4. Energie und Nachhaltigkeit

• es hat noch keine Förderung bzw. Umwandlung stattgefunden

• der Energieträger wurde für die spätere Nutzung noch nicht vorbereitet

• die Energie die aus natürlichen vorkommenden Energieträgern z.B. Rohöl zur Verfügung steht

• es hat bereits eine Förderung bzw. Umwandlung gegeben

• Verbraucher kann Energie in umgewandelter Form nutzen z.B. Benzin, Briketts, Strom

• die Energie die dem Verbraucher nach Abzug aller Verluste wie Förderung, Aufbereitung, Transport zur Verfügung steht

• die Energie die ein Verbraucher zur Erfüllung bestimmter Aufgaben nutz z.B. Glühbirne für Licht (Strom)

• Primärenergie = Wind

• Sekundärenergie = erzeugter Strom wird transformiert und in das Stromnetz gespeist (liegt nun in nutzbarer Form vor)

• Endenergie = der in der Steckdose anliegende Strom

• Nutzenergie = umgewandelter Strom in Licht

• Gesamtwirkungsgrad bei Betrachtung aller erfoderlichen Prozesse um aus Rohstoffen wie Rohöl am Ende Nutzenergie zu erzeugen um das Auto in Bewegung zu versetzen

• Betrachtung müsste eigentlich bei der vom Verkehr ausgehenden CO2 Belastung berücksichtigt werden

• Reduktion des Energieverbrauchs im Vergleich zum Jahr 1990 um 50%

• bisher von 1990 bis 2020 Reduktion um 20%

  
  

• ein wichtiger Schritt in Richtung Unabhängigkeit ist die Nutzung erneuerbarer Energien für die Primärenergiegewinnung

• im Jahr 2020 ca 50% Erneuerbarer Anteil an Primärenergiegewinnung in DE

• Zugleich ist der Primärenergiebedarf gesunken

  
  

• im Klimaschutzgesetz von 2019 ist dieser für das Jahr 2038 festgeschrieben

• dieser (späte) Zeitpunkt wird vom Bundesverfassungsgericht als verfassungswidrig eingestuft

• kann passieren, dass der Ausstieg noch schneller geschehen muss

• Zeitpunkt zu dem weltweit das Maximum der Ölförderung erreicht wird

• wenn Anteil und Größe neuer Ölfunde geringer werden als die Summe der bisherigen Produktion, dann erreicht die Ölproduktion zwangsläufig ihren Höchststand

• es kann nach wie vor gefördert werden

• der Preis steigt aber, da das Angebot sinkt

• hinzukommt, dass die Nachfrage zudem weltweit auch steigt

• Preissteigerung zwangläufig

• Strahlungsenergie = ausgehende Energie der Sonne pro m² Sonnenoberfläche Is = 63,2 MW/m² -> entspricht ca. 21 Windrädern auf einem m²

• Solarkonstante = ankommende Strahlungsenergie auf einem m² Atmosphärengrenze Eo = 1367 W/m²

• die Solarkonstante ist nicht konstant sondern ändert sich je nach Entfernung der Erde zur Sonne (elliptische Umlaufbahn)

• Da die Erde eine Kugel ist reduziert sich die auf die Erdoberfläche treffende Energie um ein Viertel = 342 W/m²

• Atmosphärenteilchen absorbieren und reflexktieren die Strahlung und schwächen die Strahlung ab

Maß des Rückstrahlvermögens von reflektierenden Oberflächen

-> weiße Oberflächen = hoher Albedo

-> schwarz Oberfläche = niedriger Albedo

• Die Treibhausgase in der Atmosphäre sorgen für eine Rückstrahlung der von der Erde abgestrahlten Energie

• ohne diese Rückstrahlung wäre es auf der Erde viel zu kalt

• Je höher die Konzentration der THG wie CO2, CH4, N2O etc. ist, desto mehr Teilchen sind in der Atmosphäre vorhanden

• diese Teilchen absorbieren die abgestrahlte Energie der Erde und strahlen diese wieder an die Erde zurück

• die Wärmeabstrahlung ins Weltall ist gestört

• Unterschiedlicher Beitrag von unterschiedlichen Gasen zum Treibhauseffekt

• CO2 wird dabei auf 1 gesetzt

• auf eine Million Atmosphäreteilchen kommt 1 CO2 Teilchen

• Wasserdampf

• die Konzentration ist wetterabhängig

• Erwärmung Arktis -> Golfstrom, Meereisausdehnung und auftauender Permafrost

• Eisschmelze nimmt zu

• veränderte Niederschlagsmuster -> Hochwasser, Hagel, Sommerdürren

• Meeresspiegel steigt an

• Verringerung der bewohnbaren Fläche trotz steigender Bevölkerung

Klimawandel ist…

• real

• wir sind die Ursache

• er ist gefährlich

• die Fachleute sind sich einig

• wir können noch etwas tun

• Kohleausstieg bis 2030

• Verkehrssektor naherzu alle Fahrzeuge elektrifiziert oder mit E-Fuels

• Stromerzeugung 100% regenerativ

• Gebäudebereich mind. 90% neu oder saniert

• Landwirtschaft kaum Einsatz von fossilen Düngemitteln

• Fleisch und Milch-Produkte werden reduziert

• Abnahme Albedo durch Schmelzung von Eis

• Methanfreisetzung durch auftauenden Permafrost

• Zusammenbruch der borealen Wälder

• Austrocknung Amazonas

• Störung indischer Monsun

• Störung Wasserzirkulation im Nordatlantik (Golfstrom)

• Sonnenenergie kommt auf der Erdoberfläche an und wird teilweise absorbiert, teilweise reflektiert

• durch die Absorption erwärmt sich die Materie und gibt durch Konvektion IR-Strahlung und Wärmeleitung Wärme ab

• Diese wärmt die darüberliegende Luft auf, welche dann nach oben steigt

• es entsteht ein lokales Tiefdruckgebiet, wo Luft nachströmen muss um dieses “Loch” auszugleichen

Die Leistung des Windes steigt exponentiell mit der Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz

Achtung: Dies entsprich natürlich nicht der nutzbaren Stromleistung, diese liegt bei ca. 40% davon

• Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten mus geprüft werden

• Windgeschwindigkeiten sollten sehr häufig größer als die Einschaltgeschwindigkeit und kleiner als die Abschaltgeschwindigkeiten sein

• häufigste Art ist mit horizontaler Achse und als Luvläufer

• es gibt auch Leeläufer und WKA’s mit vertikaler Drehachse

• sehr hoch

• abhängig von Abstandsflächen zur Wohnbebauung

• mit bestehender 10H Regel ca. 435GW und mit 600m wären es 1200GW nur On-Shore

• Energie Amortisationszeit beträgt an guten Standorten ca. 6 Monate -> Damit Erntefaktor von ca. 40

• Rückbaubarkeit und Wiederverwendbarkeit ca. 80-90%

• Durch Kernfusion

• 4 Wasserstoffkerne werden zu einem Heliumkern

• Dadurch verliert die Sonne 4,3 Mio. t an Gewicht

• Wirkungsgrad von Primärenergie bis Einspeisung ins Netz ca 15-20%

• Verbesserungen bis 40% in Aussicht

• Als Endenergie weitere Verluste und als Nutzenergie dann ca. 10% Wirkungsgrad

• Es muss drauf geachtet werden, dass PV Strom möglichst dezental genutzt wird, um die Verluste zu verringern

• Nur wenn Überschüsse da sind, lohnt es sich den Strom zentral zu verteilen

• z.B. 400 kWpeak bei modernen Modulen

• nur bei optimalen Bedingungen

• direkte Sonnenstrahlung von 1000 W/m²

• geringe Temperaturen

• Neuheit der Module

Halbleitermodule aus Silizium

• sehr hoher Energieverbrauch bei der Herstellung von reinem Silizium

• Epbt liegt bei 3-4 Jahren an guten Standorten statt 6 Monaten bei WKA

• Kovektion = erfolgt nur in Medium wie Gasen und Flüssigkeiten

• Wärmeleitung = benötigt einen direkten Kontakt zwischen zwei unterschiedlich temperierten Materialien

• Wärmestrahlung = elektromagnetische Strahlung mit geringerem Energiegehalt als das das sichtbare Licht (IR Strahlung)

• konzentrierende Technologie = Sonnenenergie wird durch Spiegel auf einen Punkt gesammelt, wo sehr hohe Temperaturen erzeugt werden und eine Flüssigkeit zum Verdampfen gebracht wird welche dann Strom erzeugt

• nicht konzentrierend = übliche Technologie in Deutschland, Flächiges einfangen der Sonnenenergie und Bereitsstellung für Wärmenutzung

• Flachkollektoren

• Vakuumröhrenkollektoren -> keine Konvektion, da keine Luft vorhanden -> effizienter

• thermo-chemisch

• bio-chemisch

• mechanisch

• passiert mit Gärresten, die nicht mehr biologisch wandelbar sind wie z.B. Holz, Stroh etc

• es werden energiereiche Öle, Biokohle oder Biogas erzeugt, welche leicht transportiert und einer weiteren Verwertung zugeführt werden können

• Umwandlung biogener Rohstoffe in verwertbare Bioenergieträger

• wichtigsten Prozesse sind alkoholische Gärung und Erzeugung von Biogas

• Bioethanol ist ein mögliches Produkt und kann z.B. Benzin zugemischt werden (E10 -> 10% Bioethanol Beimischung")

• der Prozess der Biogasherstellung ist auf einer separaten Karte erklärt

• Ausgangsstoffe sind vergärbare Substanzen wie Stärke, Bioabfälle, Fäkalien

• im Fermenter werden die Stoffe von Bakterien in organische Moleküle gespalten

• anschließend weitere Spaltung in Säuren und Alkohole

• Diese Verbindungen werden unter anaeroben Bedingungen von Bakterien zu Biogas umgewandelt (Mischung aus Methan und Kohlendioxid)

• die entstehenden Gärreste können als Dünger verwendet werden

• das erzeugte Biogas wird z.B. im BHKW verbrannt

• Methan und Kohlendioxid können auch getrennt werden und das Methan kann ins Erdgasnetz eingespeist werden

• Herstellung von Biodiesel

• Ausgangspflanze meistens Raps

• Rapsöl wird einer Umesterung unterzogen

• Viskosität von Rapsöl wird dadurch ähnlich wie die des Diesels

• Beimischung des Biodieseln von 7% zu normalem Diesel

• durch Flächenverbrauch der Pflanzen in Deutschland bereits ausgeschöpft

• großes Verbesserungspotential besteht aber in der Verwertung von Rest- und Abfallstoffen und von Klärschlamm

• Daraus kann ebenfalls Biogas erzeugt werden oder auch hochwertige Gase wie Erdgas vcfdxrtg6m hjn,

Gespeicherte Sonnenenergie und gespeichertes CO2

• Treibhausgasbilanz schlechter als von Wind und PV

• Flächenverbrauch und Monokulturen

• nicht volatil -> steuerbar

• kann als Speicher dienen und bei Überschüssen von PV und Wind indem zum Beispiel Wasserstoff erzeugt wird

• Energiespeichersysteme (EES)

• verstärkter Netzausbau

• smart grid

• können geregelt werden und bei Bedarf zu jeder Zeit eingesetzt werden

• nicht abhängig von Sonne oder Wind

• Unser Strom- und Wärmenetz kann “noch” keine Energie speichern, so wird Energie dann erzeugt, wenn sie beönigt wird

• fossile Kraftstoffe können über einen langen Zeitraum als Energiespeicher dienen und verteilt werden

• mit einer Verbesserung des Verteilnetztes können die Transportkapazitäten erhöht werden -> wichtig wenn Wind und PV zu viel Strom produzieren

• im Moment können zu hohe Strommengen nicht verteilt werden

• Akzeptanz der Bevölkerung und Kosten müssen passen

• oberirdische Leitungen sind nicht gerne gesehen

• Viele Leitungen im Moment im Planungs- und Genehmigungsverfahren

• wird oft dagegen demonstriert

• intelligentes Messsystem bestehend aus zwei Komponenten -> Stromzähler und Kommunikationseinheit für automatische Fernablesung

• sollen helfen die Energieeinspeisung ind Verteil- und Übertragungssysteme bis hin zu Verbrauchern zu koordninieren

• wichtiger Schritt für Netzausbau

• dynamische Preise wären das Ziel -> bei hohen Stromauskommen könnten Abnehmer motiviert werden den Strom zu günstigen Preisen abzunehmen, während bei zu hohem Strombedarf die Preise teurer wären

Es gibt Kurz- und Langzeitspeicher im Bereich Strom- und Wärme

• sehr großes Potenzial hat Power to Gas -> man stellt aus überschüssigem Strom Wasserstoff her -> hierfür gibt es jedoch keine passende Infrastruktur -> man könnte aus dem Wasserstoff auch Methan herstellen (Power to Methan) -> dieser ließe sich super in die bestehende Infrasturktur (Wärme und Verkehr) integrieren

• Pumpspeicherkraftwerke -> Strom von Off Shore Anlagen werden nach Norwegen tranportiert, um dort in Oberbecken gespeichert zu werden. Bei Flaut wird das Wasser durch Turbinen gelassen und der Strom wieder nach Deutschland transportiert -> großes Potential bietet sich Alpenräumen oder in Norwegen

• Nahwärmenetze sind Kurzzeitspeicher um regional aus Abwärmeprozessen Wärme zu verteilen

• Akkus sind im Moment der stand der Dinge um Strom zu speichern, aber nur kurz- bis mittelfristig

• Notwendig sind saisonübergreifende Langzeitspeicher