Alternative Energiequellen
In der modernen Energiewirtschaft kann auch in alternative Arten der Stromgewinnung ("nachhaltig" und "erneuerbar") unterteilt werden. Erneuerbare Rohstoffe sind Energieträger die praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen. Gleichzeitig weisen sie eine geringere CO2-Emissionen auf als herkömmliche Kohlekraftwerke. Wir sprechen deshalb von emissionsarmer Energie. Wir verwenden weiterhin Brennstoff (Uran, Biomasse) zur Energieerzeugung, aber die Stromerzeugung erzeugt kein CO2. Es besteht weiterhin die Möglichkeit den Brennstoff wiederverwenden oder anbauen zu können, um die CO2-Bilanz insgesamt zu verringern.
Erneuerbare Energiequellen können mit der Zeit als "unerschöpflich" verstanden werden, da in regelmäßigen Zyklen (Tag / Monat / Jahr) Sonne, Wasser, Luft und Erde erneuert werden. Generell kann jedoch gesagt werden, dass die Leistung all dieser Energiequellen langfristig nicht den gesamten Energiebedarf decken kann, sondern nur den lokalen Bedarf (und nur, wenn wir den Energiebedarf über den Tag / Monat / Jahr decken können). Um eine höhere Leistung zu erzielen, sind erhebliche landschaftliche Eingriffe (z. B. Sonnenwiesen, große Dämme) erforderlich, die sich letztendlich auf das lokale Ökosystem auswirken können.
Nutzung von Wasserkraft
Wasserkraftwerke können in sogenannte Laufwasserkraftwerke oder Speicherkraftwerke unterteilt werden. Die Funktionsweise ist aber letztendlich gleich. Das Wasser durchfließt eine Turbine, durch die erzeugte Drehbewegung wird ein Generator betrieben. Die Vorteile von Wasserkraftwerken sind eine relativ einfache Bedienung und eine konstante Langzeitleistung. Der Nachteil ist die hohe Beanspruchung der Fläche und ein möglicher Einfluss auf das umgebende Ökosystem. Nur zum Vergleich: Das größte Wasserkraftwerk der Welt, die "Drei-Schluchten-Talsperre" verfügt über eine Leistung von 22.500 MW. Das größte Wasserkraftwerk Deutschlands, das Pumpspeicherwerk Goldisthal, hat im Vergleich etwas weniger als 5% dieser Leistung. Die Wasseroberfläche des Ober- und Unterbeckens beträgt dabei 1,2 km2. Um Die Leistung der Drei-Schluchten-Talsperre zu erreichen, war es nötig, eine Fläche von 1 084 km2 zu fluten, was etwa 20 % mehr als die Fläche Berlins ist.
Nutzung der Sonnenenergie
Die Nutzung der Sonnenenergie ist auf zwei Wegen möglich. Zum einen besteht die Möglichkeit die Wärme der Sonne zu nutzen. Mit sogenannten Sonnenwärmekraftwerken werden die Sonnenstrahlen an einem Ort gebündelt. Dies wird durch speziell geformte und ausgerichtete Spiegel, welche das Licht reflektieren, erzielt. Der Wirkungsgrad von Solarwärmekraftwerken liegt meistens zwischen 25 und 30 %. Wenn wir das Licht der Sonne direkt für eine Vertromung nutzen wollen, gibt es eine zweite und wohl auch bekanntere Variante. Hier kommen sogenannte Photovoltaikanlagen zum Einsatz. Diese bestehen aus Halbleitern oder organischen Elementen, die die Photonenenergie der Sonne in elektrische Energie umwandeln. Der Wirkungsgrad ist in diesem Falle etwas geringer als der eines solarthermischen Kraftwerks und beträgt üblicherweise nicht mehr als 25%.
Eines der größten Sonnenwärmekraftwerke, das (Kraftwerk Ouarzazate) in Marokko hat eine Leistund von 582 MW. 510 MW werden durch Solarthermie erzeugt und 72 MW durch Photovoltaik. Photovoltaik-Solarmodule sind in den letzten Jahren zu einem der Symbole für erneuerbare Energien geworden, eignen sich jedoch nicht für die Massenproduktion. Sie werden jedoch zur lokalen Reduzierung der Netzabhängigkeit oder in abgelegenen Gebieten eingesetzt.
Nutzung der Windenergie
Ein großteil der aus alternativen Energiequellen gewonnenen Leistung wird durch die Windenergie bereitgestellt. Hierbei wird ein Rotor, welcher mit einem Generator gekoppelt ist, durch Windkraft angetrieben. Moderne Anlagen haben eine Leistung von 2 bis 8 MW. Die Leistung ist abhängig vom Ort, sodass Offshore-Anlagen meist eine höhere Leistung aufweisen. Die theoretische Maximalleistung ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit der strömenden Luft, was aber in den seltensten Fällen erreicht wird. Die Windgeschwindigkeiten sind jedoch äußerst variabel, sodass die Nennleistungen der Anlagen selten erreicht werden.
Nutzung von Geothermie
Geothermische Kraftwerke, in denen wir "Erdwärme" nutzen, sind eine weitere Möglichkeit für die Nutzung erneuerbarer Ressourcen. Geothermische Kraftwerke sind besonders in Gebieten mit hoher tektonischer Aktivität sinnvoll. Es ist möglich heiße Quellen direkt mit einer Turbine oder indirekt mit einem Wärmetauscher zu koppeln. Wenn ein Wärmetauscher zum Einsatz kommt wird eine Turbine mit Generator angeschlossen. Ein Vorteil des Einsatzes von Geothermiekraftwerken liegt in der möglichen Nutzung als Heizkraftwerk. Der Nachteil können häufige Ausfälle aufgrund der variablen Zusammensetzung der heißen Quellen sein, die zu Korrosion im System führen können.
Aus all diesen Möglichkeiten wird deutlich, dass es derzeit kein Problem ist, Strom aus erneuerbaren Quellen zu erzeugen, sondern ausreichend lange effizient zu versorgen. Ein wichtiges Thema im Bereich der alternativen Energiequellen ist daher die Langzeitspeicherung, die es ermöglichen würde, sie immer dann zu nutzen, wenn sie benötigt wird (bei Bedarf) und nicht nur, wenn wir in der Lage sind, Strom zu produzieren.
Langzeitspeicherung von Energie
Ein Pumpspeicherkraftwerk, kurz PSW, ist eine Form des Wasserkraftwerkes, das Energie in Form von Wasseransammlungen speichern kann. Bei Stromüberschuss (z.B. nachts) wird Wasser durch Pumpen in ein Becken auf einer gewissen Höhe über dem Ausgangspunkt gefördert. Bei Strombedarf werden die Rohre geflutet und das Wasser fließt zurück zum Ausgangspunkt. Durch den Höhenunterschied ist es möglich mit der kinetischen Energie des Wassers eine Turbine zu betreiben. Pumpspeicherkraftwerke sind bislang die einzige weit verbreitete Methode zur Langzeitspeicherung größerer überschüssiger Strommengen. Sie haben sich zu einem technisch realisierbaren Mittel entwickelt, um Verluste durch ungenutzte Energie zu reduzieren und Probleme mit Schwankungen des Stromverbrauchs bzw. der Stromerzeugung zu vermeiden.
Ein Pumpspeicherkraftwerk verfügt über zwei Wasserspeicher. Einer von ihnen befindet sich in einer niedrigeren Position (unterer Tank), der andere in einer höheren Position (oberer Tank). Beide Becken sind durch Rohre miteinander gekoppelt. Dies ist auch der nachfolgenden Abbildung zu entnehmen. In der Nacht wird überschüssige Energie aus dem Stromnetz genutzt um das Wasser vom unteren in den oberen Tank zu pumpen. Dadurch entstehen große Wasserreserven im oberen Tank. Wenn im Stromnetz mehr Spitzenenergie benötigt wird, kann Wasser durch die Rohre beschleunigt werden und so eine Turbine antreiben. Die in der Nacht gespeicherte Energie wird somit tagsüber wieder in das Stromnetz eingespeist.
Obwohl diese Anlagen bereits vor der Entwicklung von Kernkraftwerken gebaut wurden, hat Ihre Bedeutung danach erheblich zugenommen. Zumal ein Kernkraftwerk überhaupt nicht geeignet ist, unmittelbare Schwankungen des Strombedarfs zu decken (im Gegenteil, es eignet sich eher für eine langfristige und konstante Stromerzeugung). Aus diesem Grund kann „überschüssige“ Energie in Pumpspeicherkraftwerken genutzt werden, indem sie in Form von potentieller Energie von Wasser in den oberen Speichern für Spitzen-Energieperioden angereichert wird.
Vorteile von PSW sind vor allem: Die Fähigkeit, schnell auf Schwankungen des Energieverbrauchs zu reagieren, die einfache Bedienung und im Gegensatz zu anderen Arten der Akkumulation von elektrischer Energie eine längere Lebensdauer, die bis zu 100 Jahre beträgt. Ein Nachteil von PSW ist die hohe Beanspruchung der Konstruktion und geeignete Voraussetzungen des Geländes.
Ein ähnliches Prinzip wie beim Pumpspeicherkraftwerk findet sich auch in dem neuen Ansatz eines Schweizer Unternehmens. Mithilfe von Türmen aus einzelnen Betonblöcken und der Schwerkraft ist es hier möglich Energie zwischenzuspeichern. Die Technologie ist unabhängig von Geländebedingung und kann so auch in Wüstengebieten, nahe Solar- oder Windparks eingesetzt werden. Bei Stromüberschuss aus regenerativen Quellen, werden die Betonblöcke mithilfe eines Kranssystems, was die Basis bildet, zu einem Turm aufgebaut. Dabei ist es möglich massive Türme bis zu einer Höhe von 150 Metern zu stapeln. Bei Energiemangel wird die dadurch erzeugte potentielle Energie wieder in Strom umgewandelt. Blöcke werden heruntergelassen und an der Turmbasis abgelegt. Hierfür erzeugen die Kranmotoren die elektrische Energie, welche durch das Abbremsen im "freien Fall" anfällt. Das Unternehmen gibt dabei einen Wirkungsgrad von 85 bis 90 Prozent an.
Im Vergleich zu Lithiumbatterien, die sehr kurze Reaktionszeiten haben, reagieren diese Systeme definitiv langsamer. Hinzu kommt, dass ein solches Verfahren nur dann sinnvoll ist, wenn für die Betonblöcke Abfallstoffe zum verfüllen verwendet werden, da die Herstellung von Beton ein extrem energieintensiver Prozess ist. Auf der anderen Seite beträgt die Lebensdauer einer "Betonbatterie" zwischen 30 und vierzig Jahren und die mögliche Leistung liegt anfangs zwischen 20 und 35 MWh, später sind Systeme mit bis zu 80 MWh geplant. Somit bietet das System eine kontinuierliche Stromversorgung für 8 bis 16 Stunden.