Erneuerbare Energien

Erneuerbare Energien - seit Jahrhunderten im Einsatz

Als erneuerbare Energien (auch regenerative Energien) werden Energiequellen bezeichnet, die als unerschöpflich gelten. Sie erneuern sich beständig, da sie ihre Energie durch Prozesse erhalten, die in der Umwelt permanent ablaufen.Sie gelten als kohlendioxidneutral, da sie entweder kein Kohlendioxd emittieren, oder nur soviel Kohlendioxid abgeben, wie sie im Laufe ihrer Entstehung aufgenommen haben.

Die wichtigsten erneurbaren Energien sind: Biomasse, Geothermie, Windkraft, Wasserkraft, Sonnenenergie.

Biomasse
Biomasse entsteht durch die Umwandlung von Licht und Kohlendioxid in Pflanzenstoffe. Diesen Prozess nennt man Photosynthese. Die Energie kann entweder direkt verwendet werden wie bei Holz, oder sie bedarf weiterer Umwandlungen (Beispiel: Raps => Rapsöl => Biodiesel). Als Holz kann die Biomasse in verschieden Formen eingesetzt werden. Als Holzschnitzel, Pellets oder auch als Scheite für offene Kamine, Kaminöfen oder Heizkessel. Ein großer Produzent von Biomasse ist zur Zeit Brasilien. In Brasilien wird in riesigen Plantagen Zuckerrohr, das maschinell geerntet wird, angebaut und in Bioethanol umgewandelt. Dieses Bioethanol wird dem Treibstoff für Kraftfahrzeuge zugesetzt. Die Brasilianer planen damit in wenigen Jahren von Energieimporten unabhängig zu sein.

Geothermie
Geothermie ist die Nutzung der Energie, die in der oberen Erdkruste gespeichert ist. Sie wird hauptsächlich auf zwei Wegen genutzt. Einmal wird die oberste Schicht (bis 100 m) der Erdkruste zur direkten Nutzung verwendet (Wärmepumpe). Der zweite Weg ist die Nutzung tiefer liegender Schichten, da mit zunehmender Tiefe die Temperatur stark ansteigt. Diese Erdwärme kann ebenfalls direkt verwendet werden, oder aber sie dient zur Stromerzeugung.

Technische Daten einer WindkraftanlageWindkraftanlage in Abendstimmung

Windkraft
Windkraft wird in der Form von Windrädern, die oft zu mehreren in Windanlagen zusammengefasst sind, zur Stromerzeugung genutzt. Deutschland und Dänemark sind die Hauptproduzenten von Windkrafträdern. Die Windkraftanlagen können auf dem Land und "offshore" (= vor der Küste) betrieben werden.

In beiden Fällen gibt es Bedenken von Natürschützer, die die Zerstörung der Landschaft bzw. eine Beeinträchtigung des empfindlichen Wattenmeeres befürchten. Daneben exisitieren auch die kleineren Windgeneratoren, die einen Rotordurchmesser von ca. 50-100 cm haben und als Kleinanlagen etwa zur Energieversorgung von Pumpen in der Landwirtschaft genutzt werden.

Wasserkraft
Wasserkraft wird von den Menschen seit vielen Jahrhunderten genutzt. So wurden die Mühlsteine der an Flußläufen gelegenen Mühlen zur Herstellung von Mehl mit Wasserkraft angetrieben. Auch der Antrieb der Hammerwerke in Schmieden erfolgte durch Wasserkraft. Außerdem wurde mit Wasserschöpfrädern den Flüssen Wasser zur Feldbewässerung entnommen. Bekannt sind die historischen Wasserschöpfräder an der Regnitz bei Möhrendorf in Mittelfranken. Wasserkraft wird in Gezeitenkraftwerken (z. B. Saint-Malo in Frankreich), die die Wasserstandsunterschiede bei Ebbe und Flut und in Form von Stauseen und Talsperren zur Stromerzeugung eingesetzt.

Island
In einer besonders glücklichen Lage ist die Insel Island. Durch seine außergewöhnliche Geologie kann dieses Land seinen gesamten Strombedarf aus erneuerbaren Energien decken. Dies geschieht zu 80 % aus Wasserkraft und zu 20 % aus Geothermie. Man denke an die weltberühmten Geysire.

Nachführbare Fotovoltaikanlage

Sonnenenergie
Bei der Sonnenenergie unterscheidet man zwei Arten der Energiegewinnung. Zum einen wird das Sonnenlicht, das an Kollektoren, die es in verschiedenen Ausführungen gibt, absorbiert wird, zur Warmwassererzeugung zur Raumheizung verwendet. Zum anderen wird das einfallende Sonnenlicht in elektrischen Strom umgewandelt. Bei der Umwandlung in elektrischen Strom, der sogenannten Photovoltaik, wird die Sonnenenergie an mono- oder polykristallinen Solarzellen aus Silizium in Gleichstrom umgesetzt.

Monokristalline Solarzellen sind dünne Scheiben, die aus einem monlithischen Siliziumeinkristall geschnitten werden. Polykristalline Solarzellen sind ebenfalls dünne Scheiben, die jedoch aus einem Block von unterkühlter Siliziumschmelze geschnitten werden und aus vielen kleinen Kristallen bestehen. Polykristalline Zellen lassen sich preiswerter herstellen als monokristalline Zellen. Sie weisen einen Wirkungsgrad von ca. 14 % auf, die teueren monkristallinen Zellen von ca. 16 %.

Fotosynthese bildet Biomasse

Als Biomasse werden alle auf der Erde vorkommenden organischen Substanzen bezeichnet. Sie wird jährlich in unvorstellbaren Mengen durch Fotosynthese neu gebildet. Bei der Fotosynthese wird die Energie des Sonnenlichtes in biochemische Energie umgewandelt. Der umgekehrte Prozess heißt Verbrennung.

Bei der Fotosynthese wird aus Licht, Wasser und Kohlendioxid Energie, in Form von Glucose, und Sauerstoff gebildet. Die Reaktion läuft nach 6 CO2 + 12 H2O -> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O ab. Der dabei entstehende Sauerstoff, der an die Atmosphäre abgegeben wird, schuf vor Urzeiten die Voraussetzung für die Entwicklung von Lungenatmern. Erst damit war die Entwicklung von menschlichem und tierischem Leben möglich. Aus abgestorbener und anaerob (= unter Ausschluss von Sauerstoff) zersetzter Biomasse sind die fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas entstanden. Die Voraussetzung für die Fotosynthese ist das Vorhandensein des Biokatalysators Chlorophyll. Ein Katalysator ist eine Substanz, die aus der Reaktion unverändert hervorgeht, aber das Reaktionsgleichgewicht auf die Seite der Produkte verschiebt. Damit sind unter Normalbedingungen (Umgebungsdruck, Raumtemperatur) Reaktionsabläufe möglich, die sonst nur unter Druck und/oder Hitze erfolgen würden. Chlorophyll ist der uns allen bekannte grüne Farbstoff der Pflanzenblätter. In den Chloroplasten der Pflanzen wird die Glucose zu Stärke umgewandelt.

Der Nachweis, dass die Fotosynthese Licht bedarf ist einfach zu erbringen. Ein teilweise abgedecktes und ein nicht abgedecktes Blatt einer Pflanze werden 12 Stunden lang belichtet. Anschließend wird das Chlorophyll in Ethanol ausgekocht und die Blätter in eine Iod/Kaliumiodid-Lösung gegeben. Das nicht abgedeckte Blatt und die nicht abgedeckten Stellen des anderen Blattes werden durch die Iod/Kaliumiodid-Lösung und die bei der Fotosynthese gebildeten Stärke blau verfärbt. Die abgedeckten Stellen bleiben hell. Es wurde keine Stärke gebildet. Ohne Licht also keine Fotosynthese.

Die durch Fotosynthese gebildete Biomasse kann als Energieträger in vielfältiger Form eingesetzt werden. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie bei ihrer Verwendung nur so vielKohlendioxid freisetzt, wie sie vorher zu ihrer Bildung aus der Atmosphäre entnommen hat. Sie ist also kohlendioxidneutral.

Neben den bekannten Verwendungen der durch Fotosynthese gebildeten Biomasse zum Beispiel der Verbrennung von Holz und Einsatz von Biotreibstoffen (Rapsmethylester, Bioethanol), die anderer Stelle bereits beschrieben wurden, existiert in der Form von Biogasanlagen eine besonders für Landwirte interessante Art der Energiegewinnung.

Biomasse und Fotosynthese

Bei einer Anlage zur Erzeugung von Biogas wird das organische Restmaterial (z.B. Gülle aus der Tierhaltung) in ein Reaktionsgefäß, den Fermenter, gegeben. Dort entsteht gegebenenfalls unter Zusatzheizung bei ständiger Durchmischung des Gärgutes durch anaerobe Zersetzung mit Hilfe von Bakterien bei ca. 35 °C Biogas mit einem hohen Methangehalt, Kohlendioxid und Faulschlamm. Das Biogas treibt, eventuell nach einer notwendigen Reinigungsstufe einen Motor an, der wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die anfallende Abwärme kann zur Beheizung des Fermenters und zur Raumheizung genutzt werden. Der entstandenen Faulschlammm wird wiederum als Dünger eingesetzt.

Nachgärer und Fermenter einer Biogasanlage

Diese Art der Energieerzeugung aus Biomasse bietet neben der Kohlendioxid-Neutralität weitere Vorteile. Die bei der Massentierhaltung anfallende Gülle muss nicht mehr auf landwirtschaftlich genutzte Flächen ausgebracht werden. Diese Ausbringung ist außerdem nicht das ganze Jahr über gestattet, was eine aufwändige Lagerhaltung erfordert. Bei starken Regenfällen kommt es durch immer wieder zum Eintrag von Stickstoff und Phosphor in umliegende Oberflächengewässer, was zur Gefahr der Eutrophierung führt. So wird die Selbstreinigungskraft der Gewässer gefährdet. Der Faulschlamm aus dem Fermenter ist gegenüber der Gülle ein hochwertiger Dünger. Durch die Verringerung des Kohlenstoffgehaltes entsteht ein günstiges Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff. Da der Faulschlamm dünnflüssiger als Gülle ist, dringt er besser in den Untergrund ein und verhindert gasförmige Stickstoffverluste. Außerdem vermindert er die Geruchsbelästigung.

Energiepflanzen und Nahrungspflanzen - Ein Konflikt?

Zur Zeit (Sommer 2007) berichtet die Presse über steigende Getreidepreise. So haben die Getreidepreise innerhalb eines Jahres um ca. 2/3 zugelegt. Grund für diese Erhöhung ist die gestiegene Nachfrage auf dem Weltmarkt mit gleichzeitigen Ertragsrückgängen in Russland und der Ukraine. Diese Steigerung führt nicht nur Preiserhöhungen von Getreideprodukten wie Backwaren, sondern auch Milch und Milchprodukte wie Käse und Quark sind davon betroffen. Außerdem müssen sich auch die Liebhaber des Gerstensaftes auf Preissteigerungen einstellen.

Getreide ist ein wichtiges Grundnahrungsmittel, das in vielen Ländern der Erde als Kohlenhydratlieferant dient. Es ist ein Sammelbegriff für verschiedene Zuchtformen von Süßgräsern. Es werden verschiedene Sorten unterschieden.

Weizen
Weizen dient wegen seiner guten Backeigenschaften vor allem als Brotgetreide. Weizenkörner wurden in den steinzeitlichen Höhlen in Südfrankreich entdeckt.

Roggen
Roggen findet als Brotgetreide (zusammen mit Weizen im Mischbrot) und Futtermittel Verwendung.

Hafer
Hafer dient heute hauptsächlich als Viehfutter, aber noch als Lebensmittel (Haferflocken).

Gerste
Gerste wird als Futtermittel eingesetzt und dient als Braugerste zur Malzherstellung.

Mais
Mais stammt ursprünglich aus Mittelamerika und ist Grundnahrungsmittel in Nord- und Südamerika sowie in Afrika. Er dient ebenfalls als Viehfutter.

Reis
Reis wird in den tropischen und subtropischen Ländern und im Mittelmeerraum angebaut. In den Tropen ist er Hauptkohlehydratlieferant.

Hirse
Hirse ist ein Sammelbegriff für unterschiedliche Gattungen von Süßgräsern. Sie findet in Asien und Afrika Verwendung als Nahrungsmittel.

Von verschiedenen Quellen wird die Nutzung landwirtschaftlicher Flächen für den Anbau von Energiepflanzen als mit verantwortlich für den Anstieg der Getreidepreise gemacht.

Energiepflanzen sind Pflanzen, die gezielt zur technischen Energieerzeugung angebaut werden. Pflanzliche Energieträger, die ansonsten zur Gewinnung von Nahrungsmitteln dienen werden nicht dazu gezählt.

Die wichtigste einheimische Energiepflanze ist der Raps. Aus ihm wird der der so genannte Biodiesel (Rapsmethylester, RME) gewonnen.

Aus andern Pflanzen wie der Zuckerrübe kann Bioethanol gewonnen werden. Dies wird in Brasilien mit dem Zuckerrohr in großem Maßstab betrieben und ist ein Exportschlager für das Land. Jedoch besitzt ein Liter Etanol nur 60% der Energiemenge gegenüber einem Liter  Benzin.

Rapsfeld in Lettland

In Deutschland gilt seit dem Jahresbeginn 2007 das Biokraftstoffquotengesetz. Es schreibt vor, dass den mineralischen Kraftstoffen Mindestmengen an Biokraftstoff zu zumischen ist. Für Benzin beträgt diese Beimischung 2007 1,2 Prozent. Sie soll in Schritten von 0,8 Prozent jährlich auf bis zu 3,6 Prozent im Jahr 2010 steigen. Bei Dieselkraftstoff beträgt die Quote 4,4 Prozent in 2007. Dies bedeutetet einen Bedarf von 1,7 Mio. Tonnen jährlich. Gleichzeitig sinken die Steuerbegünstigungen für Biokraftstoffe bis sie 2012 ganz entfallen.

Energiepflanzen können im Gegensatz zu Nahrungsmittelpflanzen auch auf bereits stillgelegten landwirtschaftlichen Flächen angebaut werden. Das Argument, dass Energiepflanzen andere landwirtschaftliche Produkte verdrängen würden, ist also so nicht zutreffend. Der Rückgang der Produktion von z. B. Braugerste liegt daran, dass die Landwirte in der Vergangenheit keine kosten deckenden Erlöse für ihre Produkte erzielen konnten. Die Kehrseite der Medaille liegt darin, dass durch den Preisanstieg für Getreide zumindest ein Hersteller von Biosprit die Produktion einstellen musste. Die Betreiber der Anlage beklagen sich, dass sie gestiegenen Rohstoffpreise nicht an die Verbraucher weitergeben können, da die außereuropäische Konkurrenz wesentlich preiswerter produzieren könne.

2010 sind die Preise für Grundnahrungsmittel wie Weizen weltweit weiterhin gestiegen. Der Preisanstieg ist auch ein Grund für die politischen Unruhen Anfang 2011 in einigen südlichen Ländern.

Die Herstellung von Biosprit aus Mais ist strittig. In Mexico protestiert die Bevölkerung gegen steigende Grundnahrungsmittelpreise wie Mais.

Ab 2011 wird in Deutschland der neue Sprit E10 an den Tankstellen angeboten, der preiswerter verkauft wird als das reine Superbenzin.  Dieser Treibstoff enthält 10% Bioethanol.

Bis 2020 soll jeder fünfte Liter Treibstoff aus Biokraftstoffen bestehen. Ziel ist es auch aus Pflanzenabfällen oder aus Stroh eine hohe Menge Energie aus der Zellulose zu gewinnen. Gelingt dies, wird die Treibstoffversorgung dezentralisiert und das ein Gewinn für die ländliche Bevölkerung.

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