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ENERGIEVERSORGUNG: VIELE WEGE FÜHREN ZUR NUTZENERGIE

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Energieversorgung: Viele Wege führen zur Nutzenergie
 
Was immer Physiker dazu sagen mögen, für Techniker und Ökonomen ist Energie einfach nur ein Mittel zum Zweck: Sie soll Maschinen antreiben, Wohnräume erwärmen oder Speisen garen. Für den Ingenieur und Energiewirtschaftler ist es zunächst egal, ob er Kohle oder Kernkraft, Solarenergie, Windkraft oder Erdwärme einsetzt: Für ihn führen viele Wege zur Nutzenergie. Die äußeren Rahmenbedingungen entscheiden darüber, von welchem Energierohstoff man nun ausgeht und welche Technik man verwendet. Den klassischen Rahmen dazu bildete lange Zeit vor allem die Verfügbarkeit bestimmter Primärenergieträger; heute erscheinen Fragen der Umwelt ebenso wichtig.
 
 Ölrausch und Modewellen
 
Nicht wenige verfluchen heute Titusville — und halten Colonel Drake für den Weichensteller in eine vollkommen verfehlte Energiezukunft, als die ihnen unser heutiger täglicher Umgang mit der Energie erscheint. Das aber ist nicht gerade historisch gedacht und spiegelt eher die Kurzatmigkeit der Energiepolitik der vergangenen paar Jahrzehnte wider. Denn weder steht die Ortschaft Titusville für einen grundsätzlichen Wandel unserer Verbrauchsgewohnheiten in Sachen Energie, noch ist der alte Colonel Drake der böse Bube beim Treibhauseffekt.Der Colonel nämlich hatte im Jahre 1859 im US-amerikanischen Titusville mit einer Dampfmaschine ein Loch in den Boden gebohrt und war schon in 22 Meter Tiefe auf Erdöl gestoßen. Die Quelle lieferte rund 4500 Liter am Tag und löste nach ihrem Bekanntwerden ein regelrechtes Ölfieber aus. Schon ein Jahr später waren in Pennsylvania an die 2000 Bohrlöcher in Betrieb. Der Ölverbrauch stieg rasch, denn die bisher üblichen Substanzen wie Waltran und Pflanzenöle vermochten den Bedarf an Schmiermitteln und vor allem an Leuchtölen kaum noch zu decken. Drake bediente also zur rechten Zeit mit einem guten Ersatzstoff einen wachsenden Markt.
 
Solche simplen Zusammenhänge scheinen in der jüngsten Vergangenheit allerdings einer wachsenden Zahl von Menschen aus den Augen geraten zu sein: Erst diskutierten wir das Thema Energie vor allem unter dem Aspekt der Verknappung; die fälschlich so genannte Ölkrise der 1970er-Jahre hatte für hektische Betriebsamkeit gesorgt. Anschließend debattierten wir über Energie nur noch im Tenor lokaler und globaler Umweltzerstörung; saurer Regen und Klimaeffekte brachten uns dazu. Doch was und wie auch immer diskutiert wurde — die erneuerbaren alternativen Energien spielten dabei stets eine Rolle und wurden je nach Einschätzung der Beteiligten mal additiv, mal substitutiv genannt.
 
Auch Energie hat also Konjunkturen, ist äußeren Einflüssen und sogar Moden unterworfen. Doch ungeachtet dessen dachten die politisch und wirtschaftlich Verantwortlichen offenbar nur noch in den Kategorien des Angebots. Energie musste bereitgestellt werden, da noch jede Prognose einen wachsenden Verbrauch vorhersagte. Die tatsächliche Nachfrage schien keiner mehr so richtig in seinem Blick zu haben und damit natürlich auch nicht den Markt — oder allenfalls nur den halben. Schließlich ist Energie für sich genommen kein Wert. Sie dient lediglich dazu, bestimmte Aufgaben zu erledigen, Bedürfnisse der Menschen zu befriedigen. Und das geht meist auf mehrere Weisen, nur selten gibt es eine zwingende Notwendigkeit für diese oder jene Energieform.
 
 Hürden für erneuerbare Energie
 
Gerade deshalb tun sich erneuerbare Energien heute so schwer: Sie treffen auf einen etablierten Markt, in dem andere Energiequellen die Bedürfnisse schon trefflich befriedigen, überdies meist sogar billiger. Und die große Masse der Verbraucher schaut allemal zunächst auf den Preis. Genau deshalb müssen — umgekehrt — die Marketingexperten an das Gewissen der Leute appellieren oder massiv auf den Hightech-Touch setzen, wollen sie dem breiten Publikum umweltfreundliche Photovoltaikmodule und Solarstrom verkaufen. Oder man greift zu politischen Mitteln, schafft Anreize durch Förderprogramme und verteuert auf dem Steuer- und Abgabenweg zum Beispiel das Öl. Nicht nur die Hüter der reinen Marktwirtschaft empfinden das Künstliche eines solchen Tuns als unbefriedigend.
 
Doch solche Förderprogramme scheinen notwendig, um den regenerativen Energiequellen über die Preishürde zu helfen. Immerhin zeigen sich mittlerweile sogar multinationale Ölkonzerne überzeugt, dass im 21. Jahrhundert erneuerbare Energieträger einen beträchtlichen Anteil zur Versorgung beisteuern werden. Mehr noch: Sie versuchen sich in diesem Wachstumsmarkt zu positionieren, indem sie etwa eigene Fertigungskapazitäten für Photovoltaikanlagen aufbauen.
 
Selbst aus dem Lager der internationalen Ölmultis sind die Rufe nach Förderprogrammen für alternative Energien zu vernehmen; auf den ersten Blick scheint dies erstaunlich, auf den zweiten ist es sicher nicht ganz uneigennützig. Sogar über Biomasse wie den nachwachsenden Rohstoff Holz denken Konzerne nach, die heute ihr Geld vor allem mit Öl verdienen. Der Grund dafür ist: Biomasse wird schon in wenigen Jahrzehnten einen beträchtlichen Anteil zum Energieverbrauch der Welt beisteuern. In dieser Einschätzung zumindest sind sich die Ölkonzerne mit vielen Energie- und Klimaforschern einig.
 
Viele Jahrtausende in ihrer Geschichte hat die Menschheit mangels einer Alternative ausschließlich auf erneuerbare Energiequellen gesetzt. Noch am Ende des 19. Jahrhunderts nutzte man Windkraft in großem Stil. Und die uralte Wasserkraft erlebte in jener Zeit mithilfe neuer Turbinen sogar eine Renaissance, als die Industrieländer Elektrizität technisch zu nutzen begannen und Stromnetze über das Land legten. Erst in den folgenden Jahrzehnten grassierte dann weltweit die Schwindsucht unter den erneuerbaren Energiequellen, was nicht wenige Colonel Drake und seiner Entdeckung anlasten. Heute, so folgern diese Kritiker weiter, knüpfen wir umständlich dort wieder an, wo wir schon einmal waren.
 
 Geschichte wiederholt sich nicht
 
Doch so einfach und schlicht wiederholt sich Geschichte nicht. Bevor das Erdöl die Menschheit in nennenswertem Umfang zu interessieren begann, hatte diese schon ein paar Jahrhunderte lang Kohle in stets steigendem Maß verbrannt. Wahrscheinlich heizten schon die alten Gallier damit und feuerten ihre Schmiedeessen mit dem thrakischen Stein, so der Name in antiken Quellen. Mit Sicherheit begann um 1350 im Ruhrgebiet und in Sachsen der systematische Steinkohlebergbau. Die Abnehmer waren zumeist Glasmacher und Schmiede, bei denen sich zunehmender Mangel an Brennholz eingestellt hatte. Noch im 18. Jahrhundert gab es auch in Mitteleuropa Brennholzkrisen, wie man sie heute nur aus Afrika und Asien kennt. Und so diente der fossile Energieträger Kohle zunehmend als Ersatz für die erneuerbare Energiequelle Biomasse.
 
Genau der gleiche Grund verschaffte der Kohle einen weiteren Schub, als in manchen europäischen Mittelgebirgen die großen Wälder nahezu abgeholzt waren: Schuld waren die Eisenhütten mit ihrem gewaltig steigenden Bedarf an Holzkohle. Deshalb diente die Steinkohle als willkommenes Substitut, vor allem in Form von Koks, da sich die schwefelreiche Steinkohle zur Stahlerzeugung selbst nicht gut eignet. Erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden dann die ersten brauchbaren Elektrostahlöfen entwickelt.
 
Kohle bildete die Basis der industriellen Revolution, die im Grund unsere heutige Maschinenwelt hervorbrachte. In enger Verquickung mit dem Stahl — man denke an den Montanbereich — blieb sie bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts der vorherrschende Primärenergieträger. Erst dann, nach dem Zweiten Weltkrieg, begann der steile Aufstieg des Erdöls, vor allem durch die massive Zunahme des Verkehrs. Das heißt nun freilich nicht, dass andere Energiequellen vollkommen verdrängt wurden. Noch heute nimmt die Kohle einen wichtigen Platz im Energiemix ein. Auch erneuerbare Energiequellen wurden während dieser ganzen Entwicklung weiter genutzt, die Techniken hierfür hat man sogar erheblich verbessert.
 
 Frischer Wind im Energiemix
 
Das lässt sich am Beispiel der Windenergie besonders gut ablesen. Zwar verdrängte auch hier die Dampfmaschine zunehmend die Windmühlen alten Stils. Dafür aber tauchten nun standardisierte, industriell gefertigte Stahlkonstruktionen auf, die als Windmotoren vor allem Wasser pumpten und gleichsam zum technischen Symbol der Erschließung und Besiedlung des amerikanischen Westens aufstiegen. Sie versorgten die abgeschiedenen ländlichen Anwesen mit Trink- und Tränkwasser, und sie bedienten längs der großen Eisenbahnlinien quer durch den Kontinent die Wasserzapfstationen für die Dampflokomotiven. Zum Ende des 19. Jahrhunderts waren in den USA rund sechs Millionen solcher Windmotoren in Betrieb. Ebenfalls noch vor der Wende zum 20. Jahrhundert trieben sie — zunächst probeweise — die ersten Generatoren an und lieferten so elektrische Energie. Und man erforschte zu dieser Zeit auch schon systematisch die aerodynamischen Grundlagen, was wiederum zu besseren Rotoren führte. So speiste bereits 1931 ein Prototyp auf der russischen Halbinsel Krim Strom ins öffentliche Elektrizitätsnetz; bei einem Flügeldurchmesser von 30 Meter erreichte er bei mittleren Windgeschwindigkeiten eine Leistung von maximal 100 Kilowatt.
 
Auch in Frankreich, Großbritannien und Dänemark bauten die Techniker und Ingenieure damals vergleichbare Anlagen. Sogar vor ziemlich exotischen Lösungen schreckten sie — zumindest gedanklich — nicht zurück. In ihrem Reich der Ideen gab es zum Beispiel ballongestützte Windkraftwerke in luftiger Höhe und Aufwindkraftwerke, in denen erhitzte Luft Turbinen antreibt. Die Planungen stießen bereits in große Dimensionen vor: Windräder von 150 Meter Durchmesser sollten sich auf 400 Meter hohen Türmen drehen. Erst vier Jahrzehnte später realisierte man dann tatsächlich große Windanlagen wie den »Growian« in Norddeutschland und ein experimentelles Aufwindkraftwerk in Spanien.
 
Während der 1950er-Jahre brachte der Bau kleinerer Windkraftanlagen vor allem in Dänemark viel praktische Erfahrung und Routine. Damals war von knappem Erdöl noch keine Rede, und auch die Suche nach umweltfreundlicher Energie stand nicht unbedingt auf der Tagesordnung der öffentlichen Debatte. Nur zwanzig Jahre später hatte sich das gründlich geändert, und eine passende alternative Technik war verfügbar, jedenfalls im Prinzip. Seither entstand eine große Zahl an Windkraftanlagen, nicht nur in Dänemark, sondern auch in Deutschland und in den USA.
 
Von Anfang an verfolgten die Ingenieure dabei zwei verschiedene Varianten: Entweder mehrere kleinere Anlagen zu Windparks mit großer Leistung zu koppeln — oder stattdessen eine Großanlage zu bauen. Zunächst verbreiteten sich die Rotoren im kleinen bis mittleren Leistungsbereich von etwa 600 Kilowatt. Erst in jüngerer Zeit drängen die Hersteller nun massiv in den aus ihrer Sicht zukunftsträchtigen Megawattbereich. Dabei bläst ihnen allerdings zunehmender Wind von Seiten der Umweltschützer entgegen, denn denen ist die großtechnische Wendung der Windenergie oftmals ein Dorn im Auge.
 
 Mit Wind auf wirtschaftlichen Wegen
 
Hinter der Windkraft steckt eigentlich die Sonne, die mit ihrer Einstrahlung die Luftmassen unterschiedlich erwärmt. Es bilden sich Gebiete unterschiedlichen Drucks und damit auch die druckausgleichenden Luftströmungen. Die darin enthaltene Bewegungsenergie treibt den Rotor an und dieser einen Generator, der den Strom erzeugt.
 
Das weltweit geschätzte Potenzial an Windenergie übersteigt den gegenwärtigen Bedarf bei weitem. Trotzdem ist die Windenergie keine unerschöpfliche Energiequelle, denn nur ein Teil von ihr lässt sich wirklich nutzen. Eine prinzipielle Grenze, die durch physikalische Gesetze bedingt ist, bildet der aerodynamische Wirkungsgrad der Rotoren. Er beträgt 59 Prozent und wird bisher von keinem Typ erreicht. Der gesamte Wirkungsgrad der von Ingenieuren auch als Windkonverter bezeichneten Anlagen liegt noch einmal niedriger.
 
Technisch gesehen suchen die Ingenieure die großen Dimensionen aus zwei Gründen: Weil die Leistung eines Rotors mit der durchströmten Fläche ansteigt, liegt die Konstruktion immer längerer Rotorblätter auf der Hand. Schon allein deshalb muss dann natürlich auch die Nabe des Windrads höher liegen. Der zweite Grund für den Sprung in die Höhe und die große Dimension hat mit der Windgeschwindigkeit zu tun. Sie ist eine der entscheidenden Schlüsselgrößen für die Leistung des Rotors. Der Wind bläst umso stärker, je höher man sich über dem Erdboden befindet. Dieses Wissen stand hinter den frühen Visionen von Windkraftanlagen, die an Ballons schweben.
 
Während des Windbooms der vergangenen Jahre blieben die Experten freilich erdverbunden und bestückten zunächst die günstigsten Standorte. Diese liegen meist längs der Küsten, wo fast während des ganzen Jahrs ein stetiger, kräftiger Wind weht. Im Binnenland sind vor allem die Höhenlagen der Mittelgebirge vom Wind verwöhnt. Doch hier wie dort werden zumindest in Deutschland die wirklich guten Standorte langsam knapp.
 
Für die Zukunft richten die Planer ihre Blicke heute zwar nicht in die Luft, dafür aber weit hinaus auf die Meere. Dort herrscht nämlich ein viel besseres Windangebot als auf dem Festland. Mit Offshorewindparks vor der Küste ließe sich ein beträchtlicher Teil des verfügbaren Windangebots ernten, das heute noch nicht erschlossen ist. Zudem dürfte es dort vielleicht weniger Probleme mit jenen geben, die sich an großen Windanlagen stören.
 
Die Windparks mitten im offenen Meer sind im Bau und Unterhalt allerdings deutlich teurer als jene direkt an der Küste oder im Binnenland. Zudem ist Windstrom trotz allem noch immer teurer als konventionell erzeugter. So hat auch hier vor allem die öffentliche Förderung — etwa in Form günstiger Bedingungen für das Einspeisen des Windstroms ins öffentliche Netz — die Zahl der Anlagen nach oben schnellen lassen. Der Sprung in die Megawattklasse soll die Wirtschaftlichkeit weiter erhöhen, um möglichst schnell zu echt konkurrenzfähigen Preisen zu kommen, die immerhin schon in greifbare Nähe gerückt sind.
 
 Kochen mit Kernkraft und Sonne
 
Das alte Windrad haben viele Kulturen für die unterschiedlichsten Zwecke verwendet. Schon vor über tausend Jahren diente es in China und Persien zum Wasserschöpfen. Ein anderes technisches Prinzip verfolgte später die europäische Windmühle. Alle Windräder lieferten bis in die jüngste Vergangenheit mechanische Energie, die man zum Pumpen, Sägen oder Mahlen verwendete.
 
In manchen Gegenden der Welt sind diese alten Techniken noch heute in Gebrauch. Die Industrienationen allerdings betreiben ihre Mühlen, Sägen und Pumpen in aller Regel mit Strom. Dieser entstammt unterschiedlichen Quellen, beispielsweise Kernkraft oder Kohle. Einen geringen Teil liefern auch die zur Stromerzeugung weiterentwickelten alten Windmühlen ans Netz. Es gibt also nicht nur den einen energetischen Weg, sondern mehrere Optionen. Beispiele dafür finden wir in Entwicklungsländern, in denen es in vielen Regionen kein öffentliches Stromnetz gibt. Neben traditionellen Techniken zum Fördern von Wasser, nämlich Handpumpe oder Windrad, treibt dort häufig ein Dieselaggregat die Pumpen an. Doch in entlegenen Gegenden ersetzt man den Dieselmotor schon heute durch Photovoltaikanlagen, die unter solchen Bedingungen bereits wirtschaftlich arbeiten. Es kommt also immer darauf an, unter welchen äußeren Bedingungen ein bestimmter Zweck erreicht werden soll. Wir haben es in der europäischen Geschichte am Beispiel der Eisenhütten gesehen: Bedienten sich die Stahlkocher erst der Holzkohle, dann des Kokses, so ist heute auch Atomstrom im Spiel.
 
Ganz ähnlich verhält es sich am heimischen Herd, wo die Speisen traditionell mit Feuerholz gegart wurden. Dann kam die Kohle, später gesellten sich auch Erdölprodukte und Gas hinzu. Heute ist in der Küche Elektrizität selbstverständlich — jedenfalls in den Industrienationen, während in den Entwicklungsländern häufig noch die traditionellen Brennstoffe überwiegen. Doch in manchen Gegenden wird das Feuerholz inzwischen knapp. Als Alternative versuchen Entwicklungshelfer deshalb, den Menschen beispielsweise Solarkocher schmackhaft zu machen, von denen es drei Grundtypen mit verschiedenen Eigenschaften gibt. Manche bringen Wasser in wenigen Minuten zum Kochen und erreichen mehr als 200 Grad Celcius, andere funktionieren ohne Aufsicht und sind robust, wieder andere kosten nur zwischen fünf und zehn Mark. Allerdings ist noch kein Modell erhältlich, das alle diese Eigenschaften zusammen aufweist.
 
Es wäre vermessen, das zukünftige Potenzial des solaren Kochens präzise vorhersagen zu wollen. Aber auch Anhaltspunkte sind interessant. Wenn das maximale Sparpotenzial durch Solarkocher einige Prozent der jährlich zwei Millarden Tonnen Holz für Kochzwecke beträgt, dann sind das grob geschätzt 100 Millionen Tonnen Holz pro Jahr. Die darin steckende Energie entspricht dem deutschen Benzinverbrauch — das ist bei weitem nicht vernachlässigbar, aber eben doch nur ein kleiner Bruchteil des Weltenergieverbrauchs. Ganz anders stellt sich das aus der Sicht der Betroffenen dar: Solares Kochen betrifft potenziell viele — und vor allem viele bedürftige — Nutzer, verbessert deren Lebensqualität und bringt saubere Haushaltsenergie dahin, wo sie am meisten gebraucht wird. Auch in diesem kleinen Anwendungsbereich kann man also im Prinzip ein Grundbedürfnis direkt mit einer erneuerbaren Energiequelle befriedigen.
 
Dipl.-Phys. Bernd Eusemann
 
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
 
Energie und wirtschaftliche Entwicklung
 
Literatur:
 
Biomasse — nachwachsende Energie. Potentiale, Technik, Kosten, bearbeitet von Holger Flaig u. a. Renningen 1998.
 Heinloth, Klaus: Energie und Umwelt. Klimaverträgliche Nutzung von Energie. Stuttgart 21996.
 Heinloth, Klaus: Die Energiefrage. Bedarf und Potentiale, Nutzung, Risiken und Kosten. Braunschweig u. a. 1997.
 
Potentiale regenerativer Energieträger in der Bundesrepublik Deutschland, bearbeitet von R. Hofer u. a. Düsseldorf 1991.
 Wagner, Hermann-Josef/Borsch, Peter: Energie und Umweltbelastung. Berlin u. a. 21998.
 Winter, Carl-Jochen: Die Energie der Zukunft heißt Sonnenenergie. Taschenbuchausgabe München 1995.


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