Disclaimer:
Dieses Informationsmodul ist Teil des Kooperationsprojektes "Meer im Fokus: Energie am Wasser". Die hier eingestellten Informationen wurden von SchülerInnen des Deutschen Gymnasiums für Nordschleswig in Apenrade und der Duborg Skolen in Flensburg im Rahmen einer Projektwoche zusammengetragen. Mehr über das Projekt „Meer im Fokus" erfahren Sie hier.

Kohle vs. Wind, Wasser und Sonne

zusammengestellt von

Janne Goos, Denis Terstegge, Benedikt Behder, Jesper Sörensen, Hans Schwarz und Dennis Fließ

des Deutschen Gymnasiums für Nordschleswig in Apenrade & der Duborg Skolen in Flensburg

im September 2010

 

Inhaltsverzeichnis:
 Kohle vs. Wind, Wasser und Sonne
2.3. Konklusion
 

1. 

Energiegewinnung aus Sonne

Die Sonne stellt die effizienteste Energieform dar. Nach Angaben von Greenpeace strahlt die Sonne in einem Jahr für alle Menschen, welche gerade leben, genug Energie aus um 10.000 Jahre den Strombedarf zu decken.

 

 

1.1. 

Geschichte der Sonnenenergie

Nachdem der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel 1839 den photoelektrischen Effekt entdeckte, wurde dieser von zahlreichen Physikern weiter erforscht.

1876 entdeckten die Physiker William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei Selenkristallen, allerdings konnten beide dieses Phänomen nicht erklären. Dies erfolgte durch Albert Einstein 1905. Im Jahr 1921 erhielt er für diese Erklärung den Nobelpreis.

Die erste Siliziumzelle mit einem Wirkungsgrad von über 4 % entstand allerdings erst 1954. Diese entwickelten die Physiker Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson. Wenige Jahre später startete der Satellit Vanguard 1 als erster mit Solarzellen, bzw. Photovoltaikzellen, ausgestatteter Satellit in den Weltraum. In den folgenden Jahren wurde die Nachfrage der Raumfahrtinstitute nach dieser Energiequelle immer größer und die Technik wurde weiter verbessert.

Während der 1970iger wurden das neu entflammte Umweltbewusstsein und die Energiekrise zum Auslöser für die expandierende Entwicklung der Photovoltaik- Technik.

Seit diesem Jahrzehnt stieg die Nachfrage an Photovoltaik zusehend. Einige Länder starteten energiepolitische Programme, um den Ausbau dieser umweltfreundlichen Energiegewinnung zu fördern. Unter diesen Ländern waren unter anderen Japan, die USA und Deutschland. Zu den Programmen gehörte der Bau von Photovoltaikzellen auf Dächern und eine Gesetzesänderung bezüglich des EEG (Erneuerbare- Energien- Gesetz).

Die Nutzung der Photovoltaik-Technik ist in den letzten zehn Jahren stark angestiegen, da diese Energiegewinnung ggf. nur bei der Herstellung geringe Mengen von CO2 ausstößt.

 

 

1.2. 

Aufbau einer Photovoltaikzelle

Die Solarzellen bestehen aus einem Halbleiter. Ein Halbleiter hat die größte Leitfähigkeit, wenn viel Licht und Wärme auf ihn scheint. Bei Kälte isoliert der Halbleiter nur.

95 % aller Halbleiter weltweit bestehen aus dem Element Silizium (Si), wie von den Firmen Bosch, Wacker Solarworld AG. Der Rest jedes Halbleiters besteht aus Schwermetallen. Dieses verwenden viele Großvertreiber, wie First Solar und Calyxo.

Silizium ist das zweithäufigste Element der Erde. Zudem ist das Material äußerst umweltfreundlich in der Verarbeitung, d.h. es wird minimal CO2 bei der Herstellung der Halbleiter produziert.

Der Halbleiter wird in einen positiven und negativen Ladungsträger geteilt. Diesen Vorgang nennt man Dotieren (lat. Ausstatten), da chemische Elemente noch eingebracht werden. Diese positive und negative Schicht werden übereinander montiert. Diese Fläche, an der sie einander berühren, heißt p-n-Übergang. Am p-n-Übergang herrscht ein elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld bewirkt bei der Einstrahlung von Licht oder Wärme, dass sich die Ladungen trennen. An den Außenseiten sind Kontaktfinger aus Metall angebracht, welche die elektrische Spannung abfangen sollen. Wenn man nun einen Verbraucher, ein elektrisches Gerät, anschließt, erhält dieser Verbraucher Gleichstrom.

Ein wesentlicher Bestandteil der Solarzelle ist die sogenannte Antireflexschicht. Diese soll den Refelxionsverlust mindern.

Siliziumzellen haben eine Größe von 10*10 cm bzw. neuere Zellen 15*15 cm.

 

 

1.3. 

Standorte

Die günstigste Region weltweit für die Erschließung von Photovoltaikmodul-Parks bieten Landflächen, wo die Sonne viel scheint wie z.B. in Kalifornien (USA) oder die Landflächen um den Äquator.

Allerdings gibt es das Problem, dass viele Entwicklungsländer in diesem Bereich der Erde liegen und es keine machbaren Vernetzungen zu europäischen Ländern gibt. Diese Vernetzung würde einige Milliarden (ca. 400 Milliarden Euro) kosten und dann ist noch nicht gewährleistet, ob die gewonnene Energie auch in Europa ankommt oder irgendwo abgefangen wird.

Aber mit diesem Strom, der unter den Namen Desertec entwickelt werden soll, könnte man im Jahr 2050 ca. 15 % des Energiebedarfs Europas abdecken. Allerdings möchte die Bundesregierung dieses Programm nicht fördern, da die Risiken schwer kalkulierbar sind und der Erfolg zu vage ist.

Weitere günstige Standorte bilden unter anderem die Sonnenstaaten der USA (z.B. Kalifornien), Australien und bei guten Wetterbedingungen auch der Mittelmeerraum. Allerdings nur, wenn die Sonne lange scheint und es wenig bewölkt ist oder es nicht regnet.

In den letzten Jahren konnte man mit Sonnenlicht recht hohe Energiemengen in Deutschland gewinnen, allerdings reichte die nur für begrenzte Gebiete.

 

 

Diese Karte zeigt das Energienetz, das aus einem Projekt entstehen soll, welches geplant ist um 15% der Europäischen Energie herzustellen.

 

1.4. 

Was spricht für eine Nutzung und was dagegen?

Für die Nutzung spricht, dass kein weiteres CO2 produziert wird. Nur bei der Herstellung einzelner Bestandteile kann es ggf. zu einer Ausscheidung kommen, dann jedoch in geringen Mengen.

Für diese Technik spricht auch, dass sie einen hohen Ertrag hat, in andere Energien umgewandelt werden und somit auch gespeichert werden kann (Pumpspeicherkraftwerke).

Die Photovoltaik-Technik ist viel kostengünstiger als die dauerhafte Verwendung von Energie, die in Kohlekraftwerken erzeugt wird. Allerdings können höhere Kosten bei der Anschaffung einer solchen Anlage entstehen.

In Taschenrechnern, Uhren und anderen Geräten wird diese Technik schon angewendet und man braucht keine Angst um die Gesundheit haben, da es keine Abgase, Chemikalien oder spaltbare Atome abgesondert werden.

 

Gegen die Photovoltaik-Technik spricht, dass sie von Jahres- und Tageszeiten abhängig ist. Wenn es bewölkt ist oder regnet/ schneit erreichen die Sonnenstrahlen die Photovoltaikzellen nicht und können nicht in Energie umgewandelt werden.

Nicht in allen Gebieten der Welt kann man diese Photovoltaikmodul-Parks bauen. Diese Technik braucht viel Sonnenlicht und die optimale und maximale Menge ist nur im Bereich des Äquators zu finden. Allerdings sind in diesen Gebiet auch viele Entwicklungsländer angesiedelt, sodass ein sicherer Transport nach Europa nicht möglich ist.

Ein wichtiger Punkt gegen diese Technik ist, dass die Großbetreiber, wie oben genannt, auch mit Schwermetallen, welche gesundheitsschädigend sind, arbeiten. Diese Schwermetalle können unter anderem Krebs verursachen.

 

 

2. 

Energiegewinnung aus Wind

Wind hat schon immer existiert, überall auf der Erde. Durch Temperaturunterschiede/ Druckunterschiede wird er erzeugt.

Solange es noch eine Atmosphäre auf unserem Planeten und die Sonne als Wärmequelle gibt, existiert auch Wind.

Wind ist eine ergiebige Energiequelle. Warum also diese nicht nutzen?

Wir wollen uns damit befassen und sie mit Pro- und Contraargumenten gegen die Kohlenutzung setzen. 

Was ist teurer und was umweltfreundlicher? Damit werden wir uns auseinandersetzen.

Viel Spaß und Erkenntnis damit.

 

Email des Fotographen: knotz@eucc-d.de
 

2.1. 

Wind vs. Kohle: eine ökologische Diskussion

In diesem Kapitel werden wir die Umweltfreundlichkeit von Windenerigeanlagen erläutern.

Laut Medien soll Windenergie sauber sein, doch stimmt dies nur, wenn man davon absieht, dass die Herstellung einer Windenergieanlage (Aufschmelzen, Gießen der Teile, Zusammenschweßen) eine große Menge an Energie verbraucht und einen hohen Schadstoffausstoß beim Aufbau erzeugt (Transport, Großkräne).

Wenn man nun von der Produktion absieht, ist die Windenergie eine sehr umweltfreundliche Alternative zur Kohle- und Nuklearenergietechnik.

Je nach Quelle liegt der "Erntefaktor" zwischen 10-50. Dieser Faktor beschreibt die Stromausbeute im Verhältnis zum Aufwand bei der Produktion der Anlage.

Ein großes Problem der Windenergie ist der Tierschutz (Greifvögel, Meeresvögel), den die großen Anlagen behindern. Die Flugruten der Vögel werden gestört und die Flügel der Windräder können die Vögel tödlich verletzen.

 

 

2.2. 

Was ist billiger Kohle- oder Windenergie

Laut Wikipedia hat ein durchschnittliches Kohlekraftwerk:

(Sämtliche Berechnungen beruhen darauf, dass das Kraftwerk die ganze Zeit eine Spitzenleistung liefert und sämtlicher Strom verkauft wird.)

 

Ein Windkraftwerk kostet beim Bau für jede kw Leistung ca. 800- 1000 € (laut der Seite www.solar-und-windenergie.de).

 

Preislich lohnt es sich auf jeden Fall Windkraft zu verwenden. Allerdings habe ich hier keine Flauten etc. berechnet, weil ein Windkraftwerk ebenso wie ein Kohlekraftwerk eher selten Spitzenleistung liefern. Wobei das Windkraftwerk nicht immer gleich produziert augrund der Abhängigkeit von Wind. Kohlekraftwerke können immer produzieren.

 

PS: Alle Zahlen, die ich verwendet habe beziehen sich auf Maximalleistungen und diese werden in der Realität eher selten erreicht (besonders bei Windkraft).

 

 

2.3. 

Konklusion

Wind oder Kohle - der Umweltschutz sagt natürlich Wind.

Aber Wind ist halt nicht immer verfügbar. Deswegen mangelt es dadurch an Flexibilität.

Kohlekraftwerke sind da flexibler.

 

 

3. 

Energiegewinnung aus Wasser

Der Wind rast um's Haus, das sonst so ruhige Meer ist als solches nicht mehr zu erkennen, die Wellen graben sich immer weiter die Küste hinauf – die Hallig Hooge ist vom Festland aus nicht mehr zu sehen.

Wasser eines der energiegewaltigsten und lebenswichtigsten Reichtümer der Erde.

Das Wasser, voller Energie und ausbaufähigen kreativen Ideen, lässt sich bereits in vielen Ländern, verteilt über die ganze Welt, bestaunen und anhand von Naturschauspielen und künstlich angelegten Wasserspektakel live beobachten.

Doch wird die vorhandene Kraft nicht zu wenig für die Energiegewinnung benutzt? Sind die bereits entstandenen Wasserkraftwerke wirklich so „grün“ wie es im Allgemeinen angenommen wird? Kann man vielleicht rein durch Wasserkraft ein paar der Kohlekraftwerke auf der Welt ersetzen?

 

 

3.1. 

Aus Wasser wird Strom

Wo wird aus Wasser elektrische Energie gewonnen?

Elektrische Energie wird in einem Wasserkraftwerk gewonnen. Dieses Kraftwerk ist immer an einem See oder einem Fluss stationiert. Oft werden künstliche Stauseen angelegt, damit das Wasser durch den natürlichen Druck der Schwerkraft durch eine Turbine getrieben wird, die dann mit Hilfe eines „riesen Dynamos“ elektrischen Strom erzeugt.

 

Wie funktioniert so ein Wasserkraftwerk?

Ein Wasserkraftwerk funktioniert wie folgt: Es wird ein Damm gebaut, der das Wasser in einem Fluss zu einem See aufstaut. In diesem Damm befinden sich Turbinen, je höher der Wasserstand über der Turbine, umso stabiler muss diese auch sein!

Von oben wird durch die Schwerkraft Wasser in die Turbine gedrückt und treibt diese an. Über eine so genannte Welle wird dann ein riesiger Dynamo angetrieben.

Durch die Bewegung einer Spule vorbei an einem Magneten entsteht ein elektrischer Strom. Dieses Phänomen wird Induktion genannt.

Dieser Strom wird nun in einen Transformator umgeleitet und dann zu „normalem“ Strom, der aus der Steckdose kommt und dann ins Netz geschickt.

 

Wann wird Wasserenergie erzeugt?

Wasserenergie wird zu jeder Zeit gewonnen bzw. es KANN zu jeder Zeit gewonnen werden. Weil es Wasser nun mal immer gibt!

 

 

Dies ist ein Querschnit von einer Wasserturbine. Man kann sehen, wie das Wasser von oben durch die Turbine läuft und das Rotorblatt zum Drehen bringt. 

Über die Welle wird der Generator zum Drehen gebracht und dieser erzeugt dann Strom. 

 

3.2. 

Wasserkraft in Deutschland und Norwegen

Wie in den vorherigen Kapiteln bereits umschrieben, ist für ein Wasserkraftwerk einiges nötig. Primär natürlich das Wasser.

Energiegewinnung aus Wasser ist eine der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen auf der Welt. Im  Ausland sind noch massenhaft Kapazitäten frei um die, meist ökologisch reine, Energiegewinnung voll auszunutzen. Natürlich sind die Voraussetzungen nicht in jedem Land gleich gegeben. Dies bestätigen unter anderem diese Zahlen: Weltweit werden 15,7 % des Stroms aus dem Wasser geschöpft. In Europa kommen davon lediglich 9,7 %.

In Europa sind die Voraussetzungen für einen weiteren Ausbau nicht mehr groß gegeben, da die Landschaften bereits zu dicht besiedelt sind. Woraufhin man den Ausbau im Ausland noch sehr viel effektiver machen kann. Dort befindet sich noch massenhaft Potential.

 

Hier nun zwei Exempel an Ländern:

 

-   Wasserwerke in Deutschland

In Deutschland sind bereits zahlreiche Wasserkraftwerke vorhanden und werden auch gut ausgenutzt. Insgesamt befinden sich 7.300 kleinere Wasserkraftwerke, diese produzieren ca. 8-10 % des in Deutschland gewonnenen Stroms aus Wasser, 354 mittlere und große Kraftwerke kommen noch mit dazu.

Insgesamt betrug im Jahre 2007 die Stromerzeugung durch Wasserkraft 20,7 Mrd. Kilowattstunden. Diese Zahl entspricht 3,4 % von dem insgesamt erzeugten Stroms in Deutschland und 23,6 % von der erzeugten erneuerbaren Energie.

In Zukunft wird es in Deutschland eher nicht mehr in Talsperren und Co. investiert, da die Landschaften bereits zu dicht besiedelt sind.

 

-   Norwegen

In Norwegen wird mehr als die Hälfte des Energiebedarfs durch Wasserkraft gewonnen. Trotz des bereits gut ausgebauten Netzes aus „Wasserstrom“, sind weitere Projekte mit dem Wasser (deren zahlreichen Fjorden) in Planung. Zum heutigen Zeitpunkt ist Norwegen mit deren Produktion von rund 120 TWh einer der führenden Länder aus Europa, die auf die Energie im Wasser setzten. Es sind ca. 850 Wasserwerke in Norwegen am Netz angeschlossen und produzieren über 26000 MW. Eine der größten Anlagen ist das „Sima“-Kraftwerk mit 1120 MW.

 

Anbei eine List der größten Wasserkraftwerke der Welt.

http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_gr%C3%B6%C3%9Ften_Wasserkraftwerke_der_Erde

 

3.3. 

Verschiedene Arten von Kraftwerken

Im Großen und Ganzen werden die verschiedenen Wasserkraftwerke in große (mehr als 1 MW) und kleine (weniger als 1 MW) Werke unterschieden.

 

Gletscherkraftwerk

An dem tiefsten Punkt eines Schmelzwassersees wird eine Bohrung vorgenommen, um dort eine Pipeline zum Kraftwerk installieren zu können. Diese Bohrung hat den weiteren Effekt, dass auch im Winter genügend Schmelzwasser zur Energiegewinnung zur Verfügung steht, da die Oberfläche des Gewässers zufriert.

Nachdem das Wasser aus dem See entnommen wurde, gelangt es in das Kraftwerk, in dem es eine Turbine antreibt und den Strom produziert.

 

Laufwasserkraftwerk

Diese Kraftwerke werden häufig zur Grundstromversorgung genutzt, da sie geringe Betriebskosten benötigen und ferngesteuert werden können. Laufwasserkraftwerke sind zwar in der Anschaffung ziemlich teuer, machen diesen Preis aber wieder gut durch deren lange Laufzeit.

Laufwasserkraftwerke benötigen keine hohe Fallhöhe und werden deshalb gerne an Flüssen zur Wasserregulierung benutzt.

 

Speicherkraftwerk

Wie es in dem Namen bereits herauszulesen ist, kann dieses Wasserwerk Wasser „speichern“. Wenn in einer Zeitperiode nicht viel Energie benötigt wird, kann das  Wasser in einem Sammelbecken gesammelt werden. In Zeiten, wo mehr Energie benötigt wird, können die gespeicherten Wassermassen gebraucht werden.

 

Pumpspeicherkraftwerk

sind eine Untergruppe der Speicherkraftwerke. Wenn ein geringer Stromverbrauch vorhanden ist, wird das überschüssige Wasser in ein höhergelegenes Speicherbecken gepumpt und bei Bedarf in Anspruch genommen. Die Pumpspeicherkraftwerke werden nur bei Bedarf eingesetzt.

 

Kleinwasserkraftwerke

Hierbei handelt es sich technisch gesehen um kleine Speicher – und Laufwasserkraftwerke. Meist sind diese Wasserwerke an Stellen zu sehen, wo es nur geringe Fallhöhen oder geringe Wassermengen für die Energiegewinnung vorhanden sind.

Die spezifischen Investitionskosten für ein Kleinwasserkraftwerk beträgt zwischen 4.000 und 6.000 € pro kW. Weitere Kosten sind von Größe, Umgebung und Umweltschutzmaßnamen abhängig.

 

Gezeitenkraftwerke

Diesen Begriff kennen wir alle aus dem Fernsehen. Aber was heißt das eigentlich und wie funktionieren sie? Es gibt bisher drei Formen von Gezeitenkraftwerken: Seeschlange, Wellendrache und Limpet (Napfschnecke).

Mit Gezeitenkraft kann man bis zu 15 % des Weltenergiebedarfs decken.

 

 

 

3.4. 

Pro und Contra von Wasserenergie

Für die Nutzung der Wasserenergie spricht, dass kein weiteres CO2 produziert wird, weil keine fossilen Brennstoffe verbrannt werden. Dadurch ist es kein Klimakiller.

Ein weiter positive Aspekt dieser Energiegewinnung ist, dass die Energiegewinnung nicht vom Wetter oder Klimazone abhängig ist, da es ausreichend Wasservorkommen auf der Welt gibt. Fast jedes Land könnte somit seine Energie aus Wasserenergie erzeugen.

Zudem ist diese Technik recht langlebig, einfach und äußerst effizient. Wenn man mehr Energie verbraucht als gerade erzeugt wird, kann man die Produktion erhöhen bzw. beim geringen Verbrauch auch herunterfahren. Des Weiteren kann man den Energieüberschuss auch speichern.

Der Wirkungsgrad ist im Vergleich mit anderen Energiegewinnungen viel höher. Die Wasserenergie hat einen Wirkungsgrad von etwa 90 %. Solarenergie hat einen maximalen Wirkungsgrad von 40 %.

 

Gegen eine Energieversorgung durch Wasserkraftwerke spricht, dass durch den Bau von Wasserkraftwerken Menschen umsiedeln muss. Einige Menschen müssen zwangsumgesiedelt werden, da sie ihre Heimat nicht verlassen möchten.

Auch ein wichtiger Aspekt gegen die Erschließungen von neuen Wasserkraftwerken ist, dass die Tier- und Pflanzenwelt verändert wird. Wanderfische können nicht mehr ihre Wanderschaften machen, da die Kraftwerke Staudämme errichten.

Des Weiteren könnte man die Fläche, welche durch Stauseen bebaut wird anderweitig nutzen. Landwirte könnten die Fläche als Felder nutzen. Es ist auch zu nennen, dass die Fließgeschwindigkeit der Gewässer verändert wird. Durch die Stauseen werden stehende Gewässer gefördert, welches zur Folge haben kann, dass das Gewässer umkippt.

Außerdem werden Naturkatastrophen gefördert. Bei starken Regenfällen können Überschwemmungen entstehen oder auch Erdrutsche.

 

 

4. 

Quellenverzeichnis

Wasserenergie

 

 

Gletscherkraftwerk

 

5. 

Impressum und Kontakt

Webseite: http://www.kuestenschule.de
Rahmen: Das hier vorliegende Informationsmodul wurde im Rahmen des Projektes „Meer im Fokus" von Schülern erstellt. Mit dem Projekt möchte „EUCC - Die Küsten Union Deutschland e. V." einen aktiven Beitrag zur Bewusstseinsbildung leisten. Nähere Informationen zum Projekt erfahren Sie unter der oben genannten Webseite.
Inhalt: 

Welche Alternativen haben wir heute zur Energieerzeugung aus Kohle? Was bieten regenerative Quellen wie Wind, Wasser und Sonne an Potential? Fragen über Fragen, Antworten geben sechs SchülerInnen in diesem Infomodul.

Autoren: 

Das Informationsmodul "Kohle versus Wind, Wasser und Sonne" wurde von Janne Goos, Denis Terstegge, Benedikt Behder, Jesper Sörensen, Hans Schwarz und Dennis Fließ des Deutschen Gymnasiums für Nordschleswig in Apenrade und der Duborg Skolen erstellt.

Träger:      Das hier vorliegende Informationsmodul wurde von Schülern im Rahmen des Projektes „Meer im Fokus" erstellt. Das Projekt wird von dem Verein „EUCC – Die Küsten Union Deutschland e. V.“ getragen. Der Verein setzt sich mit Aktivitäten im Bereich der Küstenbildung, der Informationsverbreitung und der Netzwerkarbeit für die nachhaltige Entwicklung der deutschen Küsten ein.
Förderer:Das Projekt „Meer im Fokus“ wird von der "Deutschen Bundesstiftung Umwelt", „Bingo! Die Umweltlotterie“ der NordwestLotto Schleswig-Holstein und der "Klara Samariter-Stiftung" gefördert.
Webmaster: Dr. Steffen Bock
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Werbung/ Verlinkung:Werbung für das Projekt "Meer im Fokus" bzw. Links auf die Webseite der Küstenschule http://www.kuestenschule.de werden begrüßt.
Kontakt:EUCC - Die Küsten Union Deutschland e.V.: Dipl.-Geographin Anke Vorlauf (Projektleiterin) E-Mail: vorlauf@eucc-d.de