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2020 | Book

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Energie

Den Erneuerbaren gehört die Zukunft

Authors: Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Book Series : Technik im Fokus

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

Table of Contents

About this book

Was ist Energie? Wie sieht die Energieversorgung in Zukunft aus? Das kompakte Buch vermittelt die technischen, ökologischen und gesellschaftlichen Herausforderungen an ein zukunftsfähiges Energiesystem. Verständlich geschrieben, ermöglicht es einen fundierten Einstieg in Energietechnik und Energiepolitik.

Die vollständig überarbeite und neu strukturierte zweite Auflage nimmt die aktuellen politischen und technischen Entwicklungen auf. Ausführlich wird in die wichtigen Bereiche der Sektorenkopplung und saisonalen Energiespeicherung eingeführt. Ein Ausblick auf unser Energiesystem im Jahr 2050 schließt das Buch ab.

Frontmatter

Kapitel 1. Eine kurze Geschichte der Energienutzung

Zusammenfassung

Energie ist die Voraussetzung aller natürlichen Prozesse. Keine Bewegung, keine Umwandlung eines Stoffes, keine chemische Reaktion und schließlich kein Leben ist ohne die Beteiligung von Energie denkbar. Genauer gesagt: jeder dieser Prozesse basiert auf der Umwandlung von Energie. Energie ist auch die Grundbedingung für die Existenz des Menschen und seiner Gesellschaften. Im Lauf der Geschichte hat der Mensch gelernt, sich unterschiedliche Energieträger anzueignen und durch geeignete Energietechniken nutzbar zu machen. Diese Entwicklung lässt sich jedoch nicht nur auf technische Fragestellungen reduzieren, sondern ist immer eng mit gesellschaftlichen Prozessen verknüpft.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Kapitel 2. Energieformen und Energiebedarf

Zusammenfassung

Energie ist eine physikalische Größe und tritt in unterschiedlichen Erscheinungsformen auf. In ihrer natürlichen, noch nicht technisch aufbereiteten Form, wird sie als Primärenergie bezeichnet. Dazu zählen Naturgas, Rohöl, Sonnenstrahlung oder Wind. Um Primärenergie als Wärme oder Arbeit nutzbar zu machen sind in der Regel Umwandlungsprozesse notwendig. Allerdings lassen sich Energieformen nicht beliebig ineinander überführen, sondern unterliegen technischen Grenzen, die durch die Thermodynamik beschrieben werden.

Der weltweite Primärenergieverbrauch beträgt derzeit knapp 600 Exajoule – das ist eine sechs mit 20 Nullen – und beruht überwiegend auf fossilen Energieträgern. Bezieht man diese Zahl auf die gesamte Weltbevölkerung, so ergibt sich ein täglicher Primärenergiebedarf von etwa 60 kWh pro Einwohner. Der weltweite Primärenergiebedarf ist jedoch sehr ungleich verteilt: während ein Einwohner Deutschlands rechnerisch etwa doppelt so viel verbraucht, beträgt dieser Wert für einen Einwohner Indiens nur ein Drittel.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Kapitel 3. Stromerzeugung und -speicherung

Zusammenfassung

Elektrizität oder umgangssprachlich „Strom“ ist ein wichtiger Endenergieträger, dessen Bedeutung mit Fortschreiten der Energiewende weiter zunehmen wird. Wie wird der elektrische Strom gewonnen? Für die Bereitstellung von elektrischer Energie sind einige Umwege zu gehen, da die Energieformen nicht beliebig ineinander umwandelbar sind. So wird in einem Kohle- oder Gaskraftwerk aus der im Brennstoff gebundenen chemischen Energie über den Umweg der thermischen Energie zunächst mechanische und dann im Generator elektrische Energie gewonnen. Dieser klassische Kraftwerksprozess und seine klimaschädigenden Folgen sollen zu Beginn dieses Kapitels ausführlich beschrieben werden.

In Kernkraftwerken macht man sich Kernbindungskräfte durch Kernspaltung oder -fusion zunutze, um thermische Energie und daraus mit einem konventionellen Kraftwerksprozess elektrische Energie zu gewinnen. Trotz erprobter Kraftwerkstechnik und hoher Sicherheitsstandards besteht jedoch ein Restrisiko für große Unfälle, wie zuletzt die Katastrophe von Fukushima belegt. Gibt es eine sichere nukleare Energieerzeugung? Löst die Kernfusion unsere Energie- und Klimaprobleme? Mit diesen Fragen beschäftigt sich dieses Kapitel ebenso wie mit der nach dem Verbleib des Atommülls.

Regenerative Energien wie Sonne, Wind, Wasser, Biomasse und Biogas sind ebenso Ausgangspunkt von Energiewandlungsketten, die zu Elektrizität führen: aus Solarenergie gewinnen Photovoltaik-Anlagen die Elektrizität direkt und solarthermische Kraftwerke (CSP) über den Umweg thermischer Energie. Windenergieanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes, Wasserkraftwerke die kinetische oder potenzielle Energie von Wasser.

Auch aus Biomasse und Biogas wird über den Zwischenschritt der Verbrennung elektrische Energie gewonnen, im Gegensatz zu den mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken aber CO₂-neutral. Bei Geothermie-Kraftwerken wird die thermische Energie zum Antrieb des Kraftwerksprozesses nicht durch Verbrennung gewonnen, sondern den Tiefen des Untergrunds entnommen.

Die Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie von Wasserstoff, Methan oder Methanol durch eine sog. kalte Verbrennung mit Luftsauerstoff direkt in elektrische Energie um. Diese Technologie könnte in einem zukünftigen Energiesystem große Bedeutung erlangen.

Die Elektrischen Energiespeicher beenden das Kapitel. Der wachsende Anteil erneuerbarer Energien wird den Bedarf an Energiespeichern innerhalb der Systeme zur Strom- und Wärmebereitstellung aufgrund des volatilen bzw. saisonalen Angebots zukünftig erheblich erhöhen. Energiespeicher sind keine Energiewandler, die aus einer Form von Primärenergie (fossil, nuklear oder regenerativ) Endenergie erzeugen. Die Aufgabe von elektrischen Energiespeichern besteht vielmehr darin, bereits erzeugten, aber nicht benötigten Strom zu lagern, bis wieder ein Bedarf entsteht. Die Speicherung der elektrischen Energie kann direkt in Kondensatoren oder Spulen und indirekt als chemische Energie in Batterien und Akkumulatoren sowie als mechanische Energie in Schwungradspeichern erfolgen. Die in der Diskussion stehenden Power-to-X-Technologien schließen diesen Abschnitt ab.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Kapitel 4. Wärmebereitstellung

Zusammenfassung

Mehr als die Hälfte des bundesdeutschen Endenergieverbrauchs wird zur Raumheizung, Trinkwassererwärmung oder für industrielle Prozesswärme genutzt. Nur ein kleiner Teil davon – weniger als 1/7 – entstammt regenerativen Energiequellen wie Solar- und Geothermie, Biomasse oder Umweltwärme. Die traditionellen biogenen Energieträger machen davon knapp 90 % aus, vor allem wird Holz als Brennstoff genutzt. Der weitaus größte Teil des Wärmebedarfs wird nach wie vor über fossile Energieträger gedeckt, hier vor allem Erdgas.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Kapitel 5. Mobilität

Zusammenfassung

Bei der Frage nach der Zukunft der Mobilität konkurrieren derzeit Konzepte, die auf Verbrennungsmotoren basieren, aber veränderte Kraftstoffstrategien verfolgen und Konzepte, die auf Elektromotoren basieren und unterschiedliche Speichertechnologien verwenden. Von der Automobilindustrie werden diese sehr verschiedenen Ansätze weitgehend parallel verfolgt. Auch eine förderpolitische Festlegung in dieser konzeptionellen Vielfalt ist zurzeit noch nicht erkennbar.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Kapitel 6. Grundprobleme der Energieversorgung

Zusammenfassung

Die vorangegangenen Kapitel haben gezeigt, dass unser heutiges Energiesystem überwiegend von der Nutzung fossiler Energieträger abhängig ist. Daraus erwachsen eine Reihe von Problemen, die sich in den drei Punkten

Endlichkeit der fossilen und nuklearen Energieträger,
Emission klimarelevanter Treibhausgase und
Verteilung von Energieressourcen

zusammenfassen lassen. Jeder einzelne Problembereich beschränkt die Entwicklungsmöglichkeiten heutiger und die Handlungsmöglichkeiten zukünftiger Generationen. Insbesondere die Risiken des Klimawandels rücken dabei immer stärker in den Vordergrund. Die sich innerhalb dieser Rahmenbedingungen stellende Zukunftsaufgabe eines nachhaltigen Energiesystems ist nur in einem globalen Kontext zu lösen. Bausteine hierfür sind die Sustainable Development Goals der Vereinten Nationen und das Pariser Klimaabkommen.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Kapitel 7. Energiepolitik in Deutschland

Zusammenfassung

Ziel der Energiepolitik ist die langfristige Sicherstellung einer preisgünstigen, verbraucherfreundlichen, effizienten und umweltverträglichen Energieversorgung der Allgemeinheit. Bei der Organisation dieser Aufgabe hat sich in den letzten 20 Jahren in vielen europäischen Staaten ein Paradigmenwechsel vollzogen. Insbesondere bei den leitungsgebundenen Energieträgern Strom und Gas erfolgte eine Liberalisierung der Energiemärkte, die eine Abkehr von den bisherigen Gebietsmonopolen der Strom- und Gasversorger bedeutete. Während der Betrieb der Strom- und Gasnetze weiterhin als natürliches Monopol organisiert ist, unterliegen Energieerzeugung und -verteilung dem Wettbewerb. Der Netzzugang wird in Deutschland durch das zuletzt 2011 novellierte Energiewirtschaftsgesetz geregelt und von einer Regulierungsbehörde – der Bundesnetzagentur – überwacht.

Die gleichzeitige Berücksichtigung von Versorgungssicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit führt häufig zu Zielkonflikten in der Energiepolitik. Viele Konfliktlinien weisen dabei ähnliche Konstellationen auf: während aus Sicht der Wirtschaftspolitik günstige Energiepreise im Vordergrund stehen, werden seitens der Umweltpolitik verstärkt Aspekte der Klima- und Umweltverträglichkeit eingefordert. Beispiele sind die seit Anfang der 80er Jahre andauernden Auseinandersetzungen um die Atomkraft oder die Diskussionen über eine zentrale oder dezentrale Struktur eines zukünftigen Energiesystems.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Kapitel 8. Die Zukunft der Energieversorgung

Zusammenfassung

Wie sieht unser zukünftiges, klimaneutrales Energiesystem aus? Können die erneuerbaren Energien die Energieversorgung eines Industrielandes wie Deutschland tatsächlich sicherstellen? Was passiert, wenn im sonnenarmen Winter über mehrere Wochen kein Wind weht? Diese Fragen versucht die Wissenschaft mithilfe von Modellrechnungen – sogenannten Szenarien – zu beantworten. Die Berechnung von Szenarien ist eine wissenschaftliche Methode, um beispielsweise Handlungsnotwendigkeit bzw. Handlungsalternativen aufzuzeigen und mögliche zukünftige Entwicklungen darzustellen. Für den Bereich der Energieszenarien stellen Energiepotenziale und deren Erschließungsgeschwindigkeit eine besondere Rolle. In diesem Kapitel werden die Ergebnisse aktueller Energieszenarien vorgestellt und miteinander verglichen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem deutschen Energiesystem. Globale Entwicklungen werden in dem abschließenden Abschnitt reflektiert.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Kapitel 9. Forderungen an die künftige Energiepolitik

Zusammenfassung

In den vorangegangenen Kapiteln wurden die Herausforderungen, denen sich Energiepolitik und Energiewirtschaft gegenübersehen, sowie die technischen Möglichkeiten, um diesen zu begegnen, vorgestellt. In diesem Kapitel soll der Versuch unternommen werden, beides zusammenzubringen um daraus Anforderungen für die zukünftige Energie- und Klimapolitik in Deutschland abzuleiten. Im Ergebnis einer kritischen Würdigung der aktuellen deutschen Energie- und Klimapolitik halten die Autoren neben einer deutlichen Steigerung der Umsetzungsgeschwindigkeit aller geplanten Maßnahmen eine zeitlich progressive CO₂-Steuer sowie ordnungsrechtliche Vorgaben für den Gebäudebestand und den Kraftfahrzeugverkehr für unverzichtbar.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

Backmatter

Title: Energie
Authors: Thomas Schabbach
Viktor Wesselak
Publisher: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-58049-3
Print ISBN: 978-3-662-58048-6
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-58049-3