Unendliche Energien?
Ursprung: Kohle ist ein dunkelbraunes bis schwarzes Sedimentgestein, das im Lauf langer Zeiträume aus Holz oder anderen pflanzlichen Stoffen unter Luftabschluss entstanden ist.Bei diesem Inkohlungsprozess werden Verbindungen des Kohlenstoffs (C) angereichert, während die Anteile von Wasserstoff und Sauerstoff abnehmen. Torf, Braunkohle, Steinkohle und Anthrazit sind verschiedene Stufen der Inkohlung. Torf (40-60% C) bildet sich in Mooren (Torfmooren) und besitzt einen sehr hohen Wassergehalt. Braunkohle (60-70% C) zeigt noch pflanzliche Struktur (untergegangene tropische Urwälder aus dem Tertiär) und ist von einer Deckgebirgsschicht geringer Mächtigkeit (kleiner Druck) überlagert; Alter: 40-50 Mio. Jahre. Bei Steinkohle (70-90% C) hängt der Grad der Inkohlung außer vom geologischen Alter (250-350 Mio. Jahre; Perm, Karbon) noch von der Temperatur und dem Gebirgsdruck ab. Anthrazit ist die kohlenstoffreichste Steinkohle (90-99% C). Förderung: Nach Erschließung einer Lagerstätte und dem Ausbau des Bergwerks wird die Kohle in besonderen Abbauverfahren gewonnen. Zum einen handelt es sich dabei um die „schneidende“ Walzenladertechnik, zum anderen um die „schälende“ Hobeltechnik. Die geförderte Rohkohle ist zur direkten Verwendung praktisch ungeeignet. Immer müssen die mineralischen Bestandteile mit Hilfe mechanischer Aufbereitungsverfahren (Zerkleinern, Trocknen u. a.) abgetrennt werden. Einsatzfelder: Ein Kohlekraftwerk funktioniert ganz ähnlich wie eine gigantische Dampfmaschine: Kohle wird zu Staub vermahlen und mit heißer Luft in den Kessel geblasen. Dort verbrennt sie bei Temperaturen um die 1300 Grad. Die heißen Rauchgase bringen Wasser in Rohren zum Sieden. Der erzeugte Dampf setzt die Turbinen im Maschinenhaus in Bewegung. Generatoren wandeln die Bewegungsenergie in Strom um. Damit sich der bis zu 500 Grad heiße Dampf wieder in Wasser verwandelt, fließen täglich Millionen Liter kaltes Wasser durch Kondensatoren. Meist wird es aus einem Fluss, dem Meer oder einem Kanal entnommen. Im Kühlturm wird das aufgeheizte Wasser in feinsten Tröpfchen verrieselt. So kann es seine Wärme abgeben, bevor es wieder zurück an die Umwelt geleitet wird.Heute wird nur noch ein geringer Teil der aufbereiteten Kohle direkt zur Wärmeerzeugung (Heizkraftwerke) genutzt. Die weitaus größte Menge wird mit Hilfe thermischer (Schwelung, Verkokung) und chemischer Verfahren (Vergasung, Hydrierung) zu höherwertigen Energieträgern oder auch zu Kohlenstoffprodukten veredelt. Deshalb wird es immer wichtiger, die Kohle kostengünstig in hochwertige, marktgerechte Produkte umzuwandeln. Man bemüht sich, auf der Basis bekannter Verfahren verbesserte oder neue Veredlungsprozesse mit guter Wirtschaftlichkeit zu entwickeln, die gleichzeitig den Anforderungen des Umweltschutzes genügen.Kohlekraftwerke haben zwei Hauptprobleme: 1. Die Kohlevorräte sind begrenzt. 2. Beim Verbrennen entstehen schädliche Abgase, zum Beispiel Kohlendioxid.
Ursprung: Erdöl ist ein in bestimmten Schichten der Erde lagerndes Gemisch von etwa 500 unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen, hauptsächlich Aliphaten, Naphthenen und Aromaten mit wechselnden Anteilen ungesättigter Kohlenwasserstoffe. Erdöl ist der wichtigste natürlich vorkommende Energieträger und einer der wichtigsten Rohstoffe. Das unmittelbar aus der Erde kommende, nicht gereinigte Erdöl wird als Rohöl bezeichnet. Es enthält außerdem organische Säuren, Phenole, schwefel- und stickstoffhaltige organische Verbindungen sowie asphaltartige Stoffe. Die Farbe ist wasserklar bis fast schwarz, grünlich fluoreszierend, viskos; Dichte zwischen 0,65 und 1,02. Man nimmt an, dass sich das Erdöl in vorgeschichtlicher Zeit (die ältesten Lager vor ca. 3 Mrd. Jahren) hauptsächlich aus abgestorbenem marinem Plankton (Faulschlamm) in flachen Meeresbuchten gebildet hat, und zwar unter Bedingungen, unter denen gewöhnliche Fäulnisprozesse nicht stattfinden konnten (z. B. hoher Salzgehalt), und unter dem Einfluss von Bakterien, großem Druck und Hitze. Es entsteht zunächst Erdölmuttergestein. Unter bestimmten Bedingungen wandert das Erdöl in der Erdkruste nach oben, bis es unter undurchlässigen Erdschichten festgehalten wird und sich hier sammelt (Lagerstätte). Die chemische Zusammensetzung schwankt je nach Fundort.Förderung: Befindet sich das Erdöl nahe der Erdoberfläche, kann es im Tagebau gewonnen werden. Meist muss es aber aus großen Tiefen gefördert werden. Dazu wird die Lagerstätte zunächst mit einer Tiefbohrung erschlossen. Da das Erdöl in der Lagerstätte meist unter hohem Druck steht, wird es oft schon durch den Eigendruck durch das Bohrloch nach oben gepresst (eruptive Förderung, Primärförderung). Reicht der Druck für die Förderung nicht aus, wird das Öl mit Tiefpumpen hochgepumpt. Der Druck lässt sich erhöhen und die Förderung intensivieren, indem vergesellschaftetes Erdgas, manchmal auch Wasser, zurück in die Lagerstätte gepumpt wird und das Erdöl nach oben drückt (Sekundärförderung). Auf diese Weise können 20 bis 50 % des Erdöls aus einer Lagerstätte gewonnen werden. Durch spezielle Verfahren (Tertiärförderung) kann die Erdölausbeute noch einmal gesteigert werden, aber ein beträchtlicher Rest bleibt dennoch unzugänglich. Besondere Anforderungen stellt die Erdölförderung aus Lagerstätten unter dem Meeresboden („Off-shore-Förderung“). Hier erfolgt die Förderung von auf dem Gewässergrund stehenden oder darüber schwimmenden Bohrplattformen aus. Das gewonnene Rohöl wird durch Rohrleitungen (Pipelines) oder mit Tankschiffen zur weiteren Verarbeitung zu den Erdölraffinerien transportiert. Einsatzfelder: Erdöl dient zur Erzeugung von Treibstoff für fast alle Verkehrs- und Transportmittel, als Heizöl für Fabriken und Haushalte, Schmieröle, Maschinenöle und Lösungsmittel. Es dient zur Herstellung von Elektrizität und in der chemischen Industrie zur Herstellung von Kunststoffen, Farbstoffen, Waschmitteln, Pharmazeutika und vielen anderen chemische Verbindungen.
Ursprung: Erdgas ist ein in der Erdkruste vorkommendes brennbares Gemisch aus Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung je nach Fundstätte. Hauptbestandteil ist immer Methan. Trockenes Erdgas enthält außerdem wenig Ethan und ist oft mit Wasserdampf gesättigt oder enthält Gashydrate oder flüssiges Wasser. Nasses Erdgas enthält zusätzlich größere Mengen höhermolekularer Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan und Ethylen sowie Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Helium und Stickstoff. Erdgas ist auf ähnliche Weise wie Erdöl aus tierischen und pflanzlichen Organismen entstanden und hat sich vielfach unter hohem Druck über dem Erdöl angesammelt. Förderung: Da Erdgas in der Erde gewöhnlich unter hohem Druck steht, strömt es nach Anbohren der Lagerstätte von selbst zu Tage. Einsatzfelder: Erdgas wird zum größten Teil zur Energiegewinnung, aber auch als Rohstoff für die chemische Industrie genutzt. Nach Erdöl und Kohle ist Erdgas weltweit der drittwichtigste Energielieferant.
Vorkommen: Die Erdoberfläche ist zu etwa 71% mit Wasser bedeckt. Das meiste Wasser befindet sich als Salzwasser in den Ozeanen (ca. 97%). Der Rest entfällt in Form von Süßwasser auf Seen und Flüsse, Grundwasser, Gletscher und Polareis, Boden- und Luftfeuchtigkeit. Wiederum nur ein geringer Teil davon ist als Trinkwasser zugänglich. Wasser bewegt sich in einem ständigen Kreislauf: Es verdunstet und geht dabei in den gasförmigen Zustand (Wasserdampf) über, kondensiert bei Abkühlung der Luft und gelangt in Form der verschiedenen Niederschlagsarten zur Erdoberfläche zurück. Wasser ist ein wichtiges Klimaelement und durch Verwitterung und Erosion auch maßgeblich für die Gestaltung der Erdoberfläche. Gewinnung: Um mit Wasser Energie zu gewinnen, werden Flüsse aufgestaut und das Strömen des Wassers in Kraft oder Strom umgewandelt. Daher gibt es hohe Staudämme, die riesige Seen aufgestaut haben. Auch die Wasserbewegungen beim Tidenwechsel von Ebbe und Flut können in Strom umgewandelt werden.Einsatzfelder: Am Fuße von Staudämmen stehen Wasserkraftwerke, deren Turbinen durch das herabströmende Wasser angetrieben werden. In Gezeitenkraftwerken werden Wasserbewegungen beim Tidenwechsel in Strom umgewandelt.
Ursprung: Die Sonne ist ein rund 4,6 Mrd. Jahre alter Stern und der Zentralkörper unseres Planetensystems (Sonnensystems); mit einer mittleren Entfernung von der Erde von 149,6 Mio. km der erdnächste und wichtigste Stern, ohne den es kein Leben auf der Erde gäbe. Sie ist eine Gaskugel mit einem Durchmesser von 1,392 Mio. km (109-facher Erdäquatordurchmesser). Gewinnung: Der von der Sonne als Strahlung emittierte Energiebetrag, der durch Kernfusion im Innern der Sonne freigesetzt wird, beträgt pro Flächeneinheit senkrecht zur Verbindungslinie Sonne-Erde außerhalb der Erdatmosphäre 1,38 kW/m2 (Solarkonstante), wovon durch Reflexion und Absorption an bzw. in der Atmosphäre ein großer Teil verloren geht.Schon im letzten Jahrhundert wurde der fotoelektrische Effekt entdeckt, d. h. das Phänomen, dass Sonnenlicht in einem bestimmten Stoff einen Stromfluss auslösen kann. Durch die Energie des Sonnenlichtes werden Elektronen aus den Hüllen von Atomen freigesetzt. Die wandernden Elektronen kann man mit Stromfluss gleichsetzen. Einsatzfelder: Die Solarenergie kann zur Stromerzeugung (Solarkraftwerk, Solarzelle) und Wärmeerzeugung (Solarheizung) genutzt werden.Dafür werden Häuser mit auch für diffuse Sonneneinstrahlung geeigneten Flachkollektoren, die vor allem der Niedrigtemperatur-Wärmegewinnung für Brauchwasser und Heizzwecke dienen, sowie mit Photovoltaik-Anlagen ausgestattet. Zur Erzielung höherer Arbeitstemperaturen müssen die Sonnenkollektoren mit optischen Mitteln - wie z. B. Glas- oder Metallspiegeln - ausgerüstet sein, die die Sonnenstrahlen konzentrieren. Diese Art der photothermischen Nutzung der Solarenergie bietet sich besonders in sonnenreichen Ländern an. Die erste solarthermische Großanlage, die aus mehreren Kraftwerken mit einer Gesamtleistung von 354 MW besteht, wurde 1984 in der kalifornischen Mojave-Wüste in Betrieb genommen.
Ursprung: Erdwärme ist die Eigenwärme des Erdkörpers, schon in geringer Tiefe (30 m) bemerkbar; sie beruht auf der bei radioaktiven Zerfallsprozessen frei werdenden Wärme und gewinnt als Energieträger an Bedeutung. Gewinnung: In vulkanisch aktiven Gebieten wie z. B. auf Island ist der Untergrund oft so warm, dass diese Erdwärme genutzt werden kann. Dazu wird Wasser mit Rohrleitungen in die Tiefe gepumpt und erhitzt wieder gefördert. Das heiße Wasser wird vor allem zu Heizzwecken oder zur Warmwasserbereitung verwendet.Der Wirkungsgrad eines Erdwärmekraftwerkes mit Kalina-Technik liegt im Vergleich zum Wasser-Dampf-Kreislauf deutlich höher und ermöglicht bereits bei niedrigen Temperaturen gute Wirkungsgrade. Beim Kalina-Prozess zur Stromerzeugung wird eine Mischung aus Wasser und Ammoniak eingesetzt. Das Mischungsverhältnis der Medien im Kreislauf kann beliebig verändert werden. Im Gegensatz zu reinen Arbeitsmedien wie Wasser siedet das Gemisch über einen großen Temperaturbereich bei vorgegebenem Druck. Die Stromerzeugung aus Thermalwasser im Temperaturbereich zwischen 100 und 150 Grad wird so wirtschaftlich. Einsatzfelder: Zum Heizen hat Erdwärme schon eine lange Tradition. Auf der Insel Lipari bei Sizilien wurde bereits 1500 von Christus ein Thermalbad gemauert und in der Toskana existierte schon 1904 die erste moderne Erdwärmeheizung. Dort nahm neun Jahre später das erste geothermische Kraftwerk seinen Betrieb auf. Island gewinnt heute den größten Teil seiner Energie aus Erdwärme und Neuseeland erzeugte 2005 acht Prozent seines Strombedarfs durch Geothermie. Auch in Deutschland hat Erdwärme Zukunft. In Norddeutschland, Thüringen, am Oberrhein, im südlichen Baden-Württemberg und in Bayern gelten die Bedingungen dafür als besonders günstig. Das erste ganzjährig industriell nutzbare Geothermiekraftwerk Deutschlands wurde im November 2007 in Betrieb genommen.
Entstehung: Biomasse ist die Gesamtmenge an lebenden und toten Organismen und ihren Stoffwechselprodukten in einem Lebensraum (gemessen in Frisch- oder Trockengewicht pro m3 Volumen oder m2 Oberfläche). Biomasse wird im Wesentlichen durch die Photosynthese der Pflanzen aufgebaut, nur in verschwindend geringem Maß durch Chemosynthese von Bakterien. Sie dient vor allem als Nahrungs- und Futtermittel, außerdem in Form von Holz, Stroh oder Dung als traditionelles Brennmaterial sowie zur Gewinnung von Faserstoffen und zur Papierherstellung. Produkte von zucker-, stärke oder ölhaltigen Pflanzen zählen auch zur Biomasse. Förderung: Die bei Land- und Forstwirtschaft entstehenden Abfälle (Pflanzen, Stroh, Bruchholz) sind Beispiele für Biomasse, die verbrannt werden muss, um Wärme abzugeben. Pellets sind industriell gefertigte Brennstoffe aus Holzabfällen und Waldrestholz. Der aus Rapsöl hergestellte Rapsölmethylester – oder auch Biodiesel – ist ebenfalls ein wichtiger Bioenergieträger. Einsatzfelder: Biomasse ist CO2-neutral: Bei der Verbrennung wird nur so viel Kohlendioxid frei, wie die Pflanze im Laufe ihrer Lebensdauer aufgenommen hat. Dasselbe würde aber auch passieren, wenn sich die Biomasse auf natürliche Weise in der Natur abbaut und verwest.In einem Biomassekraftwerk wird Biomasse verbrannt. Das dabei entstehende Rauchgas wird genutzt, um Dampf zu erzeugen. Erst im Anschluss wird über einen Generator Strom erzeugt. Ein Vorteil bieten dem gegenüber Blockheizkraftwerke: Hier wird die bei der Stromerzeugung entstehende Abwärme über Wärmetauscher in Heizungsanlagen eingespeist.
Entstehung: Biogas ist durch mikrobielle Zersetzung von organischen Substanzen unter Luftabschluss entstehendes Gas. Biogas besteht aus ca. 60% Methan, 35% Kohlendioxid sowie Stickstoff, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff. Es hat mit ca. 25 MJ/m3 einen hohen Heizwert und bildet sich z. B. bei der Abwasser- und Abfallbehandlung (Klärgas, Deponiegas). Gewinnung: Organische Substanzen wie Lebensmittelabfälle, Maissilage, Altfett, Rinder- und Schweinegülle werden in technischen Verfahren zur Energiegewinnung herangezogen (Biogasverwertung). Einsatzfelder: Eine moderne Biogasanlage hat einen licht- und luftdichten Gärbehälter, in dem Mikroorganismen die organischen Stoffe abbauen und dabei Biogas produzieren. Der gewonnene Energieträger wird in Behältern gelagert und in ein Blockheizkraftwerk oder Kraft-Wärme-Aggregat geleitet, um dort in Strom umgewandelt zu werden.