Energiegewinnung der Zukunft

Wie wir in Zukunft grosse Mengen an Energie zuverlässig und vor allem nachhaltig gewinnen möchten, bleibt bis heute noch ein Rätsel. In diesem Artikel werde ich verschiedene Arten und Visionen, zur nachhaltigen und effizienten Energiegewinnung vorstellen.

Jugendreporter Severin Quaderer

Die heutigen Methoden – Solar, Windkraft und Co.

Solarenergie

Solar

Unter Solarenergie versteht man grob gesagt Energie, die durch die Einstrahlung der Sonne gewonnen wird. Dies geschieht entweder über Solaranlagen, auch Photovoltaikanlagen genannt, welche Strom erzeugen oder über solarthermische Anlagen, welche Warmwasser bereitstellen. Sie ist neben der Windkraft eine der bekanntesten Art zur Gewinnung von «Grünem Strom» und bringt viele Vorteile, leider aber auch Nachteile mit sich.

Der grösste Vorteil von Solarenergie ist natürlich die saubere, emissionsfreie und kostenlose Energiegewinnung. Mit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach ist man ausserdem teils unabhängig vom Stromnetz und Strompreisen. Der grosse Nachteil der Solaranlage ist aber, dass sie abhängig von Wetter und Jahreszeit ist. Weil eine Solaranlage offensichtlich Sonne braucht, um Strom zu erzeugen, generiert sie in der Nacht oder im Winter kaum oder sogar gar kein Strom. Doch genau im Winter wird mehr Strom verbraucht. So garantiert die Solarenergie keine konstante Energiezufuhr. Die Lösung dafür könnte die Speicherung des erzeugten Stroms sein. Dies ist heutzutage in kleinem Masse über Pumpspeicherwerke möglich, welche aber viel Platz und kosten benötigen. Es wird aber stark daran geforscht eine effiziente und billige Speichermethode zu finden. Im zweiten Teil werde ich eine dieser Ideen vorstellen. Ein anderes Problem der Solarenergie ist ihre Effizienz. Solaranlagen werden zwar immer effizienter, wenn man mit ihnen aber grosse Mengen an Strom produzieren will, dann braucht man riesige Flächen. Das schaut zum einen nicht schön aus und zum anderen muss man solche riesigen geeigneten Flächen zuerst einmal finden. Die beste ungenutzte Fläche für Solaranlagen wäre die Wüste, da diese für uns Menschen kein grossen nutzen hat und die Sonne dort fast immer scheint.

Windkraft

Bei der Windkraft wird der Wind an hohen Windrädern genutzt, um die grossen Rotorblätter und somit den Rotor anzutreiben. So entsteht Bewegungsenergie, welche in Drehmoment übersetzt und in elektrodynamischen Generatoren zu Strom umgewandelt wird. So sorgen riesige Windparks auf Land oder auf See für grosse Mengen an Strom. In Deutschland und auch vielen anderen Ländern ist das die meistgenutzte nachhaltige Energiequelle.

Doch auch hier haben wir das gleiche Problem, wie mit der Solarenergie. Der Wind bläst auch nicht immer und schon gar nicht immer gleich fest. So müssen Windkraftanlagen bei zu viel Wind heruntergefahren werden und bei zu wenig oder keinem Wind erzeugen sie wenig oder keinen Strom. Wir haben also auch hier keinen konstanten Energie-output und somit muss man die fehlende Energie immer mit anderen Energiequellen ausgleichen oder die überflüssige Energie verschwenden. Auch hier wäre eine Lösung für das Problem die Speicherung der übrigen Energie. Ein anderes Problem der Windräder ist, dass sie mit ihren riesigen Rotorblättern die Natur mit Lärm stören und durch sie auch unzählige Vögel, die der Gefahr nicht bewusst sind, sterben müssen.

Wasserkraft

Die Wasserkraft nutzt die Strömung des Wassers, um über Turbinen in Generatoren elektrischen Strom zu erzeugen. Es gibt verschiedene Arten von Wasserkraftwerken. Die häufigsten Vertreter sind Buchtenkraftwerke. Diese stehen in einer künstlichen Bucht am Rande eines Flusses und es fliesst grundsätzlich konstant Wasser durch sie, um konstant Strom zu erzeugen. Andererseits gibt es Speicherkraftwerke, diese stauen in grossen Stauseen oder Dämmen grosse Mengen an Wasser auf, um es bei Bedarf durch die Turbinen zu leiten. Pumpspeicherkraftwerke pumpen bei Stromüberschuss das Wasser eines Sees in ein höhergelegenes Reservoir, um es dann bei «Strommangel» durch die Turbinen zu leiten. So kann der Strom gespeichert werden. Aber auch Wasserkraftwerke haben Nachteile. Denn sie sind schlecht für die Biodiversität und durch sie verlieren viele Fische ihr Leben.

Geothermie

Geothermie ist die Erzeugung von Wärme- und elektrischer Energie aus der Hitze des Erdkerns sowie aus dem Zerfall radioaktiver Elemente in der Erdkruste. Die pro Meter um etwa 3 Grad Celsius teigende Temperatur wird durch Erdkollektoren, Erdwärmesonden etc., welche bis tief in den Boden reichen, nutzbar gemacht. Solche Anlagen eignen sich gut, um Häuser und Industriegebäude mit günstigem Warmwasser oder Heizanlagen zu versorgen. In Gegenden mit den passenden geologischen Umständen (Bsp. Island), kann die Wärme sogar ausreichen, um Dampfturbinen zur Stromerzeugung anzutreiben. Geothermie kann aber auch die Ursache von Erdbeben werden.

Fernwärme

In Liechtenstein werden derzeit vielerorts, zum Beispiel rund um das Schulzentrum Mühleholz, Fernwärmeleitungen verlegt. Fernwärme nutzt die Abwärme, welche beispielsweise durch grosse Fabriken oder Kehrrichtverbrennungsanlagen erzeugt wird. Diese wird dann durch wärmedichte Rohre in Wohngebiete etc. transportiert. Dort kann diese Wärme dann z.B. zum Heizen genutzt werden. Bei dieser Methode verursacht der Verbraucher zwar keine Emissionen, da er «schon existierende» Wärme wiederverwendet. Die Fabrik, Kehrrichtverbrennungsanlage, etc. welche die Wärme produziert, stösst aber trotzdem Emissionen aus.

Was uns die Zukunft bringen könnte

Kernfusion

Bei der Kernfusion versucht der Mensch genau das nachzustellen, was im Inneren der Sonne passiert, um somit auf der Erde unendlich Energie produzieren zu können. Dies ist eines der spannendsten Projekte der heutigen Zeit, denn die Kernfusion könnte irgendwann all unsere Energieprobleme auf nachhaltige Weise lösen. Es werden jährlich Milliarden in die Forschung zur Kernfusion investiert, doch bis ein Kernfusionsreaktor wirklich Energie ins Netz einspeist, wenn überhaupt werden wir noch viele Jahre warten müssen. Die Kernfusion ist genau das Gegenteil zur Kernspaltung in Kernkraftwerken. Das Prinzip funktioniert so: Bei der Kernfusion treffen Wasserstoffatome bei hoher Geschwindigkeit aufeinander und verschmelzen miteinander. Bei dieser Reaktion entsteht dann Helium und es werden Unmengen an Energie freigesetzt. Doch um diese Fusion zu vollbringen, ist ein Plasma mit Temperaturen um die 100-150 Millionen Grad Celsius nötig. Um dieses Plasma im Zaum zu halten, damit es nicht die Wände des Reaktors kaputt macht, sind starke Elektromagnete nötig, welche das Plasma von den Wänden fernhalten. Bisher konnte man dieses Plasma aber erst wenige Sekunden oder Minuten halten. Diese Form von Energiegewinnung würde keinen radioaktiven Abfall produziert oder Schadstoffe ausstossen, übrigbleiben würde nur das harmlose Helium.

Kernfusion hat ein riesiges Potenzial. Ob es gelingt, ist jedoch noch ungewiss. Vielleicht stellt sich das ganze irgendwann als Flop heraus, vielleicht aber haben wir in einigen Jahrzehnten unlimitiertenergie auf der Erde.

Windkraft 2.0

Windkraftanlagen werden zwar immer grösser und höher, trotzdem sind sie fest im Boden verankert und können nur die dortigen Windverhältnisse nutzen. Je höher man aber geht, desto stärker wird der Wind. Ausserdem braucht es viele Ressourcen, ein Windrad zu bauen, da es sehr massiv ist. Nur schon für das riesige Fundament werden um die 1600 Tonnen Beton gebraucht. Leichte, in höheren Lagen liegende Windräder könnten viel effizienter sein. Viele verschiedene Start-ups und Firmen tüfteln an dieser Idee. Ein wirklich gutes Konzept gibt es bisher noch nicht, aber schon mehrere Ansätze. Einer davon ist vom schweizerischen Start-up Twintech: An einem langen Seil wird ein eher kleines Flugzeug befestigt, dieses fliegt dann hoch in die Lüfte, wo ein stärkerer Wind weht. So wie wir das von Drachen kennen, fängt sich oben das Flugzeug an zu drehen. Diese Kreisbewegung rollt das Seil an einer Spule auf- und ab. Dadurch entsteht Bewegungsenergie, welche in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Diese Technologie hat den Vorteil, dass sie sehr kompakt ist und wenig Ressourcen zum Bauen braucht. Die kleinen «Flugzeuge» könnten in grossen Mengen auch über dem tiefen Meer, wo herkömmliche Windräder nicht aufgestellt werden können, aufgestellt werden und somit auch dort Energie erzeugen.

Energiespeicher (Bsp. Energy Vault)

Wie vorhin schon erwähnt, ist die Speicherung überflüssiger Energie ein grosses Problem. Das Schweizer Start-up Energy Vault hatte eine zündende und gleichzeitig verblüffend einfache Idee, um dieses Problem zu lösen. Ihr Projekt hat viel internationales Interesse auf sich gezogen und schaffte es sogar schon in einen Tweet von Bill Gates. Die von Energy Vault gefundene Lösung besteht aus einem 120 Meter hohen Turm mit einem zentral integrierten sechsarmigen Spezialkran. Herrscht Energieüberschuss stapelt dieser Kran mit der überflüssigen Energie 35 Tonnen schwere Betonblöcke aufeinander und sobald Energiemangel herrscht, kann der Kran sie wieder runternehmen und somit die aufgewandte Energie zurückgewinnen. Wie gesagt, sehr simpel, aber auch effizient. Mittlerweile hat Energy Vault schon eine zweite Version «EVx» ihres Energiespeichers, dieser ähnelt nicht mehr einem runden Turm, wie die erste Version «EV1», sondern jetzt mehr einer Lagerhalle. Die neue Version ist eine verbesserte und effizientere Version der alten. Bis diese Art von Energiespeicher aber zur kommerziellen Nutzung zur Verfügung steht, könnte es aber auch hier noch eine Weile dauern.

Wasserstoff

Auch mithilfe von Wasserstoff kann überflüssige Energie «gespeichert» werden. Denn Wassermoleküle können mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Da es für eine Elektrolyse viel Strom braucht, könnte für diesen Vorgang überflüssiger Strom von Windkraftwerken, Solaranlagen etc. genutzt werden. So könnten die grossen Strommengen, die im Sommer beispielsweise durch Solaranlagen anfallen, für den Winter gespeichert werden. Man kann den Wasserstoff zwar nicht direkt wieder in elektrischen Strom umwandeln, jedoch setzt dieser bei der «Rück»-Reaktion mit Sauerstoffatomen die gleiche Menge an Energie, welche für die Spaltung genutzt wurde, wieder frei. Diese kann dann genutzt werden kann, um z.B. Fahrzeuge, Flugzeuge oder Maschinen ohne Emissionen anzutreiben. Schon heute findet man wasserstoffbetriebene Lastwagen, Schiffe oder Busse. Wasserstoff könnte auch ins schon vorhandene Erdgasnetz eingespeist und so zum Heizen verwendet werden.

Jedoch hat auch Wasserstoff seine Nachteile. Zum einen ist die Herstellung, aber auch Speicherung und Transport, von Wasserstoff sehr aufwendig und es kostet viel Zeit und auch Geld. Zum andern produzieren wir zum heutigen Stand noch gar nicht genügend Strom aus erneuerbaren Energien, was bedeutet, dass die Wasserstoffproduktion heutzutage nicht wirklich Sinn macht. Diese Probleme könnten aber in Zukunft gelöst werden, sodass Wasserstoff eine gute Möglichkeit zur Speicherung überflüssiger Energie werden könnte.