Als erneuerbare Energien - clasa-11c

Fossile Energie
Fossile Energie wird aus Brennstoffen gewonnen, die in geologischer Vorzeit aus Abbauprodukten
von toten Pflanzen und Tieren entstanden sind. Dazu gehören Braunkohle, Steinkohle, Torf, Erdgas
und Erdöl. Man nennt diese Energiequellen fossile Energiequellen oder fossile Brennstoffe (zur
Bezeichnung siehe Fossil). Dagegen wird Biomasse aus Holz und weiteren neuzeitlichen organischen
Abfällen und Überresten gewonnen.
Fossile Energieträger basieren auf dem Kohlenstoffkreislauf und ermöglichen damit gespeicherte
(Sonnen)energie vergangener Zeiten heute zu verwerten. Die technische Erschließung von fossilen
Brennstoffen, zunächst fast ausschließlich Kohle, ermöglichte das kontinuierliche
Wirtschaftswachstum seit der Industriellen Revolution.[2] Im Jahr 2005 wurden 81 % des weltweiten
Energiebedarfs aus fossilen Quellen gedeckt.[3]
Der Energiegehalt der aufgeführten fossilen Brennstoffe basiert auf dem Kohlenstoff-Gehalt. Bei der
Verbrennung mit Sauerstoff werden Energie in Form von Wärme und Oxide freigesetzt, darunter
immer Kohlenstoffdioxid. Daher ist die Verbrennung fossiler Energieträger sowohl lokal wie auch
global „in hohem Maße umweltbelastend“.[4] Fossile Energieträger sind die Hauptquelle von
menschengemachten Treibhausgasemissionen und damit der globalen Erwärmung.[5] Je nach
Zusammensetzung und Reinheit des fossilen Brennstoffes entstehen auch andere chemische
Verbindungen wie Stickstoffoxide und Ruß sowie unterschiedlich feine Stäube.
Der Gegenbegriff zu fossiler Energie ist erneuerbare Energie. Sie wird energetischen Prozessen
entnommen, die sich laufend erneuern. Zu den erneuerbaren Energien gehört vor allem die Nutzung
der Windenergie, der Sonneneinstrahlung (Sonnenkollektoren und Solarzellen) und der
Gewässerströmungen und die energetische Verwertung von Biomasse, aber auch die Nutzung der
Gezeiten und der Erdwärme.
Fossile Energieträger
Kohlenwasserstoffe
Erdöl
Erdöl ist ein in der Erdkruste eingelagertes, hauptsächlich aus langkettigen Kohlenwasserstoffen
bestehendes homogenes und lipophiles Stoffgemisch. Es entstand aus abgestorbenen
Kleinstlebewesen (mehrheitlich einzelligen Algen), die auf dem Meeresgrund in sauerstofffreiem
Wasser als an organischen Verbindungen angereicherter Schlamm abgelagert wurden. Weil die
Umwelt in geologischen Zeiträumen teils drastischen Änderungen unterworfen ist, stoppte
irgendwann die Sedimentation der Algenschlämme und diese wurden von anderen Sedimenten
überlagert.
Der Auflastdruck der überlagernden Sedimentschichten sorgte für eine Kompaktion des Schlammes
zu einem feinkörnigen Sedimentgestein. Durch kontinuierliche Absenkung der regionalen Erdkruste –
diese ermöglichte erst die Ablagerung weiterer Schichten auf dem Schlamm – gelangte das
organikreiche Gestein in zunehmend tiefere Krustenbereiche. Dort herrschten infolge des
geothermischen Gradienten erhöhte Temperaturen. Unter diesen Bedingungen wurden die festen
organischen Verbindungen im Gestein allmählich in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe
umgewandelt. Da diese Kohlenwasserstoffe relativ mobil sind und zudem eine geringere Dichte
haben als das sie umgebende Gestein, wanderten sie in durchlässigem Gestein in Richtung
Erdoberfläche. Dort, wo undurchlässige Gesteinsschichten den Aufstieg wirksam behinderten,
sammelten sie sich im durchlässigen Gestein an und bildeten Lagerstätten, wobei sich die
gasförmigen Kohlenwasserstoffe (hauptsächlich Methan) in der Regel als Erdgas über dem flüssigen
Erdöl anreicherten.
Unbehandeltes Erdöl (Rohöl) stellt mit mehr als 17.000 Bestandteilen eine der komplexesten
Mischungen an organischen Verbindungen dar, die natürlicherweise auf der Erde vorkommen. Die
Nutzungsmöglichkeiten von Erdöl sind sehr vielfältig: Neben der Verbrennung für Heizzwecke und im
Verkehr ist es Ausgangspunkt der Petrochemie und damit einer der wichtigen Industrierohstoffe.
Erdgas
→ Hauptartikel: Erdgas
Erdgas entstand ähnlich wie Erdöl und tritt häufig mit diesem vergesellschaftet auf. Es besteht vor
allem aus Methan, die genaue Zusammensetzung schwankt jedoch. Aufgrund des hohen
Methananteils ist Erdgas unverbrannt ein starkes Treibhausgas. Sofern aufbereitet, verbrennt es
allerdings sauberer und klimaschonender als andere fossile Brennstoffe. Genutzt wird es
insbesondere für die Wärme- und Stromerzeugung sowie als Rohstoff in der chemischen Industrie.
Kohle
→ Hauptartikel: Steinkohle und Braunkohle
Kohle (von altgerm. kolo = „Kohle“) ist ein schwarzes oder bräunlich-schwarzes, festes biogenes
Sedimentgestein, das zu mehr als 50 Prozent des Gewichtes und mehr als 70 Prozent seines
Volumens aus Kohlenstoff besteht. Steinkohle wird wie Erdöl auch Schwarzes Gold genannt. Kohle ist
eine Energiequelle und wird vom Menschen als fossiler Brennstoff verwendet. Sie entsteht aus
pflanzlichen Überresten, die unter Luftabschluss – z. B. am Grund von Sümpfen und Mooren –
verrottet und nach Versenkung in tiefere Bereiche der oberen Erdkruste erhöhten Drücken und
Temperaturen ausgesetzt sind.
Als hochwertigste Kohle gilt die Steinkohle, da diese sehr dicht und rein ist, das heißt, sehr wenig
Fremdstoffe enthält. Der Brennwert der Steinkohle ist dementsprechend groß. Minderwertiger ist
die Braunkohle, die schwächer verdichtet ist und einen größeren Schwefelanteil enthält; ihr
Brennwert ist deutlich geringer, daher ist die Verbrennung von Braunkohle die
kohlendioxidintensivste Art der Stromerzeugung.[11]
Kohle war der erste in größerem Stil eingesetzte fossile Energieträger. Seine Nutzung kam beginnend
ab dem 16. Jahrhundert in England auf, allerdings stellte Kohle noch bis zur Mitte des 19.
Jahrhunderts nur einen kleinen Bruchteil der in Europa konsumierten Energie. Anschließend stieg ihr
relativer Anteil am Energiemix bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts stark an[12], um dann später von
Öl- und Gas wieder etwas zurückgedrängt zu werden.
Torf
→ Hauptartikel: Torf
Torf stellt die erste Stufe der Inkohlung dar. Er entsteht unter Luftabschluss in oberflächennahen und
trockenfallenden Gewässern. Er ist in getrocknetem Zustand leicht brennbar. Daher wird er häufig in
Mooren abgebaut, was Ökologen kritisch sehen. Als Brennstoff wurde Torf vor allem mit Beginn der
Industrialisierung eingesetzt. Um 1880 wurde Torf auch zur Feuerung in der Eisen- und Stahlindustrie
verwendet. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts betreiben einige Länder, vor allem in Mitteleuropa bis
Ende der 1970er Jahre, größere Torfkraftwerke. Finnland nutzt weltweit mit 51 Prozent den höchsten
Anteil von Torf als Energieträger, wobei dieser zur Primärenergie des Landes 6–7 Prozent und mit 20
Prozent zum Treibhausgasausstoß beiträgt.
Erneuerbare Energien
Als erneuerbare Energien (auch mit Majuskel: Erneuerbare Energien) oder regenerative Energien
werden Energieträger bezeichnet, die im Rahmen des menschlichen Zeithorizonts praktisch
unerschöpflich zur Verfügung stehen[1][2] oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Damit
grenzen sie sich von fossilen Energiequellen ab, die sich erst über den Zeitraum von Millionen Jahren
regenerieren. Erneuerbare Energiequellen gelten, neben höherer Energieeffizienz, als wichtigste
Säule einer nachhaltigen Energiepolitik (englisch sustainable energy) und der Energiewende.[3] Zu
ihnen zählen Bioenergie (Biomasse), Geothermie, Wasserkraft, Meeresenergie, Sonnenenergie und
Windenergie.
Der Begriff „erneuerbare Energien“ ist nicht im streng physikalischen Sinne zu verstehen, denn
Energie lässt sich nach dem Energieerhaltungssatz weder vernichten noch erschaffen, sondern
lediglich in verschiedene Formen überführen. Auch aus erneuerbaren Energien gewonnene
sekundäre Energieträger (Elektrizität, Wärme, Kraftstoff) werden oft unpräzise als erneuerbare
Energien bezeichnet.[5] Als Bezeichnung für thermische Energie, die aus Geothermie, Solarthermie
oder Bioenergie gewonnen wird und für die indirekte Nutzung von Sonnenenergie durch
Solararchitektur wird auch der Begriff erneuerbare Wärme verwendet. Elektrizität aus erneuerbaren
Energiequellen wird auch als Grünstrom und Ökostrom bezeichnet.
Der Ausbau der erneuerbaren Energien wird in vielen Staaten weltweit vorangetrieben. Im Jahr 2012
deckten die erneuerbaren Energien (EE) etwa 19 % des weltweiten Endenergiebedarfs in den
Sektoren Strom, Wärme und Verkehr. Im Stromsektor lag der Anteil 2013 bei 22,1 %. In mindestens
144 Staaten weltweit gibt es Ausbauziele für erneuerbare Energien, in 138 Staaten existieren
Fördermaßnahmen für ihre Verbreitung, darunter in 95 Entwicklungs- und
Schwellenländern.Besonders ehrgeizige Ziele hat sich China gesetzt, wo der Anteil Erneuerbarer
Energien von 2013 bis 2017 um 50 % gesteigert werden soll. Zugleich übertrafen in diesem Jahr die
Investitionen in erneuerbaren Energien erstmals die Investitionen in konventionelle Kraftwerke.
Erneuerbare Energiequellen
Anteil von Windkraft und Photovoltaik an der deutschen Stromerzeugung (logarithmisch)
Windpark bei Lübz, Mecklenburg-Vorpommern
Photovoltaikanlage in der Nähe von Freiberg
Ein Wasserkraftwerk in New Mexico, USA
Holz ist der wohl am längsten genutzte Träger erneuerbarer Energie
Die Basis für die erneuerbaren Energien bilden die drei
Energiequellen Kernfusion der Sonne, Gezeitenkraft aufgrund der Planetenbewegung
und Geothermie des Erdinneren. Die mit Abstand ergiebigste Form ist dabei die Sonnenenergie,
deren jährliches Energieangebot auf der Erde 3.900.000.000 PJ beträgt. Geothermie stellt
996.000 PJ bereit, während die Gravitation 94.000 PJ
Sonnenenergie (Strahlungsenergie)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
→ Hauptartikel: Sonnenenergie
Die Sonne emittiert große Mengen Energie, die als Solarstrahlung (elektromagnetische Welle) die
Erde erreichen. Die von der Sonne auf die Erde abgestrahlte Leistung beträgt circa 174 PW
(Petawatt). Etwa 30 % der Strahlung wird reflektiert, sodass circa 122 PW die Erde (Erdhülle und
Erdoberfläche) erreichen. Das sind etwa 1.070 EWh (Exawattstunden) im Jahr und damit derzeit
circa das 7.500 fache des Weltjahresenergiebedarfs.
Sonnenenergie lässt sich direkt oder indirekt vielfältig nutzen. Die direkte Nutzung erfolgt mit
Photovoltaikanlagen sowie als Sonnenwärme, daneben „liefert“ die von der Atmosphäre und von
der Erdoberfläche absorbierte Sonnenenergie mechanische, kinetische und potentielle Energie.
Potentielle Energie entsteht, indem durch atmosphärische Prozesse Wasser in höhere Lagen
transportiert wird. Die Sonnenenergie erzeugt zudem in der Atmosphäre durch meteorologische
Prozesse Winde. Diese Winde (= bewegte Luftmassen) enthalten kinetische Energie
(Windenergie); sie erzeugen auf den Meeren Wellen (Wellenenergie). Pflanzen absorbieren die
Strahlung im Zuge der Photosynthese und fixieren sie in Biomasse, die zur Energiewandlung
genutzt werden kann. Auch die Nutzung der Umgebungswärme mittels Wärmepumpen mit
oberflächennahen Erdwärmekollektoren oder von Luft-Luft-Wärmepumpen zählt zur
Solarenergie.
Geothermie (Erdwärme)
Geothermisches Kraftwerk im Isländischen Krafla
Die im Erdinneren gespeicherte Wärme stammt zum einen von Restwärme aus der Zeit
der Erdentstehung. Zum anderen erzeugen dort radioaktive Zerfallsprozesse primordialer
Radionuklide und die durch Gezeitenkräfte verursachte Reibung zwischen fester Erdkruste und
flüssigem Erdkern laufend weitere Wärme. Sie kann für Heizzwecke (vor allem oberflächennahe
Geothermie) oder auch zur Stromerzeugung (meist Tiefengeothermie) genutzt werden.
In Deutschland, Österreich und der Schweiz finden sich hauptsächlich NiederenthalpieLagerstätten. In diesen Lagerstätten strömt die Wärme aus den tieferen Schichten aber nicht in
dem Maße nach, wie sie durch eine geothermische Anlage entnommen wird, so dass sich der
Bereich der Entnahmestelle abkühlt und die Entnahme nur über einen begrenzten Zeitraum von
einigen Jahrzehnten möglich ist, nach der eine Regeneration des Wärmereservoirs notwendig
wird. Oberflächennahe Anlagen können allerdings im Sommer mit Wärmeenergie aus
Kühlprozessen aufgefüllt werden, indem die Transportrichtung der Energie umgekehrt wird.
Geothermieprojekte erfordern eine sorgfältige Erkundung und Analyse der geologischen
Gegebenheiten, da Eingriffe in den Schichtenaufbau schwerwiegende Folgen haben können.
Wechselwirkung der Erde mit Sonne und Mond (mechanische
Energie)
→ Hauptartikel
Die Anziehungskraft (Schwerkraft) von Sonne und Mond (und anderen Himmelskörpern)
verursacht in und auf der rotierenden Erde die Gezeiten, wobei die Drehgeschwindigkeit der Erde
durch diese Energieumwandlung allmählich abgebremst wird. Die dadurch induzierten
Strömungen können in Gezeitenkraftwerken und Meeresströmungskraftwerken genutzt werden.
Diese Anziehungskräfte führen außerdem zu Deformationen des Erdkörpers und dadurch in
der festen Erde und im flüssigen Erdkern zu Reibung, die dem Erdinneren weitere Wärme
zuführt. Die Reibungsenergie beträgt ca. 2,5 TW, das wirtschaftlich nutzbare Potenzial wird auf
etwa 9 % dieser Energie geschätzt.
Theoretischer Platzbedarf für Solarkollektoren, um in Solarthermischen Kraftwerken den Strombedarf der
Welt, Europas (EU-25) oder Deutschlands zu erzeugen
Globale Potentiale
Die auf die Erde eingestrahlte Sonnenenergie entspricht mehr als dem Zehntausendfachen des
aktuellen menschlichen Energiebedarfs.[12] Erdwärme und Gezeitenkraft liefern deutlich
geringere, aber im Vergleich zum menschlichen Bedarf hohe Beiträge. Rein physikalisch
betrachtet, steht damit ein Vielfaches der Energie zur Verfügung, als in absehbarer Zukunft
gebraucht werden wird, auch wenn sich das hier genannte theoretische Potential u. a. durch
technische und ökologische Belange reduziert. Auch die notwendigen Technologien sowie die
Konzepte zur Realisierung einer nachhaltigen Energieversorgung gelten als vorhanden.
Die Internationale Energieagentur (IEA) geht davon aus, dass weltweit bis 2040 ein Fünftel des
Primärenergieverbrauchs sowie ein Drittel der Elektrizität durch erneuerbare Energien gedeckt
werden. Laut IPCC könnten unter optimistischen Annahmen bis 2050 sogar 77 % des weltweiten
Energieverbrauches aus erneuerbaren Energien stammen.
Wissenschaftler der Universitäten Stanford und Davis haben in einem Plan für eine
emissionsfreie Welt bis 2030 errechnet, dass die weltweite Umstellung auf Wind-, Wasser- und
Sonnenenergie rund 100.000 Milliarden US-Dollar kosten würde, wobei Geothermie- und
Gezeitenkraftwerke unter Wasserenergie und Wellenkraftwerke unter Windenergie aufgeführt
werden. Diese Berechnung beinhaltet Kosten für Speicherkraftwerke und Maßnahmen für
einen intelligenten Stromverbrauch, nicht aber die Infrastruktur zur Verteilung des
Stroms.[16] Deutlich höher wären die Kosten für das Festhalten an den fossil-atomaren Energien,
wie Berechnungen der Energy Watch Group ergaben. Demnach wurden weltweit im Jahr 2008
zwischen 5500 und 7750 Milliarden Dollar für fossile und atomare Energien ausgegeben; bereits
ein Anstieg der Energiepreise um 20 % würde die Ausgaben auf fast 10.000 Milliarden Dollar pro
Jahr ansteigen lassen.
Altfater Patrick