Energie – Klima – Ressourcen

Wozu ist dieses Buch da? Was ist neu, was ist anders? Wo kommt es her, welche Ziele hat der Autor? An wen richtet es sich und was kann man damit machen?

Ingenieurinnen und Ingenieure werden unsere zukünftige Energietechnik entwickeln, planen, konkrete Projekte zur Installation durchführen und überwachen, sowie Wartung, Instandhaltung und Änderungen vorsehen und begleiten. Die weitere Verfügbarkeit von günstiger Energie ist eine grundlegende Voraussetzung für das Weiterbestehen unserer Gesellschaft, erst durch sie werden die Herstellung, der Betrieb und die Entsorgung unserer gesamten Technik möglich (Smil 2017). Gleichzeitig ändern sich mit und ohne Energiewende gerade die Rahmenbedingungen für diese Energietechnik. Auch viele andere Entscheidungsräume der Gesellschaft und damit für die Technik verschieben sich. Diese Situation ist der Gegenstand dieses Buches. Das Ziel ist es, Werkzeuge und Fähigkeiten zu vermitteln, die es heutigen und zukünftigen Ingenieuren ermöglichen, ihre Aufträge möglichst klar zu beschreiben, ihren Handlungs- und Entscheidungsraum gut zu erkennen und damit möglichst gut belastbare Entscheidungen zu treffen. Das Buch richtet sich an alle technischen Disziplinen, da jede für ihren Bereich neben der eigenen disziplinären Expertise auch gemeinsame grundlegende Kompetenzen benötigt: Ingenieure brauchen ein tiefes fachliches Wissen zusammen mit einer breiten überfachlichen Basis, auf der sie arbeiten. Daher liefert es eine breite, über die Grenzen der Technik reichende Expertise, um in den hier vertieften Themenbereichen handlungs- und entscheidungsfähig zu sein.

Wie wollen wir die anstehenden gesellschaftlichen und technischen Probleme aus einer allgemeinen umwelttechnischen Sicht lösen? Was genau kennzeichnet diese relevanten Probleme und woran erkennen wir eine gute Lösung? Dieser Abschnitt soll uns erst einmal diese Orientierung verschaffen, bevor dann die nächsten Abschnitte fachlich werden.

Für die hier dargestellten Methoden und Beispiele benötigt man ein Rüstzeug aus Konzepten, Definitionen und Formeln aus einer Grundvorlesung Thermodynamik. Die wichtigsten Punkte werden in diesem Abschnitt zusammengefasst; Details, Herleitungen und Vertiefung finden sich in der umfangreichen Fachliteratur. Thermodynamik für Ingenieure ist bewusst auf eine makroskopische Beschreibung der Stoffe und ihrer Eigenschaften beschränkt. Inzwischen gibt es auch vollständig makroskopisch argumentierte Herleitungen der Thermodynamik (Thess 2014). Dies ist auch hier der Ansatz, trotzdem sind einige wenige Bezüge auf eine mikroskopische Beschreibung notwendig. Eine gute Verknüpfung von mikroskopischer und makroskopischer Beschreibung findet sich bei (Goodstein 2015).

Ziel dieses Buches ist es, wichtige Werkzeuge vorzustellen und ihre Anwendung zu illustrieren, mit denen Energietechnik bewertet werden kann. Insbesondere sollen dafür Methoden bereitgestellt werden, die aus einer thermodynamischen Perspektive heraus abschätzen, welche ihrer Ziele eine Energietechnik erreicht und welche Umweltauswirkungen sie dabei hat. Hierzu benötigt man durchgängig eine systemische Betrachtung. Diese systemische Betrachtung entsteht durch klar gewählte Systemgrenzen und Methoden, die den Lebensweg eines Produktes möglichst vollständig beschreiben.

Wachstum ist eines der Kernthemen unserer Gesellschaft (Hall 2018). Dieser Abschnitt liefert die grundlegende mathematische Beschreibung für das Wachstum einer Größe sowie weitere Zusammenhänge, die für eine Analyse oder Bewertung benötigt werden. Dabei ist die Analogie mit dem Konzept der Zinsen bzw. des verzinsten Kapitals für das Verständnis hilfreich. Unter dem Begriff des Wachstums wird auch Wachstum mit einer negativen Rate, also Schrumpfen, beschrieben.

Um Technologien für die Energiebereitstellung bewerten und diese Bewertung verständlich kommunizieren zu können, sind grundlegende Kennzahlen ideal. Dieser Abschnitt erläutert relevante allgemeine Kennzahlen, wie sie für den Vergleich und die Bewertung von Kraftwerken und Infrastruktur herangezogen werden können. Dabei werden zuerst ganz allgemeine Konzepte vorgestellt, die über den Fokus dieses Buches hinaus angewendet werden. Die konkreten Kennzahlen folgen dann alle dem Rahmen, den die Norm ISO 13602-1 aufspannt.

Die günstige Bereitstellung von ausreichend Energie zu jeder Zeit und an jedem Ort ist die zentrale Grundlage unserer heutigen Gesellschaftsstruktur, alles Weitere folgt daraus (Fizaine 2016, Friedemann 2016, Perkins 2017, Smil 2017). Alle anderen, insbesondere wirtschaftlichen Aspekte hängen an dieser Voraussetzung (Hall 2018). Aus diesem Grunde ist die Bewertung von technischen Konzepten und Lösungen, die eine langfristige Bereitstellung von ausreichender und günstiger Energie sicherstellen sollen, von großer Bedeutung. Dieser Abschnitt stellt wesentliche Konzepte dar und blickt auf die Frage, was ausreichend und günstig sein kann.

Die Nutzung von Energieströmen der Erde erscheint heute als einzige relevante Möglichkeit, nach dem Ende des Zeitalters der fossilen Brennstoffe Energie für menschliche Nutzung bereitzustellen. Die zwischenzeitlich vermutete Backstop-Technologie der Kernfusion steht für heutige Lösungen nicht zur Verfügung. Dieses Ende fossiler Energieträger ist heute klar absehbar, es folgt (i) aus der Erschöpfung lohnender Vorkommen (McGlade 2015), (ii) möglicherweise aus freiwilligen Beschränkungen im Rahmen des Klimaschutzes (IPCC 2018) oder (iii) als Ergebnis eines Desasters (Rees 2003).

Die Bereitstellung von Wärme ist tief verbunden mit dem, was menschliche Kultur und Zivilisation ausmacht. Auch heute ist Wärme eine der unabdingbaren Technologien in nahezu allen Lebensbereichen und technischen Anwendungen. Hierbei gibt es eine Vielzahl von Varianten, abhängig von der notwendigen Temperatur, der benötigten Prozessatmosphäre und weiteren Anforderungen an den einzelnen Prozess.

Dieser Abschnitt beschreibt konkret Methoden für die Bereitstellung von mechanischer Leistung, bei der eine Umwandlung von einer Form mechanischer Arbeit in eine andere erfolgt. Grundsätzlich wird auch diese Form der Energiewandlung in der Thermodynamik betrachtet. Da Arbeit keine Entropie transportiert, kann theoretisch bei der Energiewandlung von Arbeit in eine andere Form der Arbeit ein Wirkungsgrad von 1 erreicht werden. Tatsächlich ist aber jede Form der Energiewandlung mit gewissen Verlusten verbunden. Diese Verluste äußern sich als Reibung. Diese Dissipation geht dabei der nutzbaren Arbeit verloren und erzeugt Entropie.

Dieser Abschnitt stellt die relevanten technischen Methoden zur direkten Umwandlung von Energieströmen im System Erde in elektrische Energie vor. Im vorigen Abschnitt ging es um die Bereitstellung von Wellenarbeit, die dann mit einem Generator in Elektrizität umgewandelt werden kann. Mit speziellen Bauteilen aus Halbleitermaterial gelingt auch die direkte Umwandlung der Strahlung der Sonne in Elektrizität.

Brennstoffe zu speichern ist für die meisten relevanten Primärenergieträger technisch einfach und energetisch günstig. Dies ändert sich, wenn nicht mehr der Brennstoff, sondern erzeugte Elektrizität oder mechanische Arbeit gespeichert werden sollen. Auf der anderen Seite bleibt es notwendig, Energie dann zur Verfügung zu stellen, wenn sie gebraucht wird. Damit ist eine geeignete Energiespeicherung ein wichtiger Baustein der Energiewende. Eine tiefgehende Darstellung mit einem Fokus auf die technische Umsetzung spezieller Speichermethoden findet sich bei (Stadler 2017) und (Schmiegel 2019). Dieser Abschnitt untersucht konkret, wie Speicher als Teil einer Energieinfrastruktur energetisch charakterisiert werden können.

Jede Verbrennungsreaktion führt zur Emission von Schadstoffen. Nicht alle typischen Schadstoffe, wie Staub, Schwefel, Kohlenmonoxid oder Stickoxide, treten bei allen Reaktionen auf. Im Kern geht es in diesem Kapitel um Kohlendioxid als Emission und die Möglichkeiten und energetischen Kosten des Umgangs mit Kohlendioxid-Emissionen. Für die weitere Betrachtung ist es aber sinnvoll, als Benchmark den Aufwand und die energetischen Kosten für die bisher bereits etablierten Techniken für die Rauchgasreinigung anzusehen. Diese energetischen Kosten können dabei davon abhängen, wo die Systemgrenze gesetzt ist. Das Ziel ist, im Anschluss zu verstehen, wo die Herausforderung liegt, wenn es gilt, Kohlendioxid abzuscheiden und zu deponieren.

In den bisherigen Kapiteln wurden Methoden dargestellt, mit denen Lösungsansätze für die großen, boshaften und miteinander verbundenen Probleme der Sicherstellung einer langfristigen Energieversorgung, des Vermeidens gefährlicher Klimaveränderung und des Umgangs mit sich verknappenden Ressourcen thermodynamisch bewertet werden können. Die Erkenntnis bis hierhin ist, dass es keine einfache Lösung gibt und dass jeder Ansatz, die Zukunft gestalten zu wollen, schwierig und voller Hindernisse sein wird. Die Zukunft durch uns Menschen und in unserem Sinne zu gestalten statt durch Katastrophen gestalten zu lassen ist zugleich die zentrale und dringende Aufgabe unserer Zeit und Ingenieure sollen, können und müssen hier einen erheblichen Beitrag leisten.