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2024 | Buch

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Klimagerechte Energieszenarien der Zukunft

Mobilität, Heizung, Industrie - mehr als nur Elektroautos, luftsaugende Wärmepumpen und Windräderstrom

verfasst von: Cornel Stan

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : SDG - Forschung, Konzepte, Lösungsansätze zur Nachhaltigkeit

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Globale Wirtschaft, Wohlstandgrundsätze wie Hauswärme und Mobilität werden in Politik und Medien zunehmend und meist radikal auf dem Altar der Klimarettung geopfert. Vorbei an Physik, Thermodynamik, und technische Vielfalt, werden jeweils monopolartige, universelle Lösungen dekretiert: Automobilantriebe nur noch elektrisch, rückwärtslaufende, luftsaugende "Wohnungs-Kühlschränke" als Heizofen, Strom für die große und kleine, sehr vielfältige Industrie nur noch aus Windrädern und Solarpaneelen, obwohl ihr Beitrag seit Jahrzehnten nahezu vernachlässigbar bleibt.

Dieses Buch entzaubert, auf Basis nachvollziehbarer Zusammenhänge aus Physik und Thermodynamik, solche gefährlichen Klima-Märchen. Wind und Sonne sind gut, aber bei weitem nicht genug. Das Buch beschreibt vielfältige, klimagerechte Kraftstoffe aus Pflanzenresten, Algen, Altölen und Fetten, es beschreibt "grünen" Wasserstoff als Speicher- oder als Zwischenspeichermedium. Es beschreibt aber auch überraschende, unerwartete Energieszenarien, die aus Verkettung sonst üblichen thermischen Maschinen zustande kommen: ein Düsenjet-Strahltriebwerk kombiniert mit einem Dampf-Kraftwerk, ein Panzer mit Dieselmotor als mobiles Heiz- und Kraftwerk?

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Derzeitige Energieszenarien: Dekarbonisierung

Zusammenfassung

Die USA, Saudi-Arabien und Russland produzieren fast die Hälfte des weltweiten Öls. Sollen diese Länder den größten Teil ihres Haushalts aufgeben, soll Exxon, Aramco, Royal Dutch oder BP auf ihre jeweils 100 bis 1000 Milliarden Dollar jährlich verzichten?

Andererseits, gibt es zahlreiche Komitees, Paneele und Organisationen, vom Weltmaßstab bis zur lokalen Ebene: Wem nützen so zahlreiche Vereinigungen aller Welt, die darüber reden und studieren, wenn die Welt brennt?

Anstatt Vorzeigeländer zu Modellregionen der Treibhausneutralität zu machen, sollten diese unzähligen Organisationen koordiniert und gezielt, die vielen armen Länder in Afrika, Asien und Südamerika dringend von Öl, Gas und Kohle retten, und zwar nicht durch Geld, sondern durch konkreten Bau von High-Tech Anlagen, die regenerativen, klimaneutralen, oder klimagerechten Energieformen und- träger produzieren! Zentral, dezentral, einfach, komplex. Jede Stimme zählt.

Cornel Stan

Kapitel 2. Batteriebetriebene Elektroautos und Verbrennungsmotoren mit klimagerechten Kraftstoffen: ergänzen statt ersetzen

Zusammenfassung

Hundert Prozent Elektroautos mit Batterie in Europa in genau einem Jahrzehnt, Null Verbrenner, so die Europäischen Gesetzte, unabhängig davon, ob sie kohlendioxidneutrale Kraftstoffe in modernen Verbrennungsmotoren etwas Ähnliches auch schaffen. Und was für Europa gilt, wird gewöhnlich für den ganzen Globus verallgemeinert. In der Welt gibt es aber 1,4 Milliarden Autos, davon 10 Millionen, also unter einem Prozent, Elektroautos.

Von 1 auf 100%, woher soll der Strom kommen? Auch aus den Kohlkraftwerken in China?

Der Verbrenner kommt wieder, aber mit klimagerechten Brennstoffen, nicht um die Elektroautos mit Batterie zu ersetzen, sondern um diese zu ergänzen. Durch das Recycling von Kohlendioxid in der Natur verursachen solche Maschinen, betrieben mit synthetischen oder mit erneuerbaren Kraftstoffen keinen Klimawandel und sind in Fahrzeugen, auf Schiffen, in Lastwagen und in Baumaschinen zu finden.

Cornel Stan

Kapitel 3. Wärmepumpen: Wärmetransport gegen Natur benötigt Arbeit

Zusammenfassung

Ab 2024 werden jährlich 500.000 neue Wärmepumpen installiert, laut mehrerer Regierungsvertreter (2023). Und weiter: Wärmepumpen sollen eine klima-freundliche Wärmeversorgung für deutsche Haushalte sein - anders als Öl und Gas. Zugelassen dennoch nach den Bundesgesetzen: Wärmenetz, Biomasse, Wasserstoff-Statthalter, Pellets - aber eben mit 65% erneuerbaren Energien. Förderung aus Bundesmitteln, noch im Jahr 2023, 75%, dann 30%. Und die Luftwärmepumpen sind laut den meisten Anbietern „wesentlich preiswerter als Erd- und Grundwasserwärmepumpen“. 500.000 neue, im Wesentlichen winterluft-saugende Wärmepumpen zum Heizen von Häusern. Die Wärmepumpen, ob mit Luft, Erde oder Abwasser als warme Quelle, haben grundsätzlich die Aufgabe, von einer „kalten“ zu einer „warmen“ Umgebung Energie als Wärme zu transferieren und das kostet, nach der Energiebilanz für das zyklische Prozess in dem Arbeitsmedium, eine entsprechende Energie, meist als Arbeit. Das geschieht meist in Form von Elektroenergie aus der Steckdose. Allerdings, mit Winterluft als Wärmequelle bei weitaus niedrigerem Wirkungsgrad als mit warmem Wasser aus Abwasserleitungen.

Cornel Stan

Kapitel 4. Photovoltaik für Elektroenergie und für klimagerechte Brennstoffe

Zusammenfassung

Photovoltaik-Solarmodule sind exakt mit 43 bis 134 W pro Quadratmeter Paneel-Fläche angegeben, in der Praxis pegelt sich aber der Wert um 100 W/m² ein. Die elektrische Leistung [W] pro Quadratmeter [m²] ist ein effizienter Indikator dafür, wie groß die Paneel-Fläche für eine gewünschte Leistung sein muss.

Das wahre Potential der Photovoltaik besteht jedoch darin, neben der direkten Umwandlung in Elektroenergie, die Herstellung von Wasserstoff, als Brennstoff für Industrie, Heizungen, für „Verbrenner“ und Brennstoffzellen in Automobilen. Wasserstoff als Basis für die Bildung hydrierten Pflanzenölen, aus Pflanzenreste aber auch aus Frittierfett von Pommes Frittes. Elektrolytisch generierter Wasserstoff mittels Photovoltaik, verpackt in Ammoniak und Pflanzenölen, ist logistisch weitaus günstiger als die Speicherung der Photovoltaik-Elektroenergie in Batterien oder als der energieverlust-behaftete Transport über schwere, tausende von Kilometern langen Kabeln nach Europa und Amerika.

Cornel Stan

Kapitel 5. Windenergieanlagen für Strom und Mobilität

Zusammenfassung

Wind generiert Energieströme, wegen seiner Geschwindigkeit, und das hoch drei! Die Nennleistung (Soll-Größe) aller Windkraftanlagen auf der Welt klingt bei 906 Terawattstunden zwar gewaltig, das macht aber nur 7,6% der weltweiten Stromproduktion aus. Zwischen der Soll-Größe Nennleistung und dem tatsächlichen Ist-Wert wurde die Volllaststunde eingeführt, (Jahresnutzungsgrad, Kapazitätsfaktor), die im Durchschnitt lediglich bei 20% bleibt.

Weil der Wind nach Durchströmen eines Windrads nicht stehen bleiben kann, wird dazu noch ein „Leistungsbeiwert“ abgeleitet. Und der liegt bei nur 60%, trotz Optimierung der Strömungsprofile der Schaufel und ihrer Richtungsflexibilität. 30.000 On-Shore (auflandige) Windanlagen, und 5500 Off-Shore (vor der Küste) und ganze Windparks wurden bereits gebaut, deren Volllaststunden allgemein zunehmen. Ein einziges Kernkraftwerk schafft aber das Hundertfache im Vergleich mit einem Windpark! Nichtdestotrotz, die Windkraftanlagen bringen derzeit ein Fünftel der Elektroenergie zustande.

Cornel Stan

Kapitel 6. Wasserstrom und Wasserkraftwerke

Zusammenfassung

Jedes fließende Wasser generiert Energie, durch seinen Massenstrom und durch seine potentielle Energie, meist dargestellt durch die Wasserfall-Höhe einen Energiefluss, der in mechanische Energie und weiter in elektrischer Energie umgewandelt wird. Die Fallhöhe, bei Wasser, führt manchmal zur gleichen Geschwindigkeit wie jene der Luft über Patagonien. Die gewaltige Dichte ändert aber kräftig die Größenordnungen zwischen Wasser- und Windkraftanlagen: Die größte Windkraftanlage, GE Cypress in den Niederlanden hat eine maximale Leistung von 5,3 Megawatt – das „Drei-Schluchten-Wasser-Kraftwerk“ in China 22.500 Megawatt.

Die Leistung in der Elektrik-, Wind- und Wasserströmung hat doch die gleichen Wurzeln: eine Intensität (elektrischer Strom, Massenstrom von Luft und Wasser) und ein Potential (elektrische Spannung, Windgeschwindigkeit, Wasser Geschwindigkeit infolge des Höhenunterschieds). Die Vielfalt der Wasserkraftwerke in der Welt liegt auf die Art der Kombination zwischen großen/geringen Massenstrom und der Strömungsgeschwindigkeit, hervorgerufen durch große oder kleine Fallhöhe.

Cornel Stan

Kapitel 7. Kernenergie für Wärme und Elektroenergie: klimagerecht, ausreichend, aber bedenklich

Zusammenfassung

Die Kernenergie hatte um 1950 bereits einen Anteil von 15-18% in der Elektroenergie-Versorgung, was aber aus Gründen vielfältiger Art, von Sicherheit, Entsorgung des Atommülls, aber vor allem wegen der gewaltigen Kosten während der Errichtung, bis auf 10% abnahm. Ihr Anteil an Energieerzeugung bleibt dennoch über jenen der Wind- und Sonnenenergie oder der Photovoltaik, die Energieentfaltung ist jedoch unvergleichbar höher. Fast alle Kernkraftreaktoren weltweit sind Druckwasserreaktoren, mit zwei getrennten Kreisläufen: Im ersten Kreislauf wird das Wasser in dem „Badeofen“ mit Hilfe der Kernreaktion auf etwa 300 Grad Celsius angeheizt. Mit heißem Wasserdampf im Kessel kann man dann eine Dampfturbine mit Arbeit versehen, die einen Stromgenerator dreht. Wegen der Maximaltemperatur auf welcher der Kernreaktor aus Sicherheitsgründen begrenzt ist, bleibt der thermische Wirkungsgrad bei 33 bis 40%, also unter dem eines modernen Kohlekraftwerks. Die Entsorgung des Atommülls bleibt nach wie vor ein offenes Problem, auch wenn es zahlreiche, vielversprechende Ansätze gibt.

Cornel Stan

Kapitel 8. Strahltriebwerk-Strömung anstatt Kernreaktion: Energie für Wärme und Strom

Zusammenfassung

Anstatt Wärme von der Kernreaktion, bei 300° Celsius, wird in diesem Fall eben Wärme aus der Düse einer Gasturbine, in der die gewaltige Abgasströmung, bei bis zu 1200° C, auf den Dampfkessel strömen zu lassen, was den von der Maximaltemperatur des Wasserdampfes abhängige thermische Wirkungsgrad nahezu verdoppelt!

Wärme aus der Düse einer Gasturbine zu erzeugen ist mit einem Strahltriebwerk möglich: ein solches Strahltriebwerk ist, beispielsweise, für ein Kraftwerk das 340 [MW] leistet) ist 13 Meter lang, und hat einen Umfang von etwa 5 Metern. Die Abgasströmung mit 820 kg/Sekunde hat eine mittlere Temperatur von 625°.

Dafür wird ein klimagerechter, regenerativer Brennstoff eingesetzt: Fettsäuremethylester (abgekürzt FAME von englisch fatty acid methyl ester). Das besteht aus Verbindungen von einer Fettsäure mit einem Alkohol (Methanol). Ein Gemisch aus mehreren Arten von FAME Produkten, das aus pflanzlichen (Rapsöl) oder tierischen Fetten (Schmalz) und Alkohol (Methanol) wird bereits als Brennstoff für Dieselmotoren (Biodiesel) verwendet.

Cornel Stan

Kapitel 9. Wärme und Elektroenergie aus Abfall und Biomasse als Treibhausemission-Minderung

Zusammenfassung

Die noch vorhandene Energie im Abfall (Bauschutt, Abfallholz, Papier und Pappe) kann durch Verbrennung zur Wärme gebracht werden, die zum Teil als Arbeit nutzbar ist. Minderung ist nicht Meidung der Treibhausemissionen, aber immerhin eine wesentliche Entlastung.

Im Heizkraftwerk München-Nord werden 800 Tausend Tonnen Steinkohle aber eben auch 650 Tausend Tonnen Restmüll verbrannt, woraus 900 Megawatt Wärme und 411 Megawatt Strom entstehen. Als Vergleich, in Bozen/Südtirol, wo 52% der Abfälle der Region recycelt werden, werden aus 130 Tausend Tonnen Restmüll 59 Megawatt Wärme und 15 Megawatt Elektroenergie generiert. Ein Dieselmotor anstatt Kessel und Dampfturbine, Motor-Kühlwasser anstatt Heizkessel. Durch die Nutzung des, in diesem Fall, stationär arbeitenden Diesel, als Wärmespender via Kühlwasser, steigt der thermische Wirkungsgrad des Dieselmotors auf 80 bis 90%.

Cornel Stan

Kapitel 10. Alternative Brennstoffe für umweltgerechte Wärme- und Arbeitsmaschinen

Zusammenfassung

Wenn Kohlenstoff in der Struktur eines Energieträgers vorkommt, ob dieser fossil oder regenerativ ist, resultiert bei jeder Energieumwandlung, durch Verbrennung oder durch eine sonstige chemische Reaktion, (Wärme oder elektrischer Energie) und Kohlendioxid. Der Unterschied zwischen fossilen und regenerativen Energieträgern besteht jedoch in dem partiellen Recycling des aus regenerativen Energieträgern entstandenen Kohlendioxids, weil innerhalb des fotosynthetischen Pflanzenernährungszyklus Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbiert wird. In diesem Zusammenhang hat Ethanol aus Pflanzen und aus Bioabfällen ein beachtliches Potential für die Zukunft der Verbrennung in Ethanol-basierten Motoren für Automobile, Baumaschinen, Traktoren und Schiffe. Neben Alkohole wie Ethanol, Methanol und Dimethylether zählen dazu Biokraftstoffe wie Fettsäure-Methyl-Esther (FAME) oder hydrierten Pflanzenöle (HVO). Synthetische Kraftstoffe eröffnen weitere Potentiale für die Nutzung in Wärmekraftmaschinen.

Nicht der „Verbrenner“ muss ersetzt werden, sondern das, was er zu verbrennen hat.

Cornel Stan

Backmatter

Titel: Klimagerechte Energieszenarien der Zukunft
verfasst von: Cornel Stan
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-68858-8
Print ISBN: 978-3-662-68857-1
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-68858-8

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