AG Nuklearia/Grenzen der Erneuerbaren

Aus Piratenwiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
Dialog-stop-hand.svg Der Inhalt dieser Seite wird kontrovers diskutiert auf der Diskussionsseite.
Dargestellte Meinungen sind keinesfalls eine Aussage der Piratenpartei! Es gibt in der Piratenpartei sowohl Gegner als auch Befürworter der dargelegten Standpunkte.

ACHTUNG: Seit der Umstellung dieses Wikis im April 2014 ist die Darstellung mathematischer Formeln nicht mehr möglich. Das beeinträchtigt diese Seite erheblich. Mit Formeln ist sie im Wiki des Nuklearia e.V. zu sehen:


Du bist für Kernenergie, willst aber mit der Piratenpartei nichts zu tun haben? Du bist Pirat, willst aber mit Kernenergie nichts zu tun haben? Die gute Nachricht: Die Nuklearia ist jetzt ein unabhängiger Verein. Mehr dazu hier: Nuklearia e.V.. Die AG Nuklearia in der Piratenpartei bleibt bestehen. Nuklearia-Gruppen in weiteren Parteien sind angedacht.
Nuklearia-Piratom-Wortbildmarke.png

Notwendigkeit des Ausstiegs aus Fossilbrennstoffen

Es ist dringend erforderlich, dass die Menschheit lernt, ohne fossile Brennstoffe zu existieren, da diese über kurz oder lang erschöpft sein werden und mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit zum Klimakollaps führen. Wenn wir uns technisch und gesellschaftlich weiter nach vorne entwickeln, aber ohne Öl, Kohle und Gas auskommen wollen, müssen alternative Energiequellen erschlossen werden.

Die erste kritische Größe: Flächenleistungsdichte

Ein sehr wichtiger Parameter, den man im Zusammenhang mit Energiequellen betrachten sollte, ist die Flächenleistungsdichte, d.h. die freigesetzte Leistung in Watt (W = 1 J/s, Energie pro Zeit) pro Fläche Boden. Hier soll dafür das Symbol <math>\rho = P/A</math> mit der Leistung P und der Fläche A benutzt werden.

Kernkraftwerke haben eine sehr hohe Flächenleistungdichte im Bereich von <math>\rho \ge 1000 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>, selbst wenn man alle Komponenten des Kraftwerks miteinrechnet - auf den Reaktor selbst bezogen ist <math>\rho</math> natürlich noch um Zehnerpotenzen höher.

Die klassischen erneuerbaren Energiequellen - Solar, Wind, Biomasse, Gezeiten u. a. - weisen dagegen größtenteils eine außerordentlich kleine Flächenleistungsdichte auf. Dies liegt im Wesentlichen nicht an momentanen Grenzen der Technologie, sondern an prinzipiellen Eigenschaften des benutzten physikalischen Effektes. Dies wird in den kommenden Abschnitten etwas genauer erläutert. Anschließend soll durch einige Beispielrechnungen gezeigt werden, dass es in kleinen, dichtbesiedelten Ländern wie Deutschland äußerst schwierig bis hin zu unmöglich ist, die für eine umfassende Energieversorgung benötigten Anlagen in das Land "hineinzupressen", sofern nur klassische Erneuerbare genutzt werden.

Weblinks

Windkraft

Wie jeder weiß, versetzt bei der Windenergienutzung die Luftströmung eine Turbine in Rotation, die einen Generator treibt. Die Energiedichte des Windes berechnet sich zu:

<math>\varrho = 1/2 \, \times \, \varphi_\mathrm{L} v^2</math>,

wobei <math>\varphi_\mathrm{L} \approx 1.3 \, \mathrm{kg} \, \mathrm{m}^{-3}</math> die Luftdichte ist und v die Windgeschwindigkeit. <math>\varrho</math> hat die Einheit <math>\mathrm{W} \, \mathrm{m}^{-3}</math>.

Die Leistung einer einzelnen WKA mit dem Turbinenradius (der Länge der Rotorblätter) r ergibt sich dann aus der Formel:

<math>P_\mathrm{WKA} = E \, \times \, \varrho \, \times \, v \pi r^2 \approx 1.02 \times \left( \frac{v}{\mathrm{m} / \mathrm{s}} \right)^3 \, \left( \frac{r}{\mathrm{m}} \right)^2 \, \mathrm{W}</math>

wobei die Effizienz E bei 50% liegt.

WKA können nun natürlich nicht beliebig dicht "gepflanzt" werden, sondern müssen einen gewissen Mindestabstand einhalten, damit sie sich nicht gegenseitig den "Wind aus den Segeln" nehmen. Der Mindestabstand liegt bei <math>10 \times r</math>. Anders ausgedrückt bedeutet das, dass jede WKA eine eigene, freie Fläche von <math>100 \, r^2</math> um sich herum hat, auf der keine andere WKA stehen darf. Hieraus lässt sich die Flächenleistungsdichte eines Windparks errechnen:

<math>\rho_\mathrm{WP} = P_\mathrm{WKA} / 100 \, r^2 \approx 0.01 \, \left( \frac{v}{\mathrm{m}/\mathrm{s}} \right)^3 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

Man beachte, dass der Turbinenradius r sich herauskürzt. Die Flächenleistungsdichte ist daher auf den ersten Blick unabhängig von der Größe der WKA! Da größere WKA jedoch in höhere, schnellere Windströmungen hinaufreichen, ist es dennoch günstiger, möglichst große Anlagen zu bauen. Außerdem erhält man so mehr Leistung pro Kilogramm Material.

Wieviel Leistung nun pro Quadratmeter Bodenfläche in etwa erzeugt wird, verrät die leicht ergoogelbare Windkarte Deutschlands.

Man errechnet mithilfe der obigen Formel leicht, dass sich sehr geringe Flächenleistungsdichten von <math>\rho_\mathrm{WP} \approx 2 \, - \, 3 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math> ergeben.

Weblinks

Solarenergie

Die direkte Nutzung der Sonneneinstrahlung kann auf vier Arten erfolgen:

  • Photovoltaik (Solarzellen): Einfallendes Licht löst in Halbleitern Ladungstrennung aus.
  • Sonnenwärmekraftwerke: Spiegel konzentrieren Licht auf flüssigkeits- oder gasführende Rohre, wodurch Wärmekraftmaschinen (und letztlich Generatoren) betrieben werden.
  • OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion): Nutzung des durch die Sonneneinstrahlung erzeugten Wärmegradienten im Meer zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine.
  • Sonnenheizung (Solarthermie): Die Sonnenwärme wird nur zur Erwärmung verwendet, nicht zur Elektrizitätserzeugung.

Natürlich steht prinzipiell nicht mehr Energie zur Verfügung, als auch am Boden ankommt. Im Weltraum erreichen rund <math>1400 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math> die Erdbahn (gemessen senkrecht zur Einstrahlung), auf dem Boden reduziert sich dieser Wert jedoch stark - durch schrägen Einfallwinkel, Tag-Nachtwechsel, Wolken, Atmosphäre usw. Im Zeitmittel erreichen nur rund <math>100 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math> ein ebenes Stück Erdoberfläche in Deutschland - siehe Karte (1 kWh / Jahr entspricht ca. 0.114 W). Mehr Energie steht daher einfach nicht zur Verfügung!

Die verschiedenen Technologien können unterschiedliche Anteile dieses Energiestroms nutzbar machen.

Einschicht-Solarzellen stoßen an eine prinzipielle quantenmechanische Grenze von rund 30%, experimentelle Mehrschichtzellen kommen durchaus darüber, solche lassen sich jedoch noch nicht in Serie produzieren. Kommerziell erhältliche Zellen liegen zwischen 10% (billige) und 20% (teure). Da in Deutschland rund 100 W auf jeden Quadratmeter fallen, lässt sich als Faustformel nutzen, dass Photovoltaik eine Flächenleistungsdichte in <math>\mathrm{W} / \mathrm{m}^2</math> erreicht, deren Zahlenwert dem Wirkungsgrad der Zellen in Prozent entspricht:

<math>\rho_\mathrm{PV} \approx 10 \, - \, 20 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>.

Nachgeführte Solarzellen erzeugen natürlich eine höhere Leistung pro Zellenfläche (und damit auch pro investiertem Euro), aber da die hin- und herschwenkenden Panels "ausgreifen" und daher "Ellenbogenfreiheit" brauchen, erzielen sie in etwa die gleiche Leistung pro Bodenfläche wie fest installierte.

Da jede Energieform letztlich immer als Wärme endet, erreicht die Sonnenheizung einen höheren Wirkungsgrad von 50% oder mehr. Aber dafür steht auch nur Wärmeenergie zur Verfügung und keine Elektrizität, die sich an andere Orte leiten und flexibel einsetzen lässt.

Sonnenwärmekraftwerke sind auf direkte Einstrahlung angewiesen, und daher nur in Wüstengebieten u. ä. sinnvoll einsetzbar. Sie erreichen rund <math>15 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math> im Zeitmittel.

OTEC funktioniert nur in tropischen Gewässern. Diese Technologie benötigt äußerst viel Stahl und Beton pro Watt Leistung.

Weblinks

Wasserkraft

Die von einer Wasserströmung maximale freisetzbare Leistung entspricht dem Produkt von Massendurchfluss <math>\tau</math> (in kg pro Sekunde), Erdbeschleunigung <math>g = 9.81 \, \mathrm{m}/\mathrm{s}^2</math> und Fallhöhe h:

<math>P_\mathrm{Hydro} = \tau \, \times \, g \, \times \, h</math>.

Die größten deutschen Flüsse führen zu einer Gesamtentwässerung von ca. 6 Mio kg Wasser pro Sekunde. Bei einer typischen Höhendifferenz von 300 m ergibt dies eine Leistung von nicht mehr als 18 GW (6*106 kg/s * 9,81 m/s2 *  300 m ≈ 18 * 109 W). Von diesem theoretischen Wert kann natürlich nur ein geringer Teil wirklich genutzt werden, da die meiste Energie durch Reibung verloren geht und auch nicht jeder Tropfen, der in Deutschland hangabwärts fließt, einer Turbine zugeführt werden kann.

Die Wasserkraft kann in Deutschland wahrscheinlich nicht mehr in bedeutendem Maß weiter ausgebaut werden. Für Zentralafrika stellt sie jedoch eine interessante Option zur industriellen Entwicklung dar.

Biomasse

Die Verbrennung von Biomasse ist eine sehr sinnvolle Option um Abfallprodukte der Landwirtschaft nutzbar zu machen - z. Bsp. Stroh oder Holzschnitzel, aber auch aus Gülle oder Müll erzeugtes Biogas. Jedoch sind Pflanzen erstaunlich ineffizient, sie verwandeln nur wenige Prozent des einfallenden Sonnelichtes durch Photosynthese in chemische Energie. In der Praxis stehen kaum mehr als <math>\rho_\mathrm{Bio} \approx 0.5 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math> (bezogen auf die Anbaufläche) zur Verfügung. Ein Ausbau der Biomassenutzung ist daher noch flächenbedürftiger als der von Photovoltaik oder Windkraft!

Gezeiten

Die Gezeiten der Meere lassen sich auf zwei unterschiedliche Arten nutzen:

  • durch Gezeitenbecken, die sich bei Flut füllen und bei Ebbe entlehren, wodurch eine Turbine getrieben wird,
  • durch Meeresströmungsturbinen, die vom Prnzip (und Aussehen) her Windturbinen ähneln, und am Meeresgrund aufgestellt werden, dort wo die Gezeiten starke Strömungen hervorrufen.

Die in einem gefüllten Gezeitenbecken enthaltene Energie berechnet sich nach der Formel:

<math>E = M \times 1/2 \, \times \, g H</math>,

wobei M die Masse des Wassers, g die Erdbeschleunigung und H die Füllhöhe ist. Der Faktor 1/2 rührt daher, dass der Schwerpunkt nur um die halbe Strecke H angehoben wird.

Es gilt ferner:

<math>M = \varphi_\mathrm{W} A H</math>

mit der Grundfläche A des Gezeitenbeckens und der Wasserdichte <math>\varphi_\mathrm{W} = 1000 \, \mathrm{kg} / \mathrm{m}^3</math>. Zur Berechnung der Flächenleistungsdichte muss nun wieder durch A und durch 6 h = 21600 s dividiert werden:

<math>\rho_\mathrm{Becken} = \frac{E}{21600 \, \mathrm{s} \, \times \, A} = 1/2 \, \times \, \varphi_\mathrm{W} g H^2 / 21600 \, \mathrm{s}</math>,

Bei einer Hubhöhe von H = 4 m ergibt sich:

<math>\rho_\mathrm{Becken} = 3.6 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>.

Die meisten Konstruktionen erzeugen nur bei auslaufendem Wasser Energie (was aber nicht zwangsläufig so sein muß). In diesem Fall muß der Wert halbiert werden.

Da Meeresströmungsturbinen dagegen physikalisch exakt Windturbinen entsprechen, aber mit einem ca. 1000mal dichteren Medium arbeiten, kann für sie der gesamte Windkraftformalismus übernommen werden - mit einem Multiplikationsfaktor von 1000:

<math>\rho_\mathrm{Stroem} \approx 10 \, \left( \frac{v}{\mathrm{m}/\mathrm{s}} \right)^3 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

Für v ist jetzt die Geschwindigkeit der Strömung einzusetzen. Bei einer typischen Geschwindigkeit von 1.5 m/s ergibt sich:

<math>\rho_\mathrm{Stroem} \approx 6.4 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>.

Man sieht also, dass Gezeitenkraftwerke größenordnungsmäßig die gleiche Flächenleistungsdichte wie Windparks liefern. Ein wichtiger Vorteil von Gezeitenkraft ist aber, dass sie mit hundertprozentiger Sicherheit 2 (bzw. 4) mal pro Tag zur Verfügung steht!

Weblinks

Wellenkraft

Die Leistung einlaufender Meereswellen kann durch geeignete Apparate in elektrische Leistung umgewandelt werden. Atlantikwellen liefern in etwa 40 kW pro Meter Küste. Ein sogenannter Pelamis-Konverter erzeugt daraus 6 kW / m.

Deckt man 300 km Nordseeküste komplett mit solchen Konvertern ab, so erhält man insgesamt 1.8 GW, was verteilt auf 80 Mio. Deutsche 22.5 W pro Person ergibt. Man sieht daran, dass Wellenkraft nicht entscheidend zur Energieversorgung Deutschlands beitragen kann, insbesondere da Nordseewellen in Wirklichkeit weniger Energie als Atlantikwellen tragen.

(Die Ostsee verfügt über so gut wie überhaupt keinen sinnvoll nutzbaren Wellengang)

Weblinks

Nennleistung: Mehr Schein als Sein

Betreiber von EE-Anlagen, z. Bsp. von Windparks, verkünden oft und gerne vollmundig die hohe Nennleistung ihrer Systeme auf ihren Homepages und in Pressemitteilungen. Diese Werte hören sich zwar nach viel an, bezeichnen aber nur die Leistung die die Anlage unter optimalen Bedingungen liefert: Optimale Windgeschwindigkeit, maximale Sonneneinstrahlung... Im Zeitmittel ist die Leistung der Anlage deutlich geringer. Dies ist an für sich offensichtlich. Da aber immer wieder Behauptungen wie "Photovoltaik liefert 100 W pro Quadratmeter" auftauchen, hier eine kleine Anleitung zur Entschlüsselung der Behauptungen von Windpark-Betreibern.

In der Pressebroschüre des Offshoreparks Alpha Ventus liest man auf Seite 3: Jede WKA liefert 5 Megawatt Nennleistung, was insgesamt 60 MW entspricht (12 Turbinen). Jährlich sollen 220 Gigawattstunden eingespeist werden. Das ergibt eine Durchschnittsleistung von:

<math>P_\mathrm{Alpha} = \frac{220 \, \times \, 3.6 \times 10^{12} \mathrm{J}}{3.16 \, \times \, 10^7 \, \mathrm{s}} \approx 25 \, \mathrm{MW}</math>.

Hups. Noch nicht mal die Hälfte des Nennleistungswertes von 60 MW! Die eigentlich wichtige Information ist recht geschickt im Text versteckt. Vorhanden ja, aber hinter hohen, schön aussehenden Zahlen versteckt.

Die real eingespeiste Leistung eines Kraftwerks wird durch den Nutzungsgrad (engl. capacity factor) ausgedrückt. Er ergibt sich als Verhältnis der im Laufe einer bestimmten Zeitspanne (meist ein Monat oder ein Jahr) produzierten Energie zu der Energie, die erzeugt werden würde, wenn die Anlage die ganze Zeit über mit Nennleistung arbeiten würde. In unserem Fall ergibt sich ein Nutzungsgrad von <math>25/60 \approx 42 \%</math>. Onshore-Windparks erreichen aufgrund des schwächeren und unregelmäßigeren Windes oft noch nicht mal 30 Prozent.

Anhand dieser Daten lässt sich auch die Flächenleistungsdichte des Parks ermitteln. Auf Seite 2 wird erläutert, dass der Abstand zwischen den WKA bei 800 m liegt. Die gesamte "Einflussfläche" des Parks liegt daher bei

<math>A_\mathrm{Alpha} = 12 \, \times \, (800 \, \mathrm{m})^2 = 7.68 \, \mathrm{km}^2</math>

Man beachte, dass dies größer ist als der in der Broschüre genannte Wert von 4 Quadratkilometern, da die "Einflussfläche" über den eigentlichen Park hinausreicht und eine Zone ringsumher einschließt, innerhalb derer keine weiteren WKA mehr errichtet werden sollten.

Die Flächenleistungsdichte errechnet sich zu:

<math>\rho_\mathrm{Alpha} = \frac{P_\mathrm{Alpha}}{A_\mathrm{Alpha}} \approx 3.2 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>,

in ungefährer Übereinstimmung mit unserer obigen Abschätzung.

Weitere Beispiele aus der Praxis - Windkraft

<math>\rho_\mathrm{Walney} = \frac{0.43 \, \times \, 367 \times 10^6 \, \mathrm{W}}{73 \times 10^6 \, \mathrm{m}^2} \approx 2.2 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

<math>\rho_\mathrm{Barrow} = \frac{0.25 \, \times \, 90 \times 10^6 \, \mathrm{W}}{30 \times 500 \times 750 \, \mathrm{m}^2} = 2 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

<math>\rho_\mathrm{Amalia} = \frac{435 \times 3.6 \, \times \, 10^{12} \, \mathrm{J} / 3.15 \, \times \, 10^7 \, \mathrm{s}}{14 \, \times \, 10^6 \, \mathrm{m}^2} \approx 3.5 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

Weitere Beispiele aus der Praxis - Photovoltaik

Iwanuma

In Iwanuma soll ein gigantisches Solarkraftwerk entstehen. Geplant sind 30 Hektar auf vom Tsunami am 2011-03-11 versalzenen Ackerland. Der Artikel gibt die Leistung mit 15.000 Kilowatt an, nennt als Jahreseinspeisung allerdings 18 Millionen Kilowattstunden, also 18 GWh. Das ergibt:

  • Einspeisung pro Jahr: <math>18 \, \mathrm{GWh} = 6{,}5 \, \times \, 10^{13} \, \mathrm{J}</math>
  • Grundfläche: 30 Hektar = 300.000 m2

<math>\rho_\mathrm{Iwanuma} = \frac{6{,}5 \, \times \, 10^{13} \, \mathrm{J} / 3{,}15 \, \times \, 10^7 \, \mathrm{s}}{300 \, 000 \, \mathrm{m}^2} \approx 6{,}8 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

Bemerkenswert ist, daß der Artikel im Daily Yomiuri eine Leistung von 15 MW nennt. Das ist aber lediglich die Maximalleistung bei voller Sonneneinstrahlung, errechnet sich doch aus der geplanten Jahreseinspeisung von 18 GW eine Durchschnittsleistung von nur gut 2 MW. Der Täuschungsfaktor liegt bei 7,5!

Ohgishima

Ohgishima Solar Power Plant (Japan)

  • Einspeisung pro Jahr: <math>13.7 \, \mathrm{GWh} = 4.9 \, \times \, 10^{13} \, \mathrm{J}</math>
  • Grundfläche: 23 Hektar = 230,000 m2

<math>\rho_\mathrm{Ohgishima} = \frac{4.9 \, \times \, 10^{13} \, \mathrm{J} / 3.15 \, \times \, 10^7 \, \mathrm{s}}{230 \, 000 \, \mathrm{m}^2} \approx 6.8 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

Man sieht, dass hier die Flächenleistungsdichte noch deutlich unterhalb unserer obigen Schätzwerte liegt. Dies liegt u.a. daran, dass zwischen den Solarpanels Zugangspfade zur Wartung freigehalten und Kabel verlegt werden müssen.

Nellis

Nellis Solar Power Plant (Nevada, USA) <math>\rho_\mathrm{Nellis} = \frac{0.22 \, \times \, 13 \, \times \, 10^{6} \, \mathrm{W}}{570 \, 000 \, \mathrm{m}^2} \approx 5 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

Okhotnykovo

Okhotnykovo solar power plant (Ukraine)

<math>\rho_\mathrm{Okhotnykovo} = \frac{3.6 \, \times \, 10^{14} \, \mathrm{J} / 3.15 \, \times \, 10^7 \, \mathrm{s}}{1.12 \, \times \, 10^6 \, \mathrm{m}^2} \approx 10 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

Finsterwalde

Solarpark Finsterwalde (Deutschland) <math>\rho_\mathrm{Finsterwalde} = \frac{38 \, \times \, 3.6 \, \times \, 10^{12} \, \mathrm{J} / 3.15 \, \times \, 10^7 \, \mathrm{s}}{1.03 \, \times \, 10^6 \, \mathrm{m}^2} \approx 4.2 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

Lieberose

Solarpark Lieberose

  • Einspeisung pro Jahr:

<math>E_\mathrm{jahr} = 52 \times 10^6 \, \mathrm{kWh} = 1.87 \times 10^{14} \, \mathrm{J}</math>

  • Dies entspricht der mittleren Leistung:

<math>P_\mathrm{Lieberose} = \frac{E_\mathrm{jahr}}{3.16 \times 10^7 \, \mathrm{s}} = 5.92 \, \mathrm{MW}</math>

  • Dies sind nur 11% der Nennleistung von 52.79 MW!
  • Es ergibt sich eine Leistungsdichte pro Modulfläche von:

<math>\rho_\mathrm{Lieberose:Modul} = \frac{5.92 \times 10^6 \, \mathrm{W}}{5 \times 10^5 \, \mathrm{m}^2} \approx 12 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

  • ...und pro genutzter Landfläche:

<math>\rho_\mathrm{Lieberose:Land} = \frac{5.92 \times 10^6 \, \mathrm{W}}{1.62 \times 10^6 \, \mathrm{m}^2} \approx 3.65 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

  • Größenordnungsmäßig liegt dies geringfügig oberhalb der typischen Leistungdichte von Onshore-Windkraft (2 W/m2).

Artikel von Tom Blees in Eco-Business

My hamster powers our neighbourhood - Tom Blees erklärt, wieso die Betreiberfirmen von EE-Anlagen meist viel zu hohe Leistungswerte angeben und dadurch die Öffentlichkeit täuschen.

Weitere Informationen auf unserem Blog

Nutzungsgrad - Wirkungsgrad - Volllaststunden?! Einige physikalische Definitionen

Die zweite kritische Größe: Bevölkerungsdichte

Aus einfachen physikalischen und geografischen Überlegungen und Berechnungen ergibt sich, dass europäische Länder mit hoher Besiedlungsdichte in der Praxis kaum von ihren eigenen erneuerbaren Ressourcen leben können.

Die Bevölkerungsdichte Deutschlands liegt bei:

<math>\varrho_\mathrm{D} = \frac{8.177 \times 10^7 \, \mathrm{Personen}}{357112 \, \mathrm{km}^2} \approx \frac{229 \, \mathrm{Personen}}{1 \, \mathrm{km}^2}</math>

Der Kehrwert hiervon ergibt die Fläche, die jedem im Mittel zur Verfügung steht:

<math>A_\mathrm{Indiv} = \varrho_\mathrm{D}^{-1} \approx 4355 \, \mathrm{m}^2 \, / \, \mathrm{Person}</math>

Dies entspricht einem Quadrat mit 66 m Seitenlänge. Würden alle Deutschen sich gleichmäßig auf dem deutschen Staatsgebiet aufstellen, hätte jeder eine Fläche dieser Größe für sich selbst.

In industriell hochentwickelten Ländern verbraucht jeder Bürger mehrere kW an Primärenergie. Die Grenze zwischen Armut und Reichtum liegt dabei ungefähr bei 2000 W pro Person, was dem Individualverbrauch in Mexiko entspricht. In Deutschland verbraucht jeder im Durchschnitt 5500 W, in den USA sogar 11000 W. Teilweise erfolgt dieser Verbrauch in Form von Elektrizität, teils unmittelbar als Verbrennung von Öl oder Gas zum Antrieb von Fahrzeugen und Maschinen oder zum Heizen. Im postfossilen Zeitalter wird sicherlich der Anteil der Elektrizität stark zunehmen.

Wer wissen möchte, was "Individualverbrauch" genau bedeutet, kann sich hier informieren: Anmerkungen zum Individualverbrauch.

Rechnet man den deutschen Individualverbrauch auf die Fläche pro Person um, erhält man:

<math>\rho_\mathrm{gesamt} = \frac{5500 \, \mathrm{W}}{4355 \, \mathrm{m}^2} \approx 1.26 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>.

Größenordnungsmäßig ähnelt dies der Flächenleistungsdichte von Windparks. Hieraus lässt sich bereits ablesen, dass EE-Anlagen, die Leistungen im Bereich mehrerer kW pro Person erbringen sollen, außerordentlich groß sein müssen, und der Ausbau der Erneuerbaren daher vor allem ein Platzproblem ist!

Welchen Anteil Deutschlands man zur Energiegewinnung mit künstlichen Strukturen zu bedecken vertretbar hält, ist sicherlich auch eine Geschmacksfrage. Um uns zu vergegenwärtigen, wie kolossal solche Installationen sein müssten, überlegen wir uns, was es bedeuten würde, wenn man in der Zukunft jedem Deutschen 2 kW elektrische Energie zukommen lassen möchte.

  • Wind bei <math>\rho = 2 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>: Pro Mensch 1000 Quadratmeter, über ein Fünftel der zur Verfügung stehenden Gesamtfläche. Insgesamt (für 81.8 Mio Menschen) ergeben sich 81800 km2 - größer als Bayern (ca. 70551.6 km2).
  • Solar bei <math>\rho = 10 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>: Pro Mensch 200 m2. Insgesamt 16360 km2 - größer als Thüringen (16172.5 km2)!
  • Biomasse bei <math>\rho = 0.5 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>: Pro Mensch 4000 m2 - das bedeutet dass man über 90% Deutschlands mit Biomasseplantagen bedecken müsste (Energieverluste bei Verarbeitung, Transport und Umwandlung in Elektrizität nicht mit eingerechnet).

Ähnliche Dimensionen ergeben sich für Gezeiten- und Meeresströmungskraftwerke.

Damit mehrere kW erneuerbare Energie pro Person gewonnen werden können, sind also geradezu gigantische Anlagen nötig: größer als ganze Bundesländer!

Deutschland mit derartig gewaltigen Konstruktionen zu bedecken und die Landschaft flächendeckend zu industrialisieren, dürfte sozial, ökonomisch und ökologisch kaum praktikabel sein.

Frage: Wenn wir jedes Hausdach mit PV bedeckten, wieviel Energie stünde zur Verfügung?

Abschätzungen bezüglich der verfügbaren Dachfläche liegen bei 13 m2 pro Person.

Bei einer Flussdichte von 15 W/m2 ergibt dies:

<math>P_\mathrm{Dach,Person} = 13 \mathrm{m}^2 \, \times \, 15 \mathrm{W}/\mathrm{m}^2 \approx 200 \, \mathrm{W}</math>

Oder bei insgesamt 82 Mio. Deutschen ca. 16,4 GW. Das ist ein guter Beitrag, der keinesfalls zu verachten ist, reicht aber an den Gesamtstromverbrauch von 70 GW oder gar an den gesamten Primärenergieverbrauch von mehreren 100 GW (bzw. mehreren kW pro Person) nicht heran.

Ausführlicher in unserem Blog: Windmühlen oder Kernkraft? Windmühlen UND Kernkraft!

Kernenergie kommt zur Hilfe!

Daher ist zur energetischen Untermauerung eine CO2-arme Alternative mit höherer Flächenleistungsdichte gefragt. Hier kann die Kernenergie einspringen. Aufgrund der fantastischen Leistungsdichte von Kernreaktoren, ihrer Grundlastfähigkeit und der Tatsache, dass sie so gut wie emissionslos arbeiten, können sie uns zuverlässig und umweltfreundlich mit Energie versorgen, ohne dass ganze Landstriche industrialisiert werden müssen.

Das Kernkraftwerk Belleville in Frankreich erzeugt beispielsweise 16,039 GWh pro Jahr auf einer Fläche von 1,700,000 m2. Dies ergibt eine Leistungsdichte von:

<math>\rho_\mathrm{Belleville} = \frac{16039 \, \times \, 3.6 \, \times \, 10^{12} \, \mathrm{J} / 3.15 \, \times \, 10^7 \, \mathrm{s}}{1.7 \, \times \, 10^6 \, \mathrm{m}^2} \approx 1078 \, \mathrm{W}/\mathrm{m}^2</math>

- zwei bis drei Größenordnungen oberhalb der für erneuerbare Energiequellen typischen Werte.

Hinzu kommt ein weiterer positiver Aspekt: Es sind auch kleine, modulare Kernkraftwerke möglich – quasi nukleare Blockheizkraftwerke. Diese könnten Städte und Fabriken dezentral mit Energie versorgen. Ein kleiner bleigekühlter schneller Brüter kann z.B. in der Nähe eines Industriewerks unterirdisch installiert werden und das Werk dadurch weitgehend unabhängig von äußerer Energiezufuhr machen.

Folgende Zeichnung von Thekla Löhr zeigt die Energieversorgung einer Stadt plus Industrie - einmal durch einen gewaltigen, in größerer Entfernung aufgestellten Windpark (links), und durch ein regionales Kernkraftwerk (rechts):

Nuklearia dezentrale Energieversorgung durch Kernkraft.jpg

Man beachte, dass das Kernkraftwerk auch Prozesswärme liefert, die in der Fabrik Fossilbrennstoffe ersetzt.

Das Ziel vieler Piraten, die Energieversorgung zu dezentralisieren, ist mit Erneuerbaren Energiequellen kaum durchführbar: Wind- oder Solarparks, die genug Energie für eine Kleinstadt oder eine Fabrik liefern, müssten einfach viel zu groß sein, als dass man sie in der Nähe der menschlichen Zivilisation aufbauen könnte. Kleine Kernkraftwerke dagegen könnten unterirdisch installiert werden, wodurch sie optisch nicht weiter auffallen, und wären in der Lage, uns über Jahrzehnte hinweg zuverlässig zu versorgen – und das fast ohne Unterbrechung, so dass die bei den Erneuerbaren unverzichtbaren Zwischenspeicher entfallen.

Hinzu kommt der Vorteil, dass Kernkraftwerke mit hoher Arbeitstemperatur (z. Bsp. der gasgekühlte Hochtemperaturreaktor oder auch Flüssigsalzreaktoren) viel Prozesswärme erzeugen, die in der Industrie für chemische Prozesse genutzt werden kann, u. a. zur Wasserstofferzeugung (z. Bsp. als Treibstoff für zukünftige Flugzeuge).

Natürlich sind wir keinesfalls gegen den Ausbau der Erneuerbaren Energiequellen. Auch diese werden eine wichtige Rolle im zukünftigen Energiemix spielen! Aber aufgrund prinzipieller physikalischer Begrenzungen ist es in kleinen, dichtbesiedelten Ländern wie Deutschland unrealistisch, davon auszugehen, dass sich eine ganze Industriegesellschaft nur mithilfe der Erneuerbaren am Leben erhalten lässt. Um von Öl, Kohle und Gas loszukommen, ist die Kernenergie daher mittel- und vielleicht auch langfristig unverzichtbar.

Wie Erneuerbare und Kernenergie sich ergänzen können

TL;DR - Zusammenfassung für Eilige

Die Erneuerbaren können aus physikalischen Gründen nur wenige Watt pro Quadratmeter liefern, rund 1000mal weniger als ein Kernkraftwerk.

Daher müssten EE-Anlagen, die substantielle Mengen an Leistung umsetzen sollen, geradezu überdimensionale Größen haben: vergleichbar mit ganzen Bundesländern.

Da es sicherlich weder wünschenswert noch möglich ist, Deutschland zu großen Anteilen mit künstlichen Strukturen zu bedecken, werden für das postfossile Zeitalter benötigt:

  • Entweder Kernkraftwerke, oder...
  • Sonnenwärmekraftwerke in der Sahara im DESERTEC-Style oder aber idealerweise...
  • beides.

 

Die AG Nuklearia ist eine Arbeitsgruppe innerhalb der Piratenpartei Deutschland und ein Zweig des Nuklearia e.V.. Die auf dieser und den übrigen Seiten der AG Nuklearia genannten Behauptungen haben wir nach bestem Wissen und Gewissen recherchiert. Meinungen und Bewertungen sind, soweit nicht anders erwähnt, unsere eigenen. Sie stimmen i.d.R. nicht mit denen der Piratenpartei Deutschland überein.
StartWir über unsWohin mit dem Atommüll?Grenzen der ErneuerbarenKernenergie kurz und knappKernkraftwerke von morgen und übermorgenFakten und DenkanstösseReaktortypenBlog