Die Energiewirtschaft am Wendepunkt

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1 Die Energiewirtschaft am Wendepunkt Ansätze für ein funktionierendes Nachhaltiges Energiesystem der Zukunft Transformation des Energie-Systems von Nicht-Erneuerbaren Energieträgern zu Erneuerbaren Energieträgern Nicht-Erneuerbare Energieträger Nicht-Erneuerbare Energieträger Erneuerbare Energieträger Erneuerbare Energieträger Solarenergie Energy Hydropower Wasserkraft Windenergie Energy Geothermal Geothermie Energy Bioenergy Bioenergie Ocean Meeresenergie Energy Gerhard Faninger

2 Energie ist eng mit der Menschheitsgeschichte verbunden. Beginnend von der Entstehung unseres Planeten und dessen Evolution ist ENERGIE Voraussetzung für Leben und Überleben. Mit der Entdeckung /Verfügbarkeit fossiler Energieträger Mitte des 19. Jahrhunderts konnten Energiedienstleistungen bereitgestellt werden, die zu einer raschen technischen Entwicklung führten. Wie keine andere Technik hat die Energietechnik die Menschheitsgeschichte von nun an geprägt: das Industrie-Zeitalter wurde eingeleitet, verbunden mit einem rasanten Anstieg des Energieverbrauches. Die Weltwirtschaft hat sich entscheidend verändert. Die derzeitige Energiewirtschaft erfüllt aber nicht die Kriterien an eine nachhaltige und damit zukunftsorientierte Energieversorgung. In den Vorräten begrenzte fossile und nukleare Energieressourcen einerseits und die Bedrohung der Umwelt und des Lebensraums durch klimarelevante Treibhausgase und radioaktive Strahlen (Unfälle in Atomkraftwerken und ungelöstes Problem zur sicheren und langfristigen Endlagerung von radioaktivem Abfall) andererseits sind überzeugende Argumente für eine Umstrukturierung unserer derzeitigen Energieversorgung mit dem Ziel einer höheren Effizienz bei Erzeugung und Verwendung, in Verbindung mit einem verstärkten Einsatz nachhaltiger und umweltschonender Energieträger. Die Energiewirtschaft befindet sich bereits auf dem Weg zu einer Energiewende: Die Marktentwicklung erneuerbarer Energieträger schreitet voran und Maßnahmen zur Effizienzsteigerung bei Erzeugung und Nutzung von Energieträgern beginnen sich durchzusetzen. Die Energie-Evolution hat bereits begonnen. Eine frühere als vom Markt bestimmte Umstrukturierung des Energiesystems - mit dem Vorteil einer rascheren Reduktion energiebedingter und klimarelevanter Emissionen und einer Verminderung wirtschaftlicher Probleme beim Bezug von Energiedienstleistungen wird aber nur über eine Energie-Revolution zu erreichen sein. Aufbauend auf den Ergebnissen nationaler und internationaler Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und mit Berücksichtigung von Ergebnissen aus der Praxis werden Ansätze für Strategien und Maßnahmen zur Realisierung der Energiewende zur Diskussion gestellt. Keywords: Energie und Evolution. Energiewirtschaft und Energiepolitik im Wandel. Optionen für ein nachhaltiges Energiesystem der Zukunft. Planung der Energiewende. Marktfaktoren der Energiewende. Technische und realistische Potentiale für Energie-Effizienz und Erneuerbare Energie. Überwindung von Barrieren und Hemmnissen bei der Umsetzung der Energie- Transformation. Strategien, Konzepte und Szenarien zur Planung der Energiewende. Impressum Gerhard Faninger Dipl.-Ing. Dr. mont., Univ-Prof. i. R. gerhard.faninger@aau.at

3 Inhalt Vorwort 3 Einführung 5 1. ENERGIE Eine Einführung Begriff, Definition und Einheiten Energie und Evolution Die Bedeutung und Rolle von Energie für die Menschheit Energie und Umwelt Der Stern SONNE und der Planet ERDE Die solare Strahlungsenergie Sonneneinstrahlung, Lebensraum und Lebensbedingungen Die Energiequellen der ERDE Entwicklung der Energie-Wirtschaft: Rückblick und Ausblick Grundlagen der Energieversorgung Mit fossiler Energie in die industrielle Revolution Fakten der Energiewirtschaft von HEUTE Die Energiewirtschaft am Wendepunkt Energie und Ethos Gefahren und Risiken der Energieversorgung Probleme bei der Energie-Transformation Energie-Szenarien: Aufgaben und Grenzen Auf der Suche nach unerschöpflicher und sauberer Energie Vom Fossilen Energiezeitalter ins Sonnen-Zeitalter Wasserstoff als Energie-Speicher und (sekundärer) Energieträger Konzept Energie-Satellit Zukunftsoption Regionale nachhaltige Energiesysteme Aufgaben zur Sicherstellung der zukünftigen Energieversorgung Kombination Regionales Energiesystem und Zentrales Energiesystem Priorität für Stromerzeugung aus Erneuerbarer Energie Zukunftsoption Erneuerbare Energie Kriterien für Erneuerbare Energieträger Wasserkraft Geothermie Biogene Energie Solarthermie Solarstrom / Photovoltaik Umweltwärme und Wärmepumpe Wind-Energie Energie aus dem Meere Marktsituation im Bereich Erneuerbare Energie Indikatoren für die Marktakzeptanz erneuerbarer Energieträger 262 1

4 6. Bewertung von Energiesystemen Bewertungskriterien Energetische Bewertung Ökologische / Umweltbezogene Bewertung Volkswirtschaftliche Bewertung Betriebswirtschaftliche Bewertung Energetische Amortisation Bewertung der Wärme- und Stromversorgung von Gebäuden Zielvorgabe: Energie-Effizienz und Erneuerbare Energie 277 7,2 Bewertungskriterien und Bewertungsschema der Wärmeversorgung Die Wärmebilanz eines Gebäudes Wärmeschutz im Gebäudebereich Berechnungsprogramm zur Bewertung Energie- und CO 2 -Reduktion durch Wechsel der Heizungstechnik Vom Passiv-Haus zum Solar-Aktiv-Haus und Plus-Energie-Haus Photovoltaik-Anlagen im Wohnbausektor Gütezeichen für Nachhaltige Gebäude Ansätze für eine zukünftige nachhaltige Energiewirtschaft Argumente und Ziel für eine Umstrukturierung der derzeitigen Energieversorgung Anforderungen und Optionen zur Energie-Transformation Planung des Energiesystems Energie-Strategie, Energie-Szenarien und Energie-Konzepte Wege zur Energie-Transformation und Umsetzung der Energie-Strategie Erneuerbare Energieträger und soziale Akzeptanz Monitoring der Ergebnisse zur Umsetzung der Zielvorgaben Beispiele für Energie-Szenarien Das IEA Weltenergie-Szenario Energie-Strategie und Energie-Konzept für Österreich und Kärnten Umsetzung der Energie-Strategie und des Energie-Konzeptes Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 340 Quellen-Nachweis 355 2

5 Vorwort Die derzeitige Energiewirtschaft erfüllt nicht die Kriterien an eine nachhaltige und damit zukunftsorientierte Energieversorgung: Begrenzte fossile und nukleare Energie-Ressourcen und Gefahrenpotential für Gesundheit und Umwelt durch Treibhausgase und Radioaktivität. Eine nachhaltige Energieversorgung ist Voraussetzung für eine nachhaltige wirtschaftliche (Weiter)-Entwicklung. Eine zukunftsorientierte Energie-Versorgung erfordert deshalb eine Umstrukturierung unserer aktuellen Energiewirtschaft mit dem Ziel einer höheren Effizienz bei Erzeugung und Verwendung, und in Verbindung mit einem verstärkten Einsatz nachhaltiger und umweltschonender Energieträger. Die Frage, wie wir zukünftig Energie erzeugen und sinnvoll nutzen können, ohne dabei länger einen nicht wieder gutzumachenden Raubbau am Planeten Erde zu betreiben, muss alle und überall interessieren: Politisch Verantwortliche, Wirtschaftstreibende und jeden einzelnen Menschen, der einen Beitrag zu einer nachhaltigen Energienutzung leisten kann - international, national, regional und lokal. Der vorliegende Bericht hat sich das Ziel gesetzt, aufbauend auf Fakten und Erfahrungswerten, Ansätze für ein zukünftiges Energiesystem zur Diskussion zu stellen mit dem übergeordneten Ziel der Nachhaltigkeit und Energie-Effizienz und Erneuerbare Energie als Prioritäten. Insbesondere soll aber die Bedeutung und Notwendigkeit einer Umstrukturierung unserer heutigen Energiewirtschaft für eine auch in Zukunft funktionierende Energieversorgung dokumentiert werden. Eine große Herausforderung für die Menschheit, aber auch eine Chance. Mit umfangreichen Illustrationen soll auch der mit dem Energiethema nicht vertraute Leser motiviert werden, sich Gedanken über unseren Umgang mit Energie zu machen und letztlich mit dazu beitragen, die unvermeidbare Energiewende - noch rechtzeitig vor den in den Vorräten begrenzten fossilen und nuklearen Energieträgern - zu realisieren. Dies wäre auch für die Weitergabe einer lebenswerten Umwelt an die nachfolgenden Generationen erforderlich. Beispiele für eigene Beiträge zur Energiewende werden beschrieben und sollen die Motivation für sinnvolle Maßnahmen für eine auch in Zukunft gesicherte und leistbare Energieversorgung im privaten Bereich fördern. Gerhard Faninger, im November

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7 Einführung In den Vorräten begrenzte fossile und nukleare Energieressourcen, Bedrohung der Umwelt und des Lebensraums durch klimarelevante Treibhausgase und radioaktive Strahlen, Gefahrenpotential durch Unfälle in Atomkraftwerken und ungelöstes Problem zur sicheren und langfristigen Endlagerung von radioaktivem Abfall sind ernstzunehmende Argumente, unser Energiesystem zu überdenken und eine Umstrukturierung von fossilen und nuklearen Energieträgern zu erneuerbaren Energieträgern in Angriff zu nehmen. Internationale Studien belegen, dass mit einem weiteren Anstieg von klimawirksamen CO 2 -Emissionen - mit langfristiger Bindung in der Atmosphäre die globale Erwärmung auf der Erdoberfläche einen Wert erreichen würde, der einen rasanten und vom Menschen nicht zu bewältigendem Klimawandel mit katastrophalen Auswirkungen für Mensch und Natur verursachen würde. Fakten und Argumente für die ENERGIEWENDE Verfügbarkeit von fossilen und nuklearen (Kernspaltung) Ressourcen Erdöl Erdgas Kohle Nuklear (Uranium) Bestehende Felder Erwartete Felder Jahre 5

8 Bedrohung der ERDE durch die Energieversorgung Emissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe Radioaktive Belastung bei nuklearen Reaktorunfällen Ungelöstes Problem der sicheren Endlagerung von radioaktivem Abfall Ungleicher Energieverbrauch Ungleicher Energieverbrauch Um 70% - 80% der derzeitigen Energie Rohstoffe werden von 20% - 30% Der Weltbevölkerung genutzt. ImJahre 2011, 1,3 1,3 Milliarden Menschen müssen auf auf Elektrizität verzichten und mehr als als2,6 Milliarden Erdbewohner verwenden Biomasse zum Kochen, meist durch Abholzung und ohneaufforstung. Über % leben in in Asien und und Afrika. 6

9 Kernkraftwerk-Unfall (1986) Kernkraftwerk-Unfall (1986) Tschernobyl, Ukraine: 26 April 1986 Kernkraftwerk-Unfall (2011) Kernkraftwerk-Unfall (2011) Fukishima, Japan: 11. März

10 Nach Klima-Studien kann eine Klimakatastrophe (mit Abschmelzen der Polkappen, Auftauen von Permaböden mit Methan-Emission etc.) nur vermieden werden, wenn die Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur unter 2 C gehalten werden kann. Temperaturerhöhung, C 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1, KLIMAWANDEL: Szenarios für globale Erwärmung Durchschnittstemperatur weltweit, Abweichung vom Mittel der Jahre in C Szenario 1: Einfrieren der Treibhausgas-Emissionen auf Stand 2000 Szenario 2: Weltweite Maßnahmen zur Emissions-Reduktion Szenario 3: Wenig internationale Maßnahmen UNO-Klimabericht, Januar Szenario 1 Szenario 2 Szenario Prognose Mit den bereits im Jahre 2020 zu erwarteten Problemen bei der Lieferung von Erdöl und Erdgas und dem prognostizierten Preisanstieg am Marktangebot wird die Energiewende zu erneuerbaren Energieträgern letztlich auch marktbedingt erfolgen. Ohne Anstrengungen zur Steigerung der Energie-Effizienz und für einen forcierten Anstieg Erneuerbarer Energie am Energieaufkommen würden sich aber ernstzunehmende Probleme hinsichtlich Versorgungssicherheit und leistbaren Energiepreisen für die Energiekonsumenten ergeben. Auch die angestrebte Reduktion klimarelevanter Emissionen beim Energieaufkommen könnte nicht erreicht werden. Mit einer Energiestrategie soll eine frühere als vom Markt bestimmte Umstrukturierung des Energiesystems erreicht werden, mit dem Vorteil einer rascheren Reduktion energiebedingter und klimarelevanter Emissionen und einer Verminderung wirtschaftlicher Probleme beim Bezug von Energiedienstleistungen. 8

11 Mit der Umstrukturierung der Energiewirtschaft sind aber auch Vorteile für die Energiekonsumenten verbunden. Derzeit noch meist höheren Investitionskosten von Heizungssystemen mit erneuerbarer Energie im Vergleich zu konventionellen Heizkesseln auf Basis Erdöl und Erdgas stehen geringere Betriebskosten gegenüber, welche sich in den jährlichen Haushaltskosten auswirken. Und Investitionen in Strom aus erneuerbaren Energiequellen (Windstrom, Solarstrom) bringen höhere Rendite im Vergleich zu Spareinlagen. Mit diesem Win-Win-Prinzip sollte die Mitwirkung der Allgemeinheit an der Realisierung der Energiewende angeregt werden. ENERGIE-NEU-DENKEN ist die Herausforderung zur Gestaltung der Energieversorgung von MORGEN. ENERGIENEUDENKEN ENERGIENEUDENKEN Das Weltenergiesystem steht an einem Scheideweg. Die derzeitigen weltweiten Trends von Energieversorgung und Energieverbrauch sind eindeutig nicht zukunftsfähig. Es braucht nichts Geringeres als eine Energierevolution. Internationale Energieagentur, IEA/OECD Energiestrategie Österreich Mit der vorliegenden Dokumentation soll die Notwendigkeit einer Umstrukturierung der derzeitigen Energiewirtschaft auf der Grundlage wissenschaftlicher Untersuchungen und Fakten aus der Realität belegt werden, es werden aber auch die Vorteile einer Energiewende für Wirtschaft und Gesellschaft aufgezeigt. Ausgehend von den Anfängen der Energiewirtschaft am Ende des 19. Jahrhunderts wird die Bedeutung der Energiewirtschaft und damit der Energieversorgung für die wirtschaftliche Weiterentwicklung dokumentiert und analysiert. Aus den Fakten der derzeitigen Energieversorgung werden die Probleme für eine Weiterführung der heute noch weltweit funktionierenden Energieversorgung aufgezeigt. Als übergeordnetes Ziel einer auch in Zukunft gesicherten Energieversorgung wird die Nachhaltigkeit vorausgesetzt. Mit den verfügbaren Daten der Vorräte an Energie- Ressourcen, der zu erwartenden Entwicklung der Energienachfrage und mit Berücksichtigung der Kriterien für eine nachhaltige Energieversorgung, werden Zukunftsoptionen für die Energieträger abgeleitet. Hierbei wird den erneuerbaren, in einer Kreislaufwirtschaft genutzten Energieträgern Priorität zugeordnet. Zur Bewertung der Energiesysteme werden energetische, umweltbezogene und wirtschaftliche Aspekte herangezogen. 9

12 Das Potential für erneuerbare Energieträger sowie der derzeitige Stand der Techniken zu deren Nutzbarmachung werden dargestellt, und Potentiale für Weiterentwicklungen werden aufgezeigt. Abschließend wird die Rolle erneuerbarer Energiequellen zur Nachhaltigen Entwicklung analysiert, es werden die Probleme bei der Umsetzung in der Praxis diskutiert und die Chancen für die Wirtschaft illustriert. Die Verfügbarkeit von nachhaltigen Energieressourcen für ein langfristiges funktionsfähiges Energiesystem ist nur eine Bedingung. Für eine gesicherte Energieversorgung kommen noch weitere Aspekte hinzu: Versorgungssicherheit, Konkurrenzfähigkeit (Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu am Standort möglichen Alternativen), Umweltverträglichkeit und soziale Akzeptanz. Bei der Gestaltung einer zukünftigen Energieversorgung müssen auch der zu erwartende steigende Energiebedarf (Nachholbedarf in heutigen Entwicklungsländern, Zunahme der Weltbevölkerung) einbezogen werden. Faktoren, welche sich nur schwer quantifizieren lassen. Die Anforderungen an ein zukünftiges nachhaltiges Energiesystem lassen sich heute auf der Basis umfangreicher Erfahrungswerte und wissenschaftlich belegter Argumente gut definieren. Für Lösungen bieten sich unterschiedliche Wege an. Entscheidend ist der Zeithorizont: Will man eine längerfristige Sicherstellung der Energieversorgung auch unter umweltbezogenen Aspekten erreichen (bis etwa 2100) oder soll eine wirtschaftlich vertretbare Lösung schon für die nächsten 20 bis vielleicht auch 50 Jahre angestrebt werden? Der vorliegende Bericht hat sich das Ziel gesetzt, aufbauend auf Fakten und Erfahrungswerten, Ansätze für ein zukünftiges Energiesystem zur Diskussion zu stellen mit dem übergeordneten Ziel der Nachhaltigkeit und Energie-Effizienz und Erneuerbare Energie als Prioritäten. Insbesondere soll aber die Bedeutung und Notwendigkeit einer Umstrukturierung unserer heutigen Energiewirtschaft für eine auch in Zukunft funktionierende Energieversorgung dokumentiert werden. 10

13 1. ENERGIE Eine Einführung 1.1 Begriff, Definition und Einheiten Zum Begriff ENERGIE ENERGIE ist Grundlage des Lebens und Voraussetzung für das Überleben. Energie bestimmt Geburt und Evolution des Planeten ERDE und ist in Form von Nahrung Grundlage des Lebens und Voraussetzung fürs Überleben. Energie ist eng mit der Entstehung und Evolution unseres Planeten ERDE verbunden. ENERGIE hat verschiedene Formen. Unter Einwirkung der Sonnenstrahlung werden aus Kohlendioxid in der Atmosphäre und Wasser auf der Erde energiereiche organische Moleküle Kohlenhydrate aufgebaut, welche unseren Lebensraum bilden und als Nahrung und Energieträger für Mensch und Tier die Lebensgrundlage darstellen. ENERGIE kann nicht gewonnen werden, sondern wird über einen Umwandlungsprozess erzeugt ; z. B.: Umwandlung der potentiellen Energie (Energieinhalt) von fossilen und biogenen Energieträgern in Wärme und Strom, Umwandlung der solaren Strahlungsenergie in Wärme und Strom, Umwandlung der potentiellen und kinetischen Energie der Wasserkraft (Speicher- und Flusskraftwerke) in elektrischen Strom, Umwandlung der kinetischen Energie der Windkraft in mechanische und elektrische Energie, etc. ENERGIE ist die Fähigkeit Arbeit zu leisten: Erzeugung von Nutzenergie in Form von Wärme, Arbeit und Strom. ENERGIE ist der Motor der Wirtschaft und damit der wirtschaftlichen (Weiter-) Entwicklung. Mit Energie wurde die industrielle Revolution eingeleitet mit allen Vorteilen, aber auch mit negativen Einflüssen auf unser Leben. ENERGIE hat unsere Umwelt verändert. Die heutige Energieversorgung mit überwiegend fossilen und nuklearen Energieträgern stellt ein großes Gefahrenpotential für unseren Lebensraum dar. Die Versorgung der Menschheit mit Nutzenergie erfordert Energieressourcen, welche nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen und deshalb einen möglichst effizienten Umgang mit Energie Erzeugung und Nutzung erforderlich macht. Und dies auch 11

14 im Einklang mit der Umwelt. Ein auf die Zukunft ausgerichtetes nachhaltiges Energiesystem muss in einer Kreislaufwirtschaft funktionieren. Voraussetzung für Energie-Angebote (Nutzenergie/Energiedienstleistungen und Nahrung für Mensch und Tier) ist die Verfügbarkeit von Energieressourcen/Energieträgern. Fossile Energieträger aber auch nukleare Energieträger - über Kernspaltung genutzt - sind in ihren Vorräten begrenzt. Deren Nutzung erfolgt nicht in einer Kreislaufwirtschaft und steht somit späteren Generationen nicht mehr zur Verfügung. Erneuerbare Energie-Ressourcen in einer Kreislaufwirtschaft genutzt ( nachhaltig ) sowie nach menschlichen Maßstäben gemessen unerschöpfliche Energieträger (z.b. Kernenergie über Kernfusion) haben das Potential, die Energieversorgung auch in fernerer Zukunft für die Menschheit sicherzustellen. Definition und Einheiten Energie ist eine fundamentale physikalische Größe, welche in allen Bereichen eine große Bedeutung hat, denn das Vorhandensein von Energie ist die Voraussetzung, um etwas zu verändern. Energie ist die Kraft, welche die Objekte in Bewegung setzt und in Bewegung hält. Energie ist neben dem Begriff der Masse eine der zentralen Größen der Physik. Energie wird immer dann benötigt, wenn eine Arbeit verrichtet werden muss: Energie ist die Arbeitsfähigkeit eines Systems. Bei der Umwandlung von Energie gibt es den Begriff Leistung, welcher ein Maß für die Veränderung der Energie pro Zeit ist. Die Leistung als physikalische Größe bezeichnet die in einer Zeitspanne umgesetzte Energie bezogen auf diese Zeitspanne. Abgeleitet vom Begriff Leistung kann man die Energie auch als Leistungsvermögen bezeichnen. Energie kann nicht produziert oder verbraucht werden, Energie kann umgewandelt, transportiert und gespeichert werden. Energie kann in verschiedenen Energieformen vorkommen. Hierzu gehören beispielsweise potentielle Energie, kinetische Energie, chemische Energie oder thermische Energie. Energie lässt sich von einer in die andere Form umwandeln, jedoch setzt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik dafür prinzipielle Grenzen: thermische Energie ist nur eingeschränkt in andere Energieformen umwandelbar und zwischen Systemen übertragbar. Energie ist nötig, um einen Körper zu beschleunigen oder um ihn entgegen einer Kraft zu bewegen, um eine Substanz zu erwärmen, um ein Gas zusammenzudrücken, um elektrischen Strom fließen zu lassen oder um elektromagnetische Wellen 12

15 abzustrahlen. Pflanzen, Tiere und Menschen benötigen Energie, um leben zu können. Energie benötigt man auch für den Betrieb von Computersystemen, für Telekommunikation und für jegliche wirtschaftliche Produktion. Energie-Formen und Energie-Umwandlung Energie-Formen und Energie-Umwandlung Auf der Suche nach Energie zum Leisten von Arbeit hat der Mensch gelernt, dass Energie nicht gewonnen, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Bewegungsenergie (kinetische Energie in z.b. Flusskraftwerken, Windströmungen, Meereswellen), Potentielle / gespeicherte Energie (Energie in Speicher-Wasserkraftanlagen, chemische Energie in Brennstoffen), Elektromagnetische Wellen (Strahlungsenergie), Wärme (aus der Umwelt), Kernenergie (Bindungsenergie der Bausteine der Materie). Energie ist diejenige Größe, die aufgrund der Zeitinvarianz der Naturgesetze erhalten bleibt, das heißt, die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems kann weder vermehrt noch vermindert werden (Energieerhaltungssatz). Gemäß der Relativitätstheorie sind Ruheenergie und Masse durch die Formel E = m * c² verknüpft. E = m * c² Energie = Masse * Lichtgeschwindigkeit ² Albert Einstein 13

16 Energie gibt es in vielen Energieformen und Energieeinheiten. Die internationale Grundeinheit ist das Joule (J = Ws). Energie- und Leistungs-Einheiten Die Einheit von Energie (Arbeit) ist Wh bzw. Joule. 1 Wh = Joule 1 GWh = 3,6 TJ Auch das Öläquivalent wird als Energieeinheit herangezogen: 1 toe: Tonne Öläquivalent = 41,858 GJ 1 GWh = 3,6 TJ = 0, Mtoe (8,6*10-5 ) Die Einheit der Leistung ist W. Kilo: k = 10 3, Mega: = M = 10 6, Giga: = G = 10 9, Tera: = T = 10 12, Peta: = P = 10 15, Exa: = E = Energie und Evolution Energie und Evolution Energie und Evolution E = m * c 2 Kernfusion in in der der Sonne Sonne als als Basis Basis der der Sonnenstrahlung 14

17 Nach dem Urknall im Universum vor 15 Milliarden Jahren bildeten sich unzählige Galaxien, in denen schwere Kerne synthetisieren. Die Entstehung des Sonnensystems in der Galaxie Milchstraße mit Planeten und ihren Umlaufbahnen reicht 10 Milliarden Jahre zurück. Erste Lebensformen am Planet Erde erscheinen vor 3,5 Milliarden Jahren. Das Auftreten des ersten Menschen erfolgte vor ca Jahren. Angesicht der kosmischen Unermesslichkeit und der für den menschlichen Verstand unerklärbaren Phänomene bleibt für den Menschen der WELTENPLAN ein Geheimnis. Der URKNALL Vor 15 Milliarden Jahren? Geburtsstunde des Universums 15

18 Der Weltraum beherbergt x mehr Galaxien, als es derzeit Menschen auf der Erde gibt. Die Galaxie - MILCHSTRASSE Die Galaxie - MILCHSTRASSE In In der Milchstraße sind Millionen Sterne, davon etwa mit bloßem Auge zu erkennen. Die Entfernung von der Erde beträgt zwischen 4 und 800 Lichtjahren. In der Milchstraße sind In der Milchstraße Millionen Sterne, sind Millionen davon Sterne, etwa davon etwa mit bloßem mit Auge bloßem Auge zu zu erkennen. Die Entfernung Die Entfernung von der Erde von der beträgt Erde zwischen beträgt 4 und 800 Lichtjahren. zwischen 4 und 800 Lichtjahren. 16

19 Geburtsstunde des Sonnensystems Das Sonnensystem vor etwa 5 Milliarden Jahren aus einer kosmischen Materiewolke entwickelt. Galaxien bewegen sich mit Geschwindigkeiten bis km/sec auseinander. 17

20 Nach Umwandlung der Sonnenmaterie in Strahlung fällt das Sonnensystem zusammen: Supernova Die Entstehungsgeschichte des Planeten ERDE Seit dem Urknall vor geschätzten 15 Milliarden Jahren und der Entwicklung des Sonnensystems aus der kosmischen Materiewolke vor etwa 5 Milliarden Jahren hat sich der Planet ERDE weiterentwickelt, mit zum Teil dramatischen Änderungen des Lebensraumes, gekennzeichnet durch Kontinentverschiebungen und bedingt durch den Kohlendioxid Kreislauf mit Anreicherung der Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre durch Temperaturänderungen. Mit dem Erreichen eines ökologischen Gleichgewichtes war es möglich, dass erste Lebensformen am Planet ERDE vor etwa 3,5 Milliarden Jahren erscheinen. Das Auftreten des ersten Menschen erfolgte vor etwa Jahren. Die Evolution des Planeten ERDE ist noch nicht abgeschlossen und weitere Änderungen im Lebensraum sind zu erwarten. Treibende Kraft des Planeten Erde ist das Wechselspiel mit der Sonne als Energielieferant. 18

21 Entstehungsgeschichte des Planeten ERDE Entstehungsgeschichte des Planeten ERDE Der Urknall und ein inflationäres Universum, das feurig und lichtundurchlässig ist. Entkoppelung von Materie und Energie. Das Universum wird transparent. Materiehaufen bilden Protogalaxien, die schwere Kerne synthetisieren. Galaxien, die vom Hubble Weltraumteleskop bei seiner Deep Field Exploration aufgenommen wurde. 1 Milliarde 3 Milliarden 5 Milliarden Es bilden sich neue Galaxien, wie unsere eigene mit schweren Kernen. Entstehung unseres Sonnensystems mit Planeten und ihren Umlaufbahnen. Die ersten Lebensformen treten auf. Auftreten der ersten Menschen. 10,3 Milliarden 11,5 Milliarden 15 Milliarden 19

22 Leben auf der Erde Erste Lebensformen am Planet Erde erscheinen vor 3,5 Milliarden Jahren. Das Auftreten des ersten Menschen erfolgte vor ca Jahren. Der Planet ERDE Der Planet ERDE 20

23 1.3 Die Bedeutung und Rolle von Energie für die Menschheit ENERGIE ist eng mit der Entstehungsgeschichte des Planeten ERDE verbunden: Unter Einwirkung der Sonnenstrahlung werden aus Kohlendioxid in der Atmosphäre und Wasser energiereiche organische Moleküle Kohlenwasserstoffe aufgebaut, welche als Nahrung und Energieträger für Mensch und Tier die Lebensgrundlage darstellen: Energie ist Grundlage des Lebens und Voraussetzung für das Überleben. ENERGIE: Grundlage das Lebens und Überlebens ENERGIE ist eng mit der Entstehungsgeschichte des Planeten ERDE verbunden: Unter Einwirkung der Sonnenstrahlung werden aus Kohlendioxid in der Atmosphäre und Wasser energiereiche organische Moleküle Kohlenwasserstoffe aufgebaut, welche als Nahrung und Energieträger für Mensch und Tier die Lebensgrundlage darstellen. Energieausbeute bei der Photosynthese Kohlendioxid Wasser Photosynthese C n H m O n Sonnenenergie Mineralstoffe Energie ist Grundlage des Lebens und Voraussetzung für das Überleben Mit der Entdeckung /Verfügbarkeit fossiler Energieträger Mitte des 19. Jahrhunderts konnte eine rasche technische Entwicklung vorangetrieben werden. Wie keine andere Technik hat die Energietechnik die Menschheitsgeschichte von nun an geprägt. Mit der Entdeckung fossiler Energieträger wurde das Industrie-Zeitalter eingeleitet, verbunden mit einem rasanten Anstieg des Energieverbrauches. Die Weltwirtschaft hat sich entscheidend verändert. Energie ist heute der Motor der wirtschaftlichen Entwicklung. Energie steht heute im Mittelpunkt des menschlichen Interesses: Energie wurde zum Welthandelsgut Nummer 1. Die Energieversorgung ist heute weltweit organisiert. 21

24 ENERGIE und Industrialisierung Energie steht aber auch für die Kluft zwischen ARM und REICH: Mehr als 70% der Energieressourcen werden von nur 30% der Weltbevölkerung in Anspruch genommen. Ungleicher Energieverbrauch Ungleicher Energieverbrauch Um 70% --80% der derzeitigen Energie-Rohstoffe werden von 20% --30% der Weltbevölkerung genutzt. 1,3 1,3 Milliarden Menschen müssen auf auf Elektrizität verzichten und und mehrals als2,6 Milliarden Erdbewohner verwenden Biomasse zum zumkochen, meist durch Abholzung und und ohne Aufforstung (2011). Über % leben in in Asien und und Afrika. 22

25 Das Problem der Verteilung von Ressourcen Das Problem der Verteilung von Ressourcen Good News: Mit Mit der weltweiten Produktion von Nahrungsmitteln könnte die die doppelte Weltbevölkerung versorgt werden. Bad News: Jede Sekunde stirbt ein Mensch am Hunger! UNO -Welternährungstag 2004 Energie steht für Wohlstand, Energie steht aber auch im Spannungsfeld zwischen Wirtschaft, Umwelt und Bedürfnissen. Energie steht auch für politische Abhängigkeit, Macht und Zerstörung. Länder mit Energieressourcen sind anfällig für politische Krisen. Energie im Spannungsfeld 23

26 Länder mit Energieressourcen sind anfällig für politische Krisen Energie für Macht und Zerstörung!? 24

27 1.4 Energie und Umwelt Der Kohlendioxid - Kreislauf Kohlendioxid (CO 2 ) ist ein wichtiger Bestandteil zur Bildung von Kohlenwasserstoffen auf der Erde und damit zur Aufrechterhaltung des Lebensraumes. Entscheidend ist das Gleichgewicht des Kohlendioxid-Kreislaufes aus Bildung auf der Erdoberfläche und Abstrahlung: Bindung (Fixierung) und Emission. Der natürliche Kohlendioxid-Kreislauf Photosynthese Verwesung Produzent Destruent Atmung Ausscheidung Biomasse Konsument Der Biomasse-Kreislauf Die natürliche Produktion von Kohlenwasserstoffen als Energieträger in Form von Biomasse im Rahmen eines CO 2 -Kreislaufes ist weiterhin beachtlich: um EJ pro Jahr werden gebildet. 25

28 Bioenergie und CO 2 -Kreislauf Bioenergie und CO 2 -Kreislauf CO 2 CO 2 Energie Produktion bei Photosynthese Kohlendioxid Solar Energie B ioenergy plant Photosynthese C n H m O n W ood products Biofuels Wasser Mineralien Mit Mit Sonnenenergie und und Kohlendioxid in in der der Atmosphäre sowie Wasser und und Mineralien auf auf der der Erde werden Kohlenwasserstoffe produziert: Bioenergie aus aus Wald Wald und und Ackerbau. Die Die Verbrennung von von Biomasse aus aus einer einer nachhaltigen Forstwirtschaft wird wird als als CO CO 2 2 -neutral eingestuft. Der Kohlendioxid-Kreislauf bei Bildung und Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Bildung von Kohlenwasserstoffen (Fossile und biogene Energieträger) Photosynthese Zuführung von Lichtenergie 6 H 2 O + 6 CO 2 C 6 H 12 O O 2 Verwitterung, Verfaulung und Verbrennung Abführung von Wärmeenergie C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O 26

29 Der Biomasse-Kreislauf Der Biomasse-Kreislauf Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche 3, EJ/Jahr Atmung EJ/Jahr Photosynthese EJ/Jahr Gebildete Biomasse EJ/Jahr Zersetzung EJ/Jahr Fossile Brennstoffe 250 EJ/Jahr Genutzte Biomasse 200 EJ/Jahr Große Mengen an CO 2 in der Atmosphäre wurden in vielen Millionen Jahren in den fossilen Ressourcen Kohle, Erdöl und Erdgas über den photosynthetischen Prozess gebunden. Damit wurde das CO 2 -Gleichgewicht auf der Erde hergestellt und die Entwicklung von Lebensformen möglich gemacht. Die fossilen Energieträger sind viele Jahrtausende der Menschheit verborgen geblieben und erst vor 150 Jahren in den Tiefen der Erde entdeckt worden. Heute sind diese Kohlenhydrate die Hauptenergieträger unserer Energieversorgung. Zu den natürlichen CO 2 -Emissionen kommen somit auch die vom Menschen verursachten zusätzlichen ( anthropogenen ) CO 2 -Emissionen durch Verbrennung fossiler Energieträger hinzu. Ein zu hoher Kohlendioxid-Anteil in der Atmosphäre durch zu starke Emissionen führt zu einem Treibhaus-Effekt und damit zu einer globalen Erwärmung, mit Einleitung eines beschleunigten Klimawandels. Damit hat sich der Lebensraum auf der Erde spürbar geändert: Mit der heutigen Energieversorgung beeinträchtigt der Mensch in bedrohlichem Maße die Lebensbedingungen auf dem Planeten Erde. 27

30 Natürliche und anthropogene Emissionen Unsere Umwelt wird durch natürliche und in zunehmendem Maße durch zusätzliche Emissionen aus der Energieversorgung belastet: energierelevante/anthropogene Emissionen. Natürliche Emissionen Natürliche Emissionsprozesse entstehen durch: Mikrobielle Prozesse (Verwesung, Vorgänge am Boden), vulkanische Tätigkeit, Gewitter, Waldbrände, photochemische Abläufe in der Atmosphäre, Erosion, Pflanzenausdünstung, Viehhaltung. Freigesetzte Komponenten durch natürliche Emissionsprozesse sind: Kohlendioxid CO 2, Kohlenmonoxid CO, Methan CH 4, Stickoxide NO 2 und NO x, Schwefeldioxid SO 2, Schwefelwasserstoff H 2 S, unverbrannte Kohlenwasserstoffe C x H y, organische S- Verbindungen, Ozon O 3, Staub, diverse organische Verbindungen durch Pflanzenausdünstungen. Mit dem natürlichen CO 2 -Kreislauf wird der Lebensraum des Planeten Erde aufrechterhalten: Unter Einwirkung der Sonneneinstrahlung wird das CO 2 aus der Atmosphäre zur Bildung von Kohlenwasserstoffen in Form von Pflanzen und Bäumen gebunden und später durch mikrobielle Prozesse (Verwesung) wieder der Atmosphäre abgegeben. Das CO 2 ist demnach ein wichtiger Bestandteil für den Lebensraum: z.b. Nahrung und biogene Energieressourcen. Schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Emission, Transmission und Immission Primäre Luftschadstoffe werden durch menschliche Aktivitäten (zu (zu einem kleinen Teil Teil auch durch natürliche Prozesse wie wie Vulkane, Freisetzungen durch die die Vegetation etc.) etc.) in in die die Atmosphäre eingebracht oder oder durch chemische Umwandlung in in der der Atmosphäre gebildet: Sekundäre Luftschadstoffe. 28

31 Natürliche Emissionen Natürliche Emissionen Natürliche Emissionsprozesse Natürliche Emissionsprozesse Mikrobielle Prozesse Verwesung, Vorgänge im Boden Vulkanische Tätigkeit Gewitter Waldbrände Photochemische Abläufe (in der Stratosphäre) Erosion Viehhaltung Pflanzenausdünstungen CO 2, CO, CH 4, NO 2, NO x, H 2 S, NH 3, organische S-Verbindungen SO 2, Staub NO x NO x, Staub O 3 Staub CH 4, NH 3, Isopren, Terpene und andere organische Verbindungen 29

32 Anthropogene Emissionen Zu den energierelevanten und durch menschliches Handeln verursachten (anthropogenen) Emissionen, die einen Einfluss auf Umwelt und Klima haben, sind zu zählen: die direkten Treibhausgase Kohlendioxid und Methan und die indirekt wirkenden Emissionen (Spurengase) wie vor allem Stickoxide, Kohlenmonoxid, flüchtige organische Verbindungen sowie Schwefeldioxid. In Industriestaaten werden von den anthropogenen Emissionen Kohlendioxid zu 92%, Stickoxide zu 99%, Kohlenmonoxid zu 88% und Schwefeldioxid zu 96% energiebedingt emittiert. Die Emissionen von Methan stammen zu etwa 30% aus der Förderung und Bereitstellung fossiler Energieträger. Energiebedingte umweltrelevante Emissionen sind das Produkt der energetischen Nutzung fossiler und biogener Brennstoffe: Verbrennungs- und Reaktionsprodukte. Neben den klassischen Schadstoffemissionen des Verbrennungsprozesses wie Kohlenmonoxid, Schwefel- und Stickoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Staub sind insbesondere die Reaktionsprodukte als Spurengase Kohlendioxid und Methan für die globale Erwärmung der Erde über den Treibhauseffekt verantwortlich. Anteil der Energieversorgung an umweltrelevanten Spuren-/Treibhausgasen 99% 96% 92% 88% Anteil Energieversorgung, % 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Kohlendioxid Methan 30% Stickoxide Kohlenmonoxid Emissionen Schwefeldioxid 30

33 Beitrag von Spurengasen zum "zusätzlichen" Treibhauseffekt Wasserdampf in der Atmosphäre Di-Stickstoffoxid 2% 4% Ozon in der Troposphäre 8% Flourkohlenwasserstoffe Methan 17% 19% Kohlendioxid 50% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Anteil am Treibhauseffekt, % Spezifische Kohlendioxidemission, kg CO 2 /kwh Kohlendioxidemission bei der Verbrennung fossiler Energieträger und Biomasse 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,29 0,29 0,26 0,35 0,40 0,33 0,19 0,39 0,00 ERDÖL Heizöl, schwer Heizöl, leicht KOHLE Braunkohle Steinkohle ERDGAS BIOMASSE Die bei der Verbrennung von biogenen Energieträgern aus einer nachhaltigen Forstwirtschaft entstehenden CO 2 -Emissionen werden als umwelt-neutral und damit als nicht-klimarelevant eingestuft. 31

34 CO 2 -neutrale Verbrennung von Holz und Holzprodukten (Biomasse) Nachhaltige Nutzung: Zuwachs = Nutzung + mikrobiologischer Abbau Kohlendioxid-Gleichgewicht: Fixierung = Emission 32

35 CO 2 -Emission bei Verbrennung von Holz und Holzprodukten (Biomasse) Nicht-Nachhaltige Nutzung: Zuwachs = < Nutzung + mikrobiologischer Abbau Kohlendioxid-Emission: Fixierung < Emission 33

36 CO 2 -Bindung in Holz und Holzprodukten (Biomasse) CO 2 -Bindung: Zuwachs = > Nutzung + mikrobiologischer Abbau Kohlendioxid-Speicherung: Fixierung > Emission 34

37 Der Treibhaus-Effekt Die in der Atmosphäre festgehaltenen Spurengase wirken als selektive Strahler, d.h. sie lassen die kurzwelligeren Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche durch, mindern jedoch den Austritt der über Absorption an der Erdoberfläche entstehenden langwelligeren Wärmestrahlen. Damit entsteht der Treibhauseffekt, verbunden mit einer zunehmenden Erwärmung der Erdoberfläche. Das CO 2 -Emissionsäquivalent Die Wirkung der einzelnen Spurengase auf den Treibhauseffekt wird durch das CO 2 - Emissionsäquivalent (CO 2 -Äquivalentfaktor) ausgedrückt. So hat beispielsweise Methan (CH 4 ) eine um das 21-fache stärkere Treibhauswirkung im Vergleich zu CO 2 und N 2 O ist sogar um 310-fach stärker in der Treibhauswirkung als CO 2. Die Auswirkungen von Emissionen auf die Umwelt betreffen nicht nur den Treibhauseffekt, sondern sind Verursacher des stratosphärischen Ozonabbaus, der Zerstörung von Phytoplankton, für troposphärische Ozonbildung, für Modifikation der troposphärischen Luftchemie und des Waldsterbens. 35

38 CO 2 -Emissionsäquivalent CO 2 -Emissionsäquivalent Die Wirkung der einzelnen Spurengase auf den Treibhauseffekt wird durch das CO 2 -Emissionsäquivalent (CO 2 -Äquivalentfaktor) ausgedrückt. CO 2 -Emissionsäquivalent der klimawirksamen Spurengase CO 2 - Äquivalenzfaktor Gas Faktor CO 2 Kohlendioxid x 1 CH 4 Methan x 21 N 2 O Lachgas x 310 HFC teilflourierte Kohlenwasserstoffe x rd PFC vollflourierte Kohlenwasserstoffe x rd SF 6 Schwefelhexaflourid x rd Treibhaus- Effekt Zerstörung von Phytoplankton Troposphärische Ozonbildung Stratosphärischer Ozonabbau FCKW, Halone, CCl 4, CH 3 CCl 3 CO, NO x, CO 2, CH 4, FCKW, N 2 O, Halone, CCl 4, CH 3 CCl 3 Emissionen CO 2, N 2 O O 3 CO, NO x, CH 4 Waldsterben Modifikation der der troposphärischen Luftchemie 36

39 CO 2 -Emission, CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre und Temperatur- Änderungen auf der Erde Auswertungen von Bohrkernen aus der Antarktis führen zu dem Ergebnis, dass ein Zusammenhang zwischen CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre und Temperatur- Änderungen auf der Erdoberfläche besteht. Die CO 2 -Moleküle - als selektive Strahler - haben eine Verweilzeit in der Atmosphäre von mehr als 100 Jahren. Einfluss auf die CO 2 -Konzentration haben auch Sonnen-Eruptionen. Aus wissenschaftlicher Sicht kann ein Temperaturanstieg aufgrund von anthropogen verursachten CO 2 -Emissionen nicht in Frage gestellt werden. Nach aktuellen Studien müsste die CO 2 -Emission auf den Wert von 450 p.p.m begrenzt werden, um den Temperaturanstieg auf der Erdoberfläche unter 2 C sicherzustellen. Ein Grenzwert, welcher als Beginn einer Klimakatastrophe angesehen wird. Kohlendioxid in in der Atmosphäre und globale Temperaturänderungen 2012: 420 CO 2 (p.p.m.) CO 2 Temperaturänderung 37

40 CO CO 2 in der 2 -Konzentration in der Atmosphäre, Temperaturanstieg und und Sonneneruptionen Eine Reduzierung von schädlichen Verbrennungsprodukten lässt sich durch eine vollständige Verbrennung technisch realisieren, das Reaktionsprodukt Kohlendioxid (CO 2 ) müsste nach der Verbrennung abgetrennt und langfristig gesichert gespeichert werden: CO 2 -Management. Methoden zum CO 2 -Management sind derzeit in Entwicklung / Erprobung. Lösungskonzepte für technische Maßnahmen zur Minderung/Vermeidung von CO 2 -Emissionen Kohle mit noch größeren Reserven hat das Problem der starken CO 2 -Emission. Wenn es nicht gelingen sollte, das CO 2 -Problem bei der Verbrennung von Kohle zu lösen (CO 2 -Abtrennung, -Bindung und -Speicherung), dann könnte eine Renaissance von Kohle als Energieträger aus Umweltgründen scheitern. Dies würde insbesondere die heutigen Schwellenländer China und Indien in der weiteren Entwicklung treffen. Weltweit wird nach technischen Lösungen gesucht, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehende CO 2 einzufangen (z.b. chemisch zu binden) und zu speichern. Als geeignete Speicher für CO 2 bieten sich aufgelassene Erdöl-, Erdgas- und Kohle- Lagerstätten an. Auch der Meeresboden wird in die Überlegungen mit eingebunden. 38

41 CO 2 -Speicherung in in aufgelassenen Kohle-, Erdöl- und Erdgas-Lagerstätten Kraftwerk mit CO 2 Speicherung Kohle Pipeline Pipeline Ozean Erdöl- und Erdgas Salz-Aquifere Eine CO 2 -Abtrennung und Speicherung ist insbesondere auch im Zusammenhang mit einer neuerlichen Nutzung von Kohle (z. B. China, Asien) von Bedeutung. Die Entwicklungen haben erst eingesetzt, es steht aber bereits fest, dass sich dadurch die Kosten für Wärme und Strom aus fossilen Energieträgern deutlich erhöhen würden. Damit wäre eine Wettbewerbsfähigkeit mit derzeitigen Kraftwerken auf der Basis von Erdöl und Erdgas, aber auch von erneuerbaren Energieträgern nicht gegeben. Aktuelle EU-Forschungsprogramme verfolgen das Ziel, die Kosten für CO 2 - Abtrennung und Speicherung unter 50 pro Tonne CO 2 zu halten. Für das CO 2 -Management von Kraftwerken mit fossilen Energieträgern werden derzeit mehrere Optionen in Betracht gezogen. 39

42 Verminderung der Treibhausgas-Emissionen durch Auswahl der Energietechnik Der Einfluss der Energietechnik auf Treibhausgas-Emissionen ist sehr unterschiedlich. Von Vorteil sind Techniken zur Nutzung erneuerbarer Energieträger. Treibhausgas-Emissionen der Energietechniken im Lebenszyklus Technologie: Wasserkraft, Kernenergie Windenergie Solarenergie Bioenergie Erdgas Erdöl Steinkohle Braunkohle Gering Hoch Eine Lösung des CO 2 -Problems durch den Einsatz von Kernenergie kann keine Lösung des Umwelt-/Klimaproblems sein, da die Gefahr radioaktiver Emissionen bei Reaktorunfällen nicht auszuschließen ist. Mögliche Folgen einer Klimaänderung Die möglichen Folgen einer raschen Klimaänderung - ohne Chance auf eine Anpassung des Menschen an einen neuen Lebensraum sind vielfältig: Extreme Änderungen im Wettergeschehen. Zunahme der Intensität von Unwetter-Katastrophen. Rückgang der Gletscher mit Zunahme der Gefahren in den Alpen. Abschmelzen der Polkappen mit Anstieg der Meeresoberfläche. Noch unvorhersagbare Auswirkungen auf Flora und Fauna. 40

43 Wie wird der Planet Erde auf eine Klimaänderung reagieren? (1) Abschmelzen der Pole, (2) Auftauen von Permafrostboden, (3) Dürre und Brände, (4) Sintfluten und Stürme, (5) Ozeane in Not, (6) Artenverlust 41

44 Globale Erwärmung durch Klimawandel (1) Globale Erwärmung durch Klimawandel (1) Bedrohung des Lebensraumes der ERDE: (1) Abschmelzen des Polareises: Verlust von Trinkwasserreserven, Überschwemmung von Küstenstädten durch Meeresanstieg, Austreten von im Eis gespeicherten Methan. Eisfreie Arktisregion bedeutet aber auch Vorteile für Schifffahrt und leichterer Zugang zu Bodenschätzen: Erdölquellen über von Eis bedeckten Meeresboden. Globale Erwärmung durch Klimawandel (2) Globale Erwärmung durch Klimawandel (2) (2) Auftauen von Permafrostboden: Geographisch handelt es sich um große Teile in Nordkanada, Alaska, Grönland und Ostsibirien. Dauerfrostboden sind bis zu Tiefen von m das ganze Jahr gefroren. Taut die gefrorene aus voreiszeitlich konservierter Fauna und Flora gebildete Biomasse auf, dann gibt der Morast Methan (CH 4 ) frei, ein Treibhausgas mit noch größerer Wirkung im Vergleich zu Kohlendioxid (CO 2 ): um bis zu 80-mal stärker. 42

45 Globale Erwärmung durch Klimawandel (3) Globale Erwärmung durch Klimawandel (3) (3) Dürre und Brände: Verlust von Ackerland, Ernteausfälle und Hungersnöte. (4) Sintfluten und Stürme: Warme Luft speichert mehr Wasser die Gefahr von starken Regenfällen steigt. Je wärmer das Meerwasser, desto größer die Zerstörungskraft der Hurrikane und Taifune. Globale Erwärmung durch Klimawandel (4) Globale Erwärmung durch Klimawandel (4) (5) Artenverlust: Mit der Temperaturerhöhung sind viele Landtierarten bedroht. Die frühe Eisschmelze entzieht den Eisbären die Jagdgründe. (6) Ozeane in Not: Fische versuchen dem warmen Wasser zu entgehen, giftige Algen breiten sich aus. Das gesamte Ökosystem wird gestört. 43

46 Der Golfstrom Gefahren für das Klima (5) Der Golfstrom Gefahren für das Klima (5) Im Zusammenhang mit der globalen Klimaerwärmung kommt dem Golfstrom eine besondere Bedeutung zu. Durch die Erwärmung des Polargebietes vermindert sich die Abkühlung des Oberflächenwassers, wodurch die Golfzirkulation geschwächt oder sogar ganz unterbunden werden könnte. Damit verbunden wäre einer Verschiebung der Klimazonen. 44

47 2. Der Stern SONNE und der Planet ERDE 2.1. Die solare Strahlungsenergie Die von der Sonne abgestrahlte Strahlungsenergie entsteht durch die kontinuierliche Kernfusion in der Sonne Verschmelzung von Kernbauteilen mit Massenverlust und der damit frei werdenden Energie in Form von Strahlung (elektromagnetische Wellen). 1,4 Millionen km H He Sonne Um 20 Millionen K im Kern Photosphäre 300 km K 120 Mrd MW Strahlungsleistung 3, W Erde 30% 30% reflektiert 46% 46% von von der der Erde Erde aufgenommen 23% 23% zum zum Verdunsten von von Wasser Wasser 1% 1% Wind, Wind, Meereswellen 0,03% zur Photosynthese Die auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenstrahlung (Gesamtstrahlung, Globalstrahlung) besteht aus einem direkten und einem indirekten (diffusen, Himmelsstrahlung) Anteil. Die maximale Strahlungsleistung bei Eintritt in die Atmosphäre (äußerer Rand der Erdatmosphäre, um m von der Erdoberfläche entfernt) beträgt 1,34 kw/m². Die maximale Strahlungsleistung auf der Erdoberfläche (horizontale Ebene, ohne Bodenreflexion) erreicht Werte von bis zu 1,1 kw/m² im Süden, bis 0,9 kw/m² in Mitteleuropa und bis 0,8 kw/m² im Norden. 45

48 Sonneneinstrahlung auf den Kollektor Direkt Reflektiert Diffus Kollektor Strahlungsleistung Strahlungsleistung, W/m² (auf die horizontale Ebene, ohne Bodenreflexion) Norden: bis 800 W/m² Mitteleuropa: bis 900 W/m² Süden: bis W/m² Maximaler Wert bei Eintritt in die Atmosphäre: W/m² Solarkonstante Die von der Erdoberfläche (horizontale Fläche) im Jahr absorbierte Sonnenstrahlung (Strahlungsenergie) liegt je nach Klimazone zwischen 800 und kwh/(m², Jahr). Als Jahresmittelwert kann von kwh/(m², Jahr) ausgegangen werden. 46

49 Globale Solareinstrahlung Globale Solareinstrahlung Solareinstrahlung auf die horizontale Ebene in kwh/(m², Jahr) Strahlungsenergie Die von der Erdoberfläche (horizontale Fläche) im Jahr absorbierte Sonnenstrahlung (Strahlungsenergie) liegt je nach Klimazone zwischen 800 und kwh/(m², Jahr). Als Jahresmittelwert kann von kwh/(m², Jahr) ausgegangen werden. 47

50 Die Energiebilanz der ERDE: Auf der ERDE absorbierte Sonneneinstrahlung Die Energiebilanz der Erde Die Energiebilanz der Erde Auf die Erdoberfläche auftreffende Solarstrahlung 5,50 6,00 Mill. EJ/Jahr Die von der Erdoberfläche (horizontale Fläche) im Jahr absorbierte Sonnenstrahlung (Solareinstrahlung) liegt bei 5,5 bis 6,0 Millionen EJ/Jahr. (1 Exa-Joule, EJ = Joule, J). Für Sonnenergienutzung auf der Erdoberfläche (Land, halbe Erdkugel) verfügbar: 5,50*10 6 * 0,292 = 1,606*10 6 EJ/Jahr. Bei Annahme einer Abstrahlung in die Atmosphäre von 48%, und eines Land Use Factor von 25% ergibt sich ein Energiebeitrag von 1,606*10 6 * 0,48 * 0,25 = 0,193*10 6 EJ/Jahr. Unter Annahme einen Systemwirkungsgrades von durchschnittlich 20% für solarthermische und solarelektrische Anlagen (für die Erzeugung von Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Wärme sowie Strom über Photovoltaikanlagen und solarthermische Kraftwerke) könnte - bezogen auf die verfügbare (feste) Erdoberfläche - ein Energiebeitrag von erzeugt werden. 0,193*10 6 * 0,20 = 0,039*10 6 EJ pro Jahr Das theoretische Potential für die Erzeugung von Nutzenergie mit Solaranlagen liegt demnach mit EJ 58-fach über dem Weltenergieverbrauch 2004 von 463 EJ ( EJ/463 EJ = 58). 48

51 2.2 Sonneneinstrahlung, Lebensraum und Lebensbedingungen Die Sonneneinstrahlung als primäre Energiequelle der Erde bestimmt Wetter und Klima und damit den Lebensraum. Das Wetter beschreibt den jeweiligen Zustand der Lufthülle über einem Punkt der Erdoberfläche und wird bestimmt durch Wind, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Strahlung, Bewölkung, Niederschlag. Das Klima charakterisiert den Zustand der Atmosphäre über ein Gebiet, bestimmt durch Temperatur, Luftdruck, Windrichtung und Windstärke, Niederschläge, Luftfeuchtigkeit, Bewölkung und Sonnenscheindauer. Das WETTER... jeweiliger Zustand der Lufthülle über einem Punkt der Erdoberfläche. Bestimmt durch Wind, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Strahlung, Bewölkung, Niederschlag. Das KLIMA... Zustand der Atmosphäre über einem bestimmten Gebiet. Bestimmt durch Temperatur, Luftdruck, Windrichtung und Windstärke, Niederschläge, Luftfeuchtigkeit, Bewölkung und Sonnenscheindauer. 49

52 Lebensraum und Klimazonen Der Lebensraum auf der Erde hat sich seit dem Beginn von Leben stetig - zum Teil in Verbindung mit Katastrophen - geändert und der Mensch musste sich den jeweiligen Bedingungen anpassen. KLIMA-ZONEN - gemäßigte Zonen, - tropische Zonen, - Polarzonen. Entscheidende Vorgaben für den Lebensraum sind die Klimazeiten (Kalt- und Warmzeiten) und die Klimazonen. Kalt- und Warmzeiten stehen in einem direkten Zusammenhang mit der CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre; siehe Abschnitt