Erneuerbare Energien: Wind, Biomasse, Geothermie und KWK im Überblick

Windenergie

Die Quelle der Windenergie ist der Wind, d. h. bewegte Luft. Ihr Vorteil liegt in ihrer kinetischen Energie.

Der Wind entsteht als Folge folgender Faktoren:

• Die Menge an Sonnenlicht, die auf die Luft trifft und diese erwärmt, wodurch sie aufsteigt und andere Luftmassen an ihre Stelle treten, was den Wind erzeugt.
• Die Rotation der Erde.
• Das Wetter an einem bestimmten Ort.

A. Klassifikation von Windkraftanlagen

Diese Studie konzentriert sich auf Windkraftanlagen, die die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandeln. Diese Anlagen, oft als Windturbinen oder Windkraftanlagen bezeichnet, werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt: horizontale Achse und vertikale Achse.

Horizontale Achsen-Windkraftanlagen

Sie sind aufgrund ihrer fortgeschrittenen technologischen und wirtschaftlichen Entwicklung am weitesten verbreitet. Um zu funktionieren, muss ihre Achse parallel zur Windrichtung ausgerichtet sein, damit der Wind auf die Rotorblätter trifft und die Welle dreht. Abhängig von der Leistung werden sie wie folgt klassifiziert:

Niedriger bis mittlerer Leistungsbereich (bis zu 50 kW)

Die Anzahl der Rotorblätter ist in der Regel hoch (sie können bis zu vierundzwanzig haben). Sie werden in ländlichen Gebieten zum Pumpen von Wasser und zur ergänzenden Stromversorgung von Wohngebäuden eingesetzt. Sie sind voll funktionsfähig bei Windgeschwindigkeiten von 5 m/s und beginnen bereits bei 2 m/s zu drehen.

Hohe Leistung (mehr als 50 kW)

Sie haben in der Regel zwei oder drei Rotorblätter mit Profilen, wie sie in der Luftfahrt eingesetzt werden. Sie benötigen Windgeschwindigkeiten von über 5 m/s, um zu starten. Der Ertrag steigt mit zunehmender Windgeschwindigkeit. Der höchste Ertrag wird in der Regel bei 15 m/s erreicht. Moderne Windkraftanlagen sind so konzipiert, dass ihre Rotorblätter auch bei Geschwindigkeiten über 15 m/s maximale Leistung erzielen, wodurch die Spitzenleistung konstant bleibt. Horizontale Achsen-Windkraftanlagen werden oft zu Windparks zusammengefasst.

Vertikale Achsen-Windkraftanlagen

Die technologische Entwicklung ist weniger weit fortgeschritten als die der horizontalen Achsen-Anlagen, und ihre Nutzung ist relativ gering. Ihre Zukunft ist jedoch sehr vielversprechend, da sie keine Ausrichtungsvorrichtungen benötigen. Aufgrund ihrer Symmetrie sind sie immer optimal ausgerichtet und weisen geringeren Widerstand und weniger strukturelle Vibrationen auf. Sie werden oft mit Seilen oder Drähten abgespannt.

Derzeit werden hauptsächlich folgende kleinere vertikale Achsen-Windkraftanlagen verwendet:

Darrieus-Windkraftanlage

Sie besteht aus zwei bikonvexen Profil-Rotorblättern, die miteinander verbunden sind und die Drehung der Welle bewirken.

Savonius-Anlage

Sie besteht im Grunde aus zwei gleichen Halbzylindern, wie in Abbildung 6.19 dargestellt. Der Wind, der auf die Oberfläche des Zylinders trifft, erzeugt die Rotation der Welle.

Biomasse

Als Biomasse werden erneuerbare organische Stoffe (nicht-fossil) pflanzlichen oder tierischen Ursprungs oder solche, die aus natürlicher oder künstlicher Verarbeitung stammen, bezeichnet.

Da Biomasse in der Regel eine geringe Energieeffizienz aufweist und ein großes Volumen einnimmt, ist es notwendig, sie in einen Brennstoff mit höherem Heizwert umzuwandeln.

A. Direkte Gewinnung (Extraktion)

Basiert auf bestimmten Pflanzenarten, die in ihrem Stoffwechsel Öle mit einem hohen Brennwert bilden. Die Gewinnung erfolgt durch Extraktion (Zerkleinern) und die Zugabe bestimmter Chemikalien. Der gewonnene Brennstoff wird als *Biokraftstoff* bekannt. Einige der Pflanzen, aus denen dieser gewonnen wird, sind Palm-, Sonnenblumen- und Sojabohnen. Daraus abgeleitet werden Ethanol und Methanol, die für Verbrennungsmotoren verwendet werden.

B. Thermochemische Prozesse

Bestehen darin, die Biomasse hohen Temperaturen auszusetzen. Dadurch finden irreversible chemische Prozesse statt, die durch Hitze (Verbrennung) erzeugt werden.

C. Biochemische Prozesse

Bei diesen Prozessen wird Biomasse in Energie umgewandelt. Dazu werden verschiedene Arten von Mikroorganismen verwendet, die in der Biomasse selbst vorhanden sind oder hinzugefügt werden. Die biochemischen Prozesse oder Gärungen zur Energiegewinnung sind:

Alkoholische Gärung

Dies ist die Umwandlung von Glukose in Ethanol (Ethylalkohol) durch die Einwirkung von Mikroorganismen (einzellige Hefen und Pilze). Jedes Produkt, das Zucker oder Stärke (in Zucker umgewandelt) enthält, kann in Alkohol umgewandelt werden. Jedes Kilogramm Zucker liefert 510 g Ethanol.

Anaerobe Vergärung

Dies ist eine Gärung unter Ausschluss von Sauerstoff, die über einen längeren Zeitraum abläuft. Sie erzeugt eine Mischung gasförmiger Produkte (Methan und Kohlendioxid), bekannt als *Biogas*. Der Brennwert von Biogas beträgt 4.500 kcal/m³.

Geothermische Energie

Geothermische Energie ist Wärmeenergie, die aus dem Erdinneren stammt.

A. Arten von Lagerstätten

Hydrothermale Lagerstätten

In diesem Fall dringt die Flüssigkeit (Wasser) durch Versickerung von Regen, Schneeschmelze und Flüssen in das Erdinnere ein (Abb. 6.24). Das Wasser kann je nach Druck und Temperatur, die im Inneren herrschen, flüssig oder dampfförmig (40 bis 200 °C) vorliegen, wobei die Wärme durch thermische Übertragung erfolgt.

Die Lagerstätte ist in der Regel wie folgt aufgebaut:

• Eine Wärmequelle (1) aus undurchlässigem, heißem Gestein (2), das Wärme auf das durchlässige Gestein (3) überträgt, in das Wasser eingedrungen ist.
• Durch die Hitze steigt die Wassertemperatur und der Druck nimmt zu. Wenn die Temperatur hoch ist, wird das Wasser zu Dampf unter hohem Druck.
• Beim Anbohren des Deckgesteins (4) steigen Dampf und/oder heißes Wasser an die Oberfläche, deren Wärmeenergie zur Stromerzeugung genutzt wird.

Manchmal bricht das undurchlässige Gestein in der Nähe der Oberfläche aufgrund des großen inneren Drucks, der durch Erdbeben verursacht wird, auf, wodurch der Abfluss (Wasser und Dampf) unter hohem Druck freigesetzt wird. Dieses Phänomen ist als Geysir bekannt. Solche Standorte sind in den USA, Italien, Japan und Island reichlich vorhanden.

Geopressurierte Lagerstätten

Sie ähneln den hydrothermalen Lagerstätten, aber das Wasser wird in viel größeren Tiefen und unter hohem Druck gefunden. Das Wasser liegt in der Regel in flüssiger Form vor, obwohl es etwa 200 °C heiß sein kann. Darüber hinaus tritt bei diesen Temperaturen oft auch Erdgas auf, wodurch drei Energieformen genutzt werden können: Wärmeenergie im Wasser, Druckenergie des Wassers und die chemische Energie des Erdgases.

Hot-Dry-Rock-Lagerstätten (HDR)

Sie bestehen aus undurchlässigem Gestein, das eine Temperatur von bis zu 300 °C erreichen kann. In diesen Felsen gibt es keine Flüssigkeit (Wasser). Um die Wärme zu extrahieren, werden zwei Bohrlöcher erstellt: Kaltes Wasser wird in das eine geleitet, und heißes Wasser wird aus dem anderen gewonnen. Das Problem ist, dass das gesamte Gestein undurchlässig ist und das Wasser nur einen Kanal zum anderen bildet. Wenn die Bohrlöcher zu nah beieinander liegen, wird aufgrund der geringen Leitfähigkeit des Gesteins nur wenig Wärme übertragen.

Gezeitenenergie

Die Gezeiten werden durch die Anziehungskraft von Sonne und Mond verursacht. Dieses Phänomen hat einen großen Einfluss auf die Gewässer und verursacht an einigen Orten Gezeitenwellen von bis zu 10 m Höhe.

In Gebieten mit großen Gezeitenunterschieden wird eine geeignete Bucht oder Mündung durch einen großen Damm abgetrennt. Der Damm verfügt über eine oder mehrere Öffnungen, in denen eine reversible Turbine platziert ist.

Wenn die Flut steigt, schließt sich das Tor, um das Wasser zurückzuhalten. Wenn die Flut ihren höchsten Punkt erreicht hat, öffnet sich das Tor, und die Turbine arbeitet, als wäre es ein Stausee (Wasser fließt in die Mündung). Die Mündung füllt sich, bis das Blatt stoppt. Dann schließt sich das Tor, bis die Ebbe ihren tiefsten Punkt erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt öffnet es sich, und die Turbine beginnt erneut zu laufen.

Feste Siedlungsabfälle (MSW)

Siedlungsabfälle (MSW) sind inerte Abfälle und Reste (weder flüssig noch gasförmig), die durch häusliche Aktivitäten in Ballungsgebieten oder deren Einflussbereichen entstehen. Aus ihnen kann viel Energie gewonnen werden.

Die häufigsten Methoden zur Energiegewinnung aus Siedlungsabfällen sind:

Verbrennung

Hierbei werden Brennstoffe aus Abfällen verbrannt, wodurch Wärme gewonnen wird, die zur Stromerzeugung (durch ein Kraftwerk), für Heizzwecke, industrielle Zwecke usw. genutzt werden kann.

Vergärung organischer Abfälle

Ziel ist die Gewinnung von Biogas, das als Brennstoff verwendet werden kann.

Wellenenergie

Im Laufe der Geschichte wurden verschiedene Geräte entwickelt und gebaut, um Wellenenergie in nutzbare Energie, meist Strom, umzuwandeln. Die Nutzung dieser Energie ist oft schwierig und kompliziert, da sie große Strukturen erfordert, die Stürmen standhalten, ohne zu brechen. Darüber hinaus haben diese Konstruktionen aufgrund ihrer Größe und der Nähe zur Küste den Nachteil, dass sie erhebliche Umweltauswirkungen haben.

A. Aktuelle Projekte

Seit 1920 wurden in verschiedenen Ländern viele Maschinen zur Nutzung der Wellenenergie gebaut. In Spanien ist das Unternehmen Union Fenosa in A Coruña aktiv.

Energie der Zukunft

Zusätzlich zu den bereits untersuchten Energien (erneuerbare und nicht erneuerbare) werden derzeit Energien erforscht und getestet, die eine große Zukunft haben könnten. Die wichtigsten sind die *Kalte Fusion* und die *Wasserstoff-Brennstoffzelle*.

A. Kalte Fusion

Im Gegensatz zur gewöhnlichen Fusion, die bereits untersucht wurde, wird angenommen, dass die Kalte Fusion bei Raumtemperatur stattfinden könnte. Sollte sich dies bestätigen, wäre dies eine extrem billige Energiequelle, die keine gefährlichen Abfälle in die Umwelt freisetzt und deren *Nutzung keine* Explosions-, Brand- oder ähnliche Gefahren birgt.

Die Entdeckung stammt aus dem Jahr 1989 und wurde von den Wissenschaftlern Martin Fleischmann und Stanley Pons (F & P) durchgeführt, die behaupteten, Hinweise auf diese Kalte Fusion gesehen zu haben. Bei dieser Technik wird elektrischer Strom durch eine elektrolytische Zelle geleitet, in 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 (das aus Sauerstoff und dem Wasserstoffisotop Deuterium gebildet wird, das doppelt so schwer ist wie normaler Wasserstoff).

Die Fusion würde wie folgt ablaufen: Es wird angenommen, dass das Palladium (Kathode) beginnen würde, freie Deuterium-Atome (keine Moleküle) aus dem Elektrolyten aufzunehmen. Dadurch würde die Dichte des Deuteriums zunehmen, da mehr Atome enthalten sind. Sobald die Dichte einen kritischen Wert überschreitet, würden sich ihre Kerne durch Fusion vereinigen.

Die Vereinigung der beiden Deuterium-Kerne würde einen größeren Kern, einen Helium-Kern, bilden. Wenn der Helium-Kern instabil ist, zerfällt er und setzt Energie frei.

B. Wasserstoff-Brennstoffzelle

Dies ist ein kleines Kraftwerk. Dabei reagieren Wasserstoff und Sauerstoff chemisch, wodurch Strom gewonnen wird, sowie als Restprodukt eine kleine Menge Wärmeenergie und Wasserdampf.

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist wie ein Sandwich aufgebaut. Zwischen den Elektroden (A und B, Abbildung 7.2) befindet sich ein Elektrolyt, durch den positive Wasserstoffatome oder Ionen passieren, die sich mit Sauerstoff verbinden und eine Spannung zwischen den Elektroden sowie Wasserdampf erzeugen.

Die von jeder Zelle erzeugte Spannung ist sehr gering. Deshalb werden viele Zellen in Reihe geschaltet. Diese Art von Energie ist seit 1994 Realität. Im April 2003 wurde in Madrid der erste Bus Spaniens mit Wasserstoff-Brennstoffzelle in Betrieb genommen, und diese Technologie wird auch von einigen großen Marken der Automobilindustrie vorangetrieben.

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

KWK (*Kraft-Wärme-Kopplung*) ist der Prozess der *Nutzung* der Restenergie (die sonst ungenutzt entweichen würde), die bei der Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie für industrielle oder *häusliche Zwecke* anfällt. Mit dieser Methode kann ein Energiewirkungsgrad von bis zu 90 % erzielt werden.

Die Funktionsweise ist wie folgt: Der Brennstoff verbrennt im Brenner (1) und erhitzt Wasser, bis es zu Dampf unter hohem Druck wird (2). Der Dampf wird zur Turbine (3) geleitet, die sich dreht, den Generator (4) antreibt und Strom erzeugt (5). Für die Funktionsfähigkeit der Turbine muss der Dampf abgekühlt werden. Anstatt die Wärme abzuführen, wird ein Wärmetauscher (6) eingesetzt, der die Wärme entzieht und sie an einen anderen Ort (7) leitet, wo sie für andere Zwecke (Heizung, Kochen, Warmwasser usw.) verwendet werden kann. Schließlich gelangt das Wasser dank der Wasserpumpe (8) zurück zu Punkt 2.

A. KWK-Systeme

Derzeit verfügen die meisten Industrien über eine eigene Art von Generator, da der Strom dadurch günstiger wird. Wenn die Industrie in ihren Prozessen sowohl Strom als auch Wärme benötigt, ist der Einsatz von KWK-Anlagen ratsam. Es gibt zwei Hauptmodelle:

KWK mit Dieselmotoren

Funktioniert wie ein normaler Dieselmotor, der mit einem Generator gekoppelt ist, um Elektrizität zu erzeugen. Die Wärme, die normalerweise über einen Kühler und Lüfter abgeführt wird, wird stattdessen durch eine Rohrleitung geleitet und für verschiedene industrielle Prozesse (Heizung, Warmwasserbereitung, Kühlung von Schwimmbädern usw.) genutzt.

KWK mit Gasturbinen (Dampf)

Funktioniert ähnlich wie ein Düsenflugzeug-Triebwerk. Sie werden eingesetzt, wenn höhere Leistungen im Megawattbereich benötigt werden. Als Brennstoffe werden Erdgas, Biogas, Diesel und Kerosin verwendet. Die heißen Abgase werden durch einen Wärmetauscher geleitet, um die Wärmeenergie zu nutzen.