepumpe natürlich nicht ganz von allein arbeitet, braucht sie einen eigenen Motor, der
mit Strom betrieben wird.
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Vor- und Nachteile
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Der Vorrat an Erdwärme ist nahezu unendlich und Geothermie kann grundsätzlich standortunabhängig genutzt werden. Außerdem ist die Erdwärme nicht von Jahreszeiten oder vom
Klima abhängig. Überschüssige Wärme kann gespeichert werden, so ist man von der unsicheren Entwicklung des Erdöl-Marktes unabhängig, und beschränkt verfügbare Energieressourcen werden geschont.
Allerdings muss man beim Einbau einer Wärmepumpe einiges mit bedenken: Die CO2-Bilanz
ist nur dann positiv, wenn man zum Betreiben der Wärmepumpe Ökostrom verwendet. Des
weiteren entstehen hohe Anfangsinvestitionen, da die Grundausstattung sehr teuer ist. Außerdem läuft eine Erdwärme-Heizung nur langsam warm.
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Solarstrom (Photovoltaik)
Die Sonne steht als Energiequelle unbegrenzt, umweltfreundlich und kostenlos zur Verfügung. Aus dem Sonnenlicht können Strom und Wärme gewonnen werden. Für die Gewinnung von Solarstrom befinden sich auf dem Dach des Nationalpark-Seminarhauses 27 Solarmodule.
Photovoltaikanlagen für Solarstrom
Photovoltaikanlagen wandeln die Sonnenstrahlung mittels Solarzellen in elektrische Energie
um. Dafür wird der fotoelektrische Effekt genutzt. Dieser besagt, dass Licht, das auf ein Metall
einstrahlt, durch die Strahlungsenergie Elektronen freisetzt, die dann frei herumschweben.
Licht fällt also auf die Photovoltaikzelle, welche aus mindestens zwei Schichten eines Halbleiters besteht. Dieser Halbleiter ist in den meisten Fällen Silizium, das Element, das nach Sauerstoff am zweithäufigsten in der Erdkruste vorkommt. Durch den Lichteinfall werden Elektronen auf dem Halbleiter freigesetzt und es kommt zu einem Stromfluss.
Der entstandene Gleichstrom von jeder einzelnen Solarzelle wird mit dem der anderen Zellen
zusammengefasst und in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Dieser Strom
kann nun ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden, da man dafür eine Vergütung pro Kilowattstunde Strom erhält. Den Strom, den man selbst braucht, erhält man dann ebenfalls aus
dem öffentlichen Stromnetz.
Voraussetzungen für den Bau einer Photovoltaikanlage
Um die maximale Energieerzeugung einer Photovoltaik-Anlage zu erzielen, sind eine Dachausrichtung nach Süden und eine Neigung von ca. 30° erforderlich. Abweichungen nach Westen oder Osten (bis max. 45°) sind zulässig, verringern den Ertrag aber geringfügig. Außerdem sollte die Fläche ganzjährig unbeschattet sein, und man sollte einen Anschluss an das
öffentliche Stromnetz besitzen, um den produzierten Strom einspeisen zu können. Es gibt allerdings auch sogenannte „Inselanlagen“, die diesen Anschluss nicht benötigen.
Vor- und Nachteile
Da die Sonne eine für den Menschen unerschöpfliche Energiequelle darstellt und die Solarenergie somit frei zur Verfügung steht und nichts kostet, ist dies einer der größten Vorteile für
die Photovoltaik. Die lange Lebensdauer von ca. 20 bis 25 Jahren ist ebenfalls ein großer
Vorteil einer Photovoltaikanlage, zudem ist diese zum größten Teil wartungsfrei und verursacht nach der Anbringung keine weiteren Kosten. Außerdem erhält man für zu viel produzierten Strom eine Einspeisevergütung. Auch bei geringer Sonneneinstrahlung kann die Photovoltaikanlage Licht in Strom umwandeln.
Ein Nachteil der Photovoltaikanlagen ist, dass die Stromproduktion von Tageszeit und Wetter
abhängig ist. Dadurch ist eine Energiespeichervorrichtung erforderlich. Außerdem ist der Flächenbedarf verhältnismäßig groß. Beachten sollte man ebenfalls, dass die Herstellung von
Photovoltaikzellen sehr energieaufwändig und mit beträchtlichen Schadstoff-Emissionen verbunden ist.
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Solarwärme (Solarthermie)
Was ist Solarthermie?
Sonnenlicht wandelt sich beim Auftreffen auf Oberflächen in Wärme um. Je dunkler die getroffene Fläche, desto mehr Wärme entsteht. Die Solarthermie macht sich diesen Effekt zu
Nutze und ist somit eine gute Möglichkeit, die Wärme der Sonne direkt nutzbar zu machen.
Schon in der Antike wurde dieses Verfahren angewandt, denn Brenn- und Hohlspiegel gab es
schon zu dieser Zeit. Heute gibt es Solarthermieanlagen, die zum einen das Brauch- und
Trinkwasser erwärmen und zum anderen auch die Heizung unterstützen.
Welche Arten von Kollektoren gibt es?
Um die Wärme der Sonne nutzbar zu machen, gibt es verschiedene Arten von Kollektoren.
Bei Flachkollektoren befinden sich in einem wärmegedämmten Kasten hinter einer Scheibe
aus speziellem Glas auf schwarzen Blechen kleine Röhrchen, durch die eine Trägerflüssigkeit
(ein Absorber) zirkuliert. Diese kann durch die Sonne auf hohe Temperaturen erhitzt werden.
Auch bei Vakuumröhrenkollektoren befindet sich diese Flüssigkeit in Glasröhren, jedoch haben diese ein Vakuum, was vor Wärmeverlust schützt. Sie arbeiten meist effektiver, sind aber
auch teurer.
Wie funktionieren Vakuumröhrenkollektoren?
Durch die Einstrahlung der Sonne wird die Trägerflüssigkeit erhitzt und nach unten zu einem
Pufferspeicher geleitet. Dieser ist mit Wasser gefüllt und durch den Wärmeaustauscher (das
ist eine Spirale, die durch den Pufferspeicher läuft) wird die Wärme der Solarthermieanlage
auf das Wasser im Pufferspeicher übertragen und kann damit gespeichert werden. Dieses
Wasser durchläuft nun das gesamte Heizsystem und muss vorher nur noch auf die gewünschte Temperatur eingestellt werden. Als warmes Trinkwasser wird natürlich nicht das
Wasser aus dem Pufferspeicher genommen, sondern eine Frischwasserleitung durchläuft den
gesamten Speicher, die dadurch aufgewärmt wird. Sollte das Wasser die gewünschte Temperatur noch nicht erreicht haben, kann eine zusätzliche Wärmepumpe diese noch einmal erhöhen.
Wie viel Sonne brauchen wir?
Bei vollem Sonnenschein kann in den Röhren durchaus eine Temperatur von 90°C entstehen,
aber auch bei geringer Sonneneinstrahlung können die Kollektoren schon ziemlich viel leisten. Auch im Winter bei Minusgraden kann aufgrund des Vakuums Wärme gewonnen werden, vorausgesetzt es scheint die Sonne. Trotzdem ist diese Wärmequelle natürlich sehr von
der Strahlungsintensität abhängig.
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Vor- und Nachteile einer Solarthermieanlage
Der größte Vorteil ist natürlich, dass die Sonne kostenfrei und unendlich zur Verfügung steht.
Eine Solarthermieanlage trägt dadurch zum Klima- und Umweltschutz bei. Auch im Winter
kann Wärme produziert werden, auch wenn es draußen kalt ist. Obwohl die Anfangskosten
sehr hoch sind, bleiben die Wartungskosten gering.
Allerdings ist Solarthermie von Tageszeit und Wetter abhängig und man benötigt einen Pufferspeicher, um überschüssige Wärme zu speichern.
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Wasserkraft
Wasserkraft - früher und heute
Die Nutzung des Wassers hat eine lange Tradition. Schon im alten Ägypten und im römischen
Reich wurde die Wasserkraft als Antrieb für Arbeitsmaschinen wie Getreidemühlen genutzt.
Im Mittelalter wurden Wassermühlen im europäischen Raum für Säge- oder/und Papierwerke
eingesetzt.
Seit Ende des 19. Jahrhunderts wird die Wasserkraft zur Stromerzeugung genutzt. In
Deutschland war sie lange Zeit die bedeutendste regenerative Energiequelle. Seit 2004 wird
hierzulande allerdings mehr Strom aus Wind als aus Wasserkraft gewonnen. Heute ist die
Wasserkraft eine ausgereifte Technologie und weltweit nach der traditionellen Biomassenutzung die am meisten genutzte erneuerbare Energiequelle. Sie steht rund um die Uhr zur Verfügung und kann auch als Energiespeicher genutzt werden. Im Jahr 2007 erzeugten Wasserkraftanlagen etwa 20,1 Milliarden Kilowattstunden Strom. Das entspricht einem Anteil von
3,5% am gesamten deutschen Stromverbrauch.
Wasserkraftwerke
Die Grundlage für die Wasserkraftnutzung ist der natürliche Wasserkreislauf mit den Faktoren
Verdunstung, Niederschlag und Wasserablauf. Der über die Flüsse abfließende Teil der Niederschläge wird zur Energiegewinnung genutzt. Die Energie einer Wasserströmung kann Arbeit verrichten. Dies wird in Wasserkraftwerken genutzt. Dort wird Flusswasser gestaut und
durch das Maschinenhaus geleitet. Durch die Bewegungsenergie des Wassers wird eine Turbine angekurbelt. Ein Generator wandelt die mechanische Energie der Turbine in Strom um.
Auf der Rückseite des Maschinenhauses fließt das Wasser wieder als Fluss zusammen. Umgehungsgewässer oder eine Fischtreppe ermöglichen Fischen das Passieren des Wehrs. In
Wasserkraftwerken werden hohe elektrische Wirkungsgrade von über 90 % erreicht. Die erzeugte Strommenge hängt in erster Linie von der Menge des fließenden Wassers und der Höhendifferenz ab. Je nach Volumenstrom und Fallhöhe kommen unterschiedliche Turbinen
zum Einsatz. Ist die Fallhöhe zu gering, ist der Bau eines Wasserkraftwerkes jedoch nicht
sinnvoll.
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Meeresenergie
Während die Nutzung der Wasserkraft an Flüssen eine sehr lange Geschichte hat, ist die
Energiegewinnung aus dem Meer dagegen eine sehr neue Entwicklung. Die Strömungen, die
im Meer vorkommen, können auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Es gibt große Meeresströmungen, wie etwa den Golfstrom, die Strömung von Ebbe und Flut und die Strömung
einzelner Wellen. Für jede dieser Strömungsarten sind spezielle Kraftwerke im Einsatz, z.B.
Wellenkraftwerke, Gezeitenkraftwerke oder Strömungskraftwerke. Zurzeit wird diese Form der
Energiegewinnung jedoch noch erprobt. Für die Zukunft ist allerdings der Bau von 70.000
Wellen-, Gezeiten- und Strömungskraftwerken weltweit geplant.
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Vor- und Nachteile
Der hohe Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage und die lange Lebensdauer mit der einfachen und bewährten Technologie sprechen eindeutig für die Nutzung der Wasserkraft, um
natürliche Ressourcen zu schonen und keine Abgase zu erzeugen. Obwohl zu Beginn hohe
Investitionskosten anfallen, sind die Betriebskosten jedoch sehr niedrig, da die Erfordernisse
an Wartung und Bedienung gering sind.
Nachteilig ist allerdings, dass durch Wasserkraftwerke drastische Eingriffe in die Natur vollzogen werden, sodass zum Beispiel ökologisch wertvolle Lebensräume überstaut und damit
zerstört werden oder Wanderfische nicht mehr in ihr Laichgebiet gelangen können.
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Windenergie
Wie entsteht Wind?
Sonnenstrahlen erwärmen die Erde und die bodennahe Luft. Dabei entstehen regional große
Temperatur- und Druckunterschiede in der Atmosphäre. Erwärmte Luft steigt auf (Hochdruckgebiete) und sinkt über kühleren Gebieten wieder ab (Tiefdruckgebiete). Je größer das Luftdruckgefälle zwischen diesen Gebieten ist, desto stärker ist der Wind. Natürlich haben auch
noch die Geländeoberfläche und die Erdrotation Einfluss auf die Windstärke und -richtung. Die
Windgeschwindigkeit wird außerdem erheblich durch Hindernisse wie Gebäude herabgesetzt
und nimmt beim Überströmen von Geländekuppen oder Bergen deutlich zu. Die Nutzung des
Windes als Antriebsenergie hat eine lange Tradition. Windmühlen wurden zum Mahlen von Getreide oder als Säge- und Ölmühle eingesetzt. Moderne Windenergieanlagen gewinnen Strom
aus der Kraft des Windes. Sie nutzen den Auftrieb, den der Wind beim Vorbeiströmen an den
Rotorblättern erzeugt.
Windkraft in Deutschland
Die Stromerzeugung aus Windenergie hat innerhalb weniger Jahre stark zugenommen. Die in
Deutschland installierten Windenergieanlagen produzierten 2007 etwa 40 Milliarden Kilowattstunden Strom. Damit deckt die Windenergie heute 6,4 % des gesamten Stromverbrauchs und
liefert daher den größten Beitrag zur Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien in Deutschland. Das Potenzial der Windenergie ist jedoch noch nicht ausgeschöpft. Das so genannte „Repowering“, also der Austausch von älteren durch modernere und leistungsfähigere Anlagen,
und die Windenergienutzung auf dem Meer bieten weitere Perspektiven für die Zukunft.
Windkraftanlagen an Land (Onshore)
Um Strom zu gewinnen, wird die Bewegungsenergie des Windes von den Rotorblättern der Anlage in eine Drehbewegung umgewandelt, die einen Generator im Innern der Gondel antreibt ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo. Ausschlaggebend für den Ertrag sind die Bauart der Rotorblätter sowie die Windgeschwindigkeit. Bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit
kann sich die Leistung der Anlage sogar verachtfachen.
Windenergie auf See (Offshore)
Mit „Offshore-Windenergie“ bezeichnet man die Stromerzeugung aus Windkraft auf dem Meer.
In Nord- und Ostsee stehen bereits Offshore-Windparks in den Gewässern Dänemarks, Großbritanniens, Schwedens und der Niederlande. Sie sind durch Seekabel mit dem Stromnetz verbunden. Die überdurchschnittlichen Windgeschwindigkeiten auf See ermöglichen große Energiepotenziale. Bislang drehen sich hierzulande zwei Einzelanlagen im Wasser, eine in der Emsmündung und eine vor Rostock. Beide Anlagen stehen in Ufernähe und dienen dazu, Erfahrungen zu sammeln, die in den Bau größerer Windparks auf dem Meer einfließen. „Alpha Ventus“
heißt das erste größere Offshore-Projekt, mit dessen Bau im Sommer 2008 begonnen wurde.
Wind ist ein Rohstoff, den es immer geben wird und Windenergie zeichnet sich durch eine gute
CO2-Bilanz aus, da keine Emissionen anfallen. Außerdem führt sie langfristig zu einer gesteigerten energiepolitischen Unabhängigkeit und schafft neue Arbeitsplätze, z.B. bei der Planung,
Herstellung oder Wartung von Windkraftanlagen. Windenergie hat nicht nur Vorteile, sondern
auch einige Nachteile, da Wind unstetig ist und sich nur relativ schlecht kalkulieren lässt.
Außerdem lässt er sich nicht speichern, sondern muss direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Deshalb müssen derzeit immer noch zusätzliche Energiequellen vorhanden sein,
und die Windenergie kann nicht dauerhaft und konstant den kompletten Energiebedarf einer
Region abdecken. Für einige Menschen bedeutet der Bau von Windkraftanlagen auch die Beeinträchtigung des Landschaftsbildes. In der Relation zu den Vorteilen der Windenergie, ist dieser Nachteil jedoch hinnehmbar, vor allem dann, wenn die Planung zukünftiger Windparks
verstärkt in Richtung Offshore-Windparks geht.
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Vor- und Nachteile der Windenergie...
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