Erneuerbare Energien: Funktionsweise und Umweltaspekte von Wasserkraft bis Wasserstoff

1. Komponenten eines Wasserkraftwerks

Zentrale Komponenten eines Wasserkraftwerks sind die Umwandlung der potenziellen Energie des Wassers, das im Behälter gesammelt wird, in elektrische Energie durch die Lichtmaschine. Der Prozess läuft ab als: Potentielle Energie → Kinetische Energie → Wasserstrom-Rotation.

Reservoir

Hierbei handelt es sich um einen Speicher, der durch eine Betonmauer, den Staudamm, gehalten wird. Das Ziel ist, dem Gewicht des Wassers entgegenzuwirken. Ein Dammbau ist teuer. Bei einem Bogenstaumauer wird die Wasserlast auf die Berghänge übertragen, was die Konstruktion billiger macht als bei einem Schwergewichtsstaumauer.

Wasserleitungen

• Einlass (Tor): Dient dazu, Wasser aus dem Reservoir abzulassen, ohne den Maschinenraum passieren zu müssen.
• Druckrohrleitungen: Führen Wasser aus dem Reservoir zu den Turbinen.

Turbinen

Wandeln die kinetische Energie des Wassers in mechanische Drehbewegung um.

• Einlauf (Ansaugung): Sorgt dafür, dass Schlamm, Steine und andere Materialien im Hintergrund bleiben und nicht in die Turbinen gezogen werden, um Schäden zu vermeiden.
• Welle: Ein kleiner Speicher nach dem Ansaugrohr, der Druckschwankungen im Maschinenraum verhindert.
• Lichtmaschine (Generator): Ist mit der Turbinenwelle verschweißt.

a) Kaplan-Turbine

Vertikale Achse mit einem Rotor auf einem verstellbaren Propeller in einer Kammer, durch die das Wasser fließt. Wird für Wasserfälle mit geringer Fallhöhe (unter 25 cm) und hohem Durchfluss verwendet. Die Ausbeute beträgt 93–95%. Sie ist heute am weitesten verbreitet.

b) Pelton-Turbine

Ein Wasserrad, dessen Umfang mit Schaufeln versehen ist, die einem starken Wasserstrahl standhalten. Die Schaufeln erhalten das Wasser in einer Richtung und leiten es fast entgegengesetzt ab. Sie wird bei großem Wasserfall, aber geringem Durchfluss eingesetzt. Die Ausbeute liegt bei 90%. Die Drehzahl ist geringer als bei Kaplan; um sie zu erhöhen, wird die Anzahl der Düsen variiert.

Transformatoren und Leitungen

Sie erhöhen die Ausgangsspannung der Generatoren.

2. Kraftwerkstypen

Mini-Kraftwerke

Leistung unter 10 MW. Dienen der lokalen Versorgung von Menschen und Unternehmen.

Großkraftwerke

Leistung über 10 MW. Finden sich in Flusseinzugsgebieten mit großen Strömen.

Pumpspeicherkraftwerke

Sie verfügen über zwei Speicherseen. Das Wasser durchströmt die Rohre, treibt die Turbine an und erzeugt Strom. Bei geringem Energiebedarf wird der Überschuss genutzt, um Wasser vom unteren in den oberen Speicher zu pumpen.

Gemischte Pumpspeicherkraftwerke

Erzeugen Energie unabhängig davon, ob gepumpt wird oder nicht. Sie müssen Wasser nicht zwingend pumpen, da der obere See von einem Fluss gespeist wird. Bei Energiebedarf und niedrigem Wasserstand im Speicher wird Wasser hochgepumpt, um ihn zu füllen.

3. Nutzung der Sonnenenergie

Thermische Energieumwandlung (Kollektoren)

Basiert auf der Absorption von Sonnenstrahlen durch Körper. Schwarze Oberflächen absorbieren Strahlung, weiße glänzen und reflektieren sie.

Die Geräte hierfür werden Kollektoren oder Sensoren genannt (Metallboxen mit schwarz lackierten Rohren, durch die Wasser fließt). Sie werden so ausgerichtet, dass sie maximale Sonneneinstrahlung einfangen.

Temperaturen und Bauweisen:

• Bis 35 °C: Einfache Sammler, bei denen die Rohre nicht isoliert sein müssen. Anwendung: Trocknung und Kühlung von Pools.
• Bis 60 °C: Der Sammler hat eine äußere Glasabdeckung und ist innen mit Glasfaser isoliert. Anwendung: Hausheizung, Industrie.
• Bis 120 °C: Die Kollektoren sind isoliert und vakuumdicht verschlossen. Anwendung: Industrielle Nutzung, wenn Hochtemperaturwasser benötigt wird.

Umwandlung in Wärme (Passive Nutzung)

• Gewächshäuser: Kunststoffe können einfallende Strahlung absorbieren und durch Reflexion die Temperatur im Inneren erhöhen.
• Regler des Meerwassers: Getrennte und isolierte Behälter mit einem Kristall, der um 45° zur Horizontalen ausgerichtet ist, reflektiert Strahlen auf das Salzwasser. Das Wasser verdunstet, Salz bleibt zurück und kondensiert in einem anderen Behälter.

Konzentrierende Systeme

• Heliostatenfeld: Besteht aus großen Spiegeln, die das Sonnenlicht auf einen Turm reflektieren, um die Strahlen auf einem Kessel zu konzentrieren. Die Wärme wird von einer Flüssigkeit aufgenommen und an Dampferzeuger geleitet. Die Energie wird in einem weiteren Kreislauf zur Stromerzeugung über eine Turbine und einen Generator genutzt.
• Parabolrinnen-Konzentratoren: Konzentrieren die Strahlen auf ein Rohr mit Öl, das bis zu 300 °C erreicht. Das Öl überträgt die Wärme an einen Wärmetauscher, wo Wasser verdampft und über eine Turbine und einen Generator Strom erzeugt.
• Solarkocher: Konzentrieren die Sonnenstrahlen auf einen Punkt mittels eines Parabolspiegels. Die erreichten Temperaturen werden untersucht und für Materialien mit hohem Schmelzpunkt genutzt.

Photovoltaik-Module

Bestehen aus einer Reihe von Solarzellen aus Silizium. Fällt Licht darauf, wird an den Enden eine Spannung generiert (typischerweise 18V bei 2A bei Reihenschaltung).

4. Windenergie

Die Windenergie nutzt die kinetische Energie der sich bewegenden Luft.

Windmaschinen

Horizontal-Achsen-Windkraftanlagen (HAWT)

Am häufigsten verwendet aufgrund ihrer technologischen und wirtschaftlichen Entwicklung. Die Achse muss parallel zur Windrichtung gehalten werden.

• Geringe oder mittlere Leistung: Hohe Blattanzahl, Einsatz in ländlichen Gebieten.
• Hohe Leistung: Zwei oder drei Blätter, können zu Windparks gruppiert werden.

Vertikal-Achsen-Windkraftanlagen (VAWT)

Weniger fortgeschritten und in ihrer Nutzung beschränkt, könnten aber zukünftig wichtiger werden, da sie keine Ausrichtung benötigen. Beispiele sind Darrieus- und Savonius-Windkraftanlagen.

5. Thermochemische Verfahren (Biomasse)

Biomasse wird hoher Temperatur ausgesetzt, meist durch Verbrennung.

• Verbrennung mit viel Luft: Erzeugt Dampf zur Stromproduktion durch die Lichtmaschine.
• Verbrennung mit wenig Luft (Vergasung): Produziert Gas, das aus CO, CO₂, H₂ und Methanol besteht. Bei Verwendung von reinem Sauerstoff entsteht Synthesegas, das leichter in flüssigen Kraftstoff umgewandelt werden kann.
• Ohne Luft (Pyrolyse): Erzeugt Gas (H₂, CO₂ und Kohlenwasserstoffe), Flüssigkeiten (Alkohol) und Feststoffe (Kohlenteer).

6. Biochemische Verfahren

Hier wird Biomasse in Energie umgewandelt.

Alkoholische Gärung

Umwandlung von Glukose in Ethanol durch Mikroorganismen. Jedes Produkt, das Zucker oder Stärke enthält (in Zucker umgewandelt), kann zu Alkohol verarbeitet werden.

Anaerobe Gärung

Gärung in Abwesenheit von Sauerstoff über einen längeren Zeitraum. Erzeugt eine Mischung gasförmiger Produkte (Methan und Kohlendioxid) als Biogas.

7. Umweltaspekte und weitere Energiequellen

Geothermie

Geothermie ist die Energie, die aus der Wärme des Erdinneren stammt. Zur Entnahme wird meist Wasser verwendet, das erhitzt wird und dann zur Energiegewinnung genutzt wird.

7.1 Arten von Lagerstätten

Hydrothermale Lagerstätten

Die Flüssigkeit (Wasser) befindet sich bereits im Erdinneren, gespeist durch Regen, Schneeschmelze und Flüssen. Das Wasser kann flüssig oder dampfförmig sein (40 bis 200 °C), abhängig von Druck und Temperatur.

Der Aufbau besteht typischerweise aus:

• Einer wärmedurchlässigen Schicht (poröses Gestein, das das Wasser enthält).
• Einer wärmeundurchlässigen Deckschicht, die die Wärmeleitung nach oben begrenzt.

Durch die Wärmeeinwirkung steigt die Wassertemperatur und damit der Druck. Bei hohen Temperaturen wird das Wasser zu Dampf unter hohem Druck. Beim Bohren durch die Deckschicht steigen Dampf und/oder heißes Wasser an die Oberfläche, wo ihre Wärmeenergie zur Stromerzeugung genutzt wird. Manchmal brechen undurchlässige Gesteinsschichten aufgrund des inneren Drucks auf, was zu Hochdruckaustritten führt.

Geopressurierte Lagerstätten

Ähnlich wie die hydrothermalen, aber das Wasser befindet sich in größerer Tiefe und unter Druck. Das Wasser liegt meist flüssig vor, erreicht aber Temperaturen um 200 °C. Häufig tritt hier auch Erdgas auf. Es können somit drei Energieformen genutzt werden: Wärmeenergie im Wasser, Wasserdruckenergie und die chemische Energie des Erdgases.

Heißgesteinslagerstätten (Hot Rock)

Bestehen aus undurchlässigem Gestein, das Temperaturen bis zu 300 °C erreichen kann. In diesen Felsen ist keine Flüssigkeit vorhanden.

Die Lösung zur Wärmeextraktion ist das Bohren von zwei Löchern: Kaltes Wasser wird in eines eingeleitet und kommt als Warmwasser aus dem anderen. Da das Gestein undurchlässig ist, dient das Wasser nur als Kanal. Bei geringem Abstand zwischen den Löchern ist die Wärmeübertragung aufgrund der geringen Leitfähigkeit des Gesteins gering. Es wird erforscht, wie hier maximal Energie gewonnen werden kann, inklusive der Überlegung, kleine nukleare Explosionen zur Vergrößerung der Kontaktfläche zu nutzen.

6.6 Gezeitenenergie

Gezeiten werden durch die Anziehungskraft von Sonne und Mond verursacht. Dieses Phänomen kann in einigen Gebieten Gezeitenwellen von bis zu 10 Metern verursachen.

In Gebieten mit großem Tidenhub wird eine geeignete Bucht oder Flussmündung genutzt. Der Damm besitzt ein oder mehrere Tore, in denen eine reversible Turbine installiert ist.

1. Flut: Das Tor schließt sich zum Schutz vor dem steigenden Wasser.
2. Ebbe (nahe Hochwasser): Das Tor öffnet sich, die Turbine arbeitet wie bei einem Reservoir (Wasser strömt in die Mündung). Die Mündung füllt sich.
3. Ebbe (nahe Niedrigwasser): Das Tor schließt sich, bis die Ebbe ihren tiefsten Punkt erreicht hat. Dann öffnet es sich wieder und die Turbine beginnt erneut zu laufen.

Derzeit wird kommerziell nur die Gezeitenkraftanlage in La Rance (Frankreich) genutzt. Der Teich hat eine Fläche von 22 km² und erzeugt mit 24 Turbinen-Generator-Einheiten über 500 MWh pro Jahr.

6.7 Feste Siedlungsabfälle (MSW)

• Verbrennung: Abfall wird verbrannt, um Wärme zu gewinnen, die zur Stromerzeugung (Kraftwerk), Heizung oder für industrielle Zwecke genutzt werden kann.
• Vergärung organischer Abfälle: Ziel ist die Gewinnung von Biogas als Kraftstoff.

6.8 Wellenenergie

Im Laufe der Geschichte wurden verschiedene Geräte entwickelt, um Wellenenergie in nutzbare Energie (meist Strom) umzuwandeln. Die Nutzung ist oft schwierig, da große Strukturen Stürmen standhalten müssen. Ihre Größe und die Künstnähe können erhebliche Umweltauswirkungen haben.

Umweltauswirkungen

• Solar: Die Auswirkungen sind meist visueller Natur. Großanlagen können ökologische Systeme verändern. Sie werden glücklicherweise oft in Gebieten mit geringer Beeinträchtigung errichtet.
• Wind: Große Windparks können erhebliche Lärmbelastungen verursachen. Zudem können Vögel mit den Rotorblättern kollidieren.
• Biomasse (Thermochemisch): Bei der Verarbeitung entstehen unter anderem CO, CO₂ und Rauch, die in die Atmosphäre emittiert werden.
• Geothermie: Die Anlagen verursachen oft visuelle Beeinträchtigungen und können in kleinem Maßstab Flora und Fauna in der Umgebung beeinflussen.
• Gezeiten: Haben keinen großen Umwelteinfluss.
• MSW (Siedlungsabfälle): Die Energieerzeugung durch Verbrennung verschmutzt die Umwelt. Bei Grünabfällen ist der Einfluss vergleichbar mit Biomasse. Bei Kunststoffen, Gummi, Textilien etc. können die Umweltauswirkungen sehr groß sein. Um dies zu mindern, werden Materialien in speziellen Öfen bei etwa 900 °C verbrannt und die Abgase gefiltert.
• Wellenenergie: Die Anlagen sind oft enorm. Die Auswirkung ist primär optischer Natur.

B. Abfallbehandlung

Die einzige Energiealternative, die Abfälle nutzt (MSW), ist die Verbrennung. Bei Biomasse und organischen Abfällen aus pflanzlichem Material ist Recycling die beste Option, da sie oft als Dünger oder Gülle verwendet werden können. Nicht verwertbare Abfälle müssen auf speziell dafür vorgesehenen Deponien gelagert werden, die in regelmäßigen Abständen mit Erde oder anderen Materialien abgedeckt werden, um zukünftige Umweltkontamination zu verhindern.

7.1 Zukünftige umweltpolitische Ziele für erneuerbare Energien

Derzeit werden Energien erforscht und getestet, die eine große Zukunft haben könnten (sowohl erneuerbare als auch nicht erneuerbare Quellen). Die wichtigsten sind die Kalte Fusion und die Wasserstoff-Brennstoffzelle.

A. Kalte Fusion

Im Gegensatz zur gewöhnlichen Fusion wird angenommen, dass die kalte Fusion bei Raumtemperatur ablaufen könnte. Würe dies bestätigt, wäre dies eine extrem billige Energiequelle, die keine gefährlichen Abfälle produziert und kein Explosions- oder Brandrisiko birgt.

Diese Entdeckung soll 1989 von den Wissenschaftlern Martin Fleischmann und Stanley Pons (F & P) gemacht worden sein.

Bei dieser Technik wird elektrischer Strom durch eine Elektrolysezelle geleitet, bei der die Kathode aus Palladium (Pd) und die Anode aus Platin (Pt) besteht. Der Elektrolyt ist eine Verbindung aus Lithium, Sauerstoff und Deuterium (LiOD), gelöst in schwerem Wasser (gebildet aus Deuterium und Sauerstoff).

Die Theorie besagt, dass das Palladium (Kathode) Deuterium-Atome (nicht Moleküle) aus dem Elektrolyten aufnimmt. Dadurch erhöht sich die Dichte des Deuteriums, da mehr Atome enthalten sind. Überschreitet diese Dichte einen kritischen Wert, könnte es zur Kernfusion kommen. Die Vereinigung von zwei Deuteriumkernen würde einen Heliumkern bilden. Ist dieser instabil, zerfällt er und setzt Energie frei.

Brennstoffzelle (Wasserstoff-Pila)

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist ein kleines Kraftwerk, in dem Wasserstoff und Sauerstoff chemisch reagieren, um Strom zu gewinnen, wobei als Rest eine geringe Menge an Wärmeenergie und Wasserdampf entsteht.

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist wie ein Sandwich aufgebaut: Zwischen den Elektroden (a und b) befindet sich ein Elektrolyt, der positive Wasserstoffionen durchlässt, die sich mit Sauerstoff verbinden und eine Spannung zwischen den Elektroden sowie Wasserdampf erzeugen.

Die Spannung jeder einzelnen Zelle ist sehr gering, weshalb viele Zellen in Reihe geschaltet werden.

Diese Technologie ist seit 1994 Realität. Im April 2003 wurde in Madrid Spaniens erster Bus mit Wasserstoff-Brennstoffzelle in Betrieb genommen, und diese Technologie wird von einigen großen Automobilherstellern vertrieben.

7.3 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

KWK ist der Prozess der Nutzung von Restenergie (die sonst verloren ginge), die bei der Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie anfällt, für andere industrielle oder häusliche Zwecke.

Mit dieser Methode kann eine Energieeffizienz von bis zu 90% erreicht werden.

Ein KWK-System kann in einem Kraftwerk angewendet werden, wenn als Brennstoff Kohle, Kohlenwasserstoffe, Erdgas, Biogas usw. verwendet werden.

Funktionsweise:

1. Der Brennstoff verbrennt im Brenner (1), wodurch Wasser erhitzt wird, bis es zu Dampf unter hohem Druck wird (2).
2. Der Dampf wird zur Turbine (3) geleitet, die den Generator (4) antreibt und Strom erzeugt (5).
3. Nach der Turbine kühlt der Dampf ab. Anstatt die Wärme (der Dampf wäre über 100 °C) einfach abzugeben, wird ein Wärmetauscher (6) verwendet, der die Wärme aufnimmt und an einen anderen Ort leitet (7), wo sie für andere Zwecke (Heizung, Kochen, Warmwasser etc.) genutzt werden kann.
4. Das Wasser kehrt dank der Wasserpumpe (8) zu Punkt 2 zurück.

A. Kogenerationsanlagen

Die meisten Industrien besitzen heute eigene Generatoren, da dies oft günstiger ist. Wenn die Industrie die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme nutzt, ist der Einsatz von KWK-Anlagen ratsam.

Es gibt zwei Ausführungen:

• Blockheizkraftwerke mit Dieselmotoren: Arbeiten wie ein normaler Dieselmotor, der mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Die Wärme, die normalerweise über einen Kühler und Lüfter abgeführt wird, wird über ein Rohrleitungssystem abgeführt und für verschiedene industrielle Prozesse (Heizung, Warmwasserbereitung, Kühlung von Schwimmbecken etc.) genutzt.
• Wärmekopplung mit Gasturbine (Dampf): Funktioniert wie ein Strahltriebwerk. Sie werden eingesetzt, wenn höhere Leistungen im Megawattbereich benötigt werden. Als Brennstoffe dienen Erdgas, Biogas, Diesel und Kerosin. Die heißen Abgase werden durch einen Wärmetauscher geleitet, um die Wärmenutzung zu ermöglichen.