Vorwort

Volker Quaschning

Erneuerbare Energien und Klimaschutz

Hintergründe - Techniken und Planung - Ökonomie und Ökologie -Energiewende

ISBN (Buch): 978-3-446-43809-5

ISBN (E-Book): 978-3-446-43737-1

Weitere Informationen oder Bestellungen unter

http://www.hanser-fachbuch.de/978-3-446-43809-5

sowie im Buchhandel.

© Carl Hanser Verlag, München

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Vorwort Die Energie- und Klimaproblematik ist endlich dort angekommen, wo sie hingehört: in der breiten Öffentlichkeit. Dabei sind die Zusammenhänge von Energieverbrauch und Klima-erwärmung bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt. Schon Ende der 1980er-Jahre erklärte die damalige deutsche Bundesregierung Klimaschutz zum Regierungsziel. Zahlreiche Ex-perten forderten bereits damals den schnellen Umbau unserer Energieversorgung. Die da-für nötigen Schritte erfolgten allerdings bestenfalls halbherzig. Dabei lässt sich das Klima-problem nicht aussitzen. Von Jahr zu Jahr wird immer deutlicher erkennbar, dass der Klimawandel bereits eingesetzt hat. Die Prognosen der Klimaforscher sind verheerend. Gelingt es uns nicht, die Notbremse zu ziehen, werden die katastrophalen Folgen des Kli-mawandels unsere heutigen Vorstellungsgrenzen weit überschreiten. Die Verleihung des Friedensnobelpreises im Jahr 2007 an den Klimapolitiker Al Gore und den Weltklimarat, die seit Jahren eindringlich vor den Klimafolgen warnen, sind eher ein Zeichen der Hilf-losigkeit als einer nahenden Lösung des Problems. Neben den Klimafolgen zeigen immer neue Rekorde bei den Preisen für Erdöl oder Erd-gas, dass diese unseren Bedarf nicht mehr lange decken können und schnellstmöglich an-dere Alternativen erschlossen werden müssen. Die Lösung ist dabei recht simpel. Sie lautet: regenerative Energien. Diese wären in der Lage, in nur wenigen Jahrzehnten unsere gesamte Energieversorgung vollständig zu über-nehmen. Nur so können wir unsere Abhängigkeit von immer teurer werdenden und Krisen verursachenden Energieträgern wie Erdöl oder Uran beenden und unseren Energiehunger nachhaltig klimaverträglich stillen. Der Weg dahin ist aber für viele noch ziemlich unklar. Oft traut man den regenerativen Energien nicht zu, eine wirkliche Alternative zu bieten. Dabei unterschätzt man völlig deren Möglichkeiten und prophezeit ein Zurück zur Steinzeit, wenn einmal das Erdöl und die Kohle erschöpft sein werden. Dieses Buch soll solche Vorurteile zerstreuen. Es beschreibt klar und verständlich, welche verschiedenen Techniken und Potenziale zur Nutzung regenerativer Energien existieren, wie diese funktionieren und wie sie eingesetzt werden können. Das Zusammenspiel der verschiedenen Technologien ist dabei stets im Fokus. Am Beispiel Deutschlands wird auf-

Vorwort

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gezeigt, wie eine nachhaltige Energieversorgung aussehen kann und wie diese umzusetzen ist. Dabei dient dieses Buch weniger als Handlungskatalog für eine zögerliche Politik, son-dern soll vielmehr allen Leserinnen und Lesern Wege aufzeigen, selbst Beiträge für eine klimaverträgliche Energiewirtschaft zu leisten. Neben der Erläuterung von Energiespar-maßen liefert das Buch dazu konkrete Planungshilfen für die Realisierung eigener regene-rativer Energieanlagen. Das Buch ist bewusst so geschrieben, dass es einem breiten Leserkreis die nötigen Infor-mationen bietet. Es soll sowohl den Einstieg in die verschiedenen Technologien ermögli-chen als auch für Personen mit einigen Vorkenntnissen interessante Hintergrundinforma-tionen liefern. Damit ist dieses Buch eine wichtige Ergänzung zu dem von mir verfassten und bereits beim Hanser Verlag erschienenen Fachbuch „Regenerative Energiesysteme“. Das große Interesse an dem mittlerweile in der sechsten Auflage erschienenen und ins Englische und ins Arabische übersetzten Fachbuch hat gezeigt, dass ein Bedarf an entsprechender Litera-tur besteht. Als Rückmeldung zu diesem Fachbuch und zu zahlreichen meiner Vorträge wurde stets das Interesse an einem allgemeinverständlichen, aber dennoch umfassenden Buch geäußert. Das neue Buch soll nun diese Lücke schließen und damit auch eine Unter-stützung bei der Gestaltung einer nachhaltigen Energieversorgung liefern. An dieser Stelle danke ich meiner Frau Cornelia, meinem Vater Günter, meinem Onkel Manfred sowie Friedrich Sick, die mit ihren Anregungen zum Entstehen dieses Buches beigetragen haben. Ein ganz besonderer Dank gilt auch dem Carl Hanser Verlag und im Speziellen Erika Hotho, Franziska Kaufmann und Mirja Werner für die Unterstützung und Realisierung dieses Buches.

Berlin, im Sommer 2008 Prof. Dr. Volker Quaschning

Vorwort zur 3. Auflage Die sehr guten Verkaufszahlen und die positive Resonanz zu diesem Fachbuch haben ge-zeigt, dass die Thematik und die Art der Darstellung auf ein breites Interesse stoßen. Trotz sorgfältigster Prüfung lassen sich kleinere Fehler und Unstimmigkeiten nicht vermeiden. Ein besonderer Dank gilt daher allen Leserinnen und Lesern, die mit Hinweisen zur Besei-tigung von Fehlern beigetragen haben. Die dritte Auflage wurde aktualisiert und um neu-este technische Trends erweitert, sodass sie nun wieder nur aktuelle Daten zu erneuerbaren Energien enthält. Ein eigenes Kapitel zur Energiewende erläutert, warum diese in vielen Bereichen noch nicht das nötige Tempo erreicht hat, klärt über Falschinformationen auf und beschreibt, wie eine nachhaltige Energieversorgung noch rechtzeitig für einen wirksa-men Klimaschutz aufgebaut werden kann.

Berlin, im Sommer 2013 Prof. Dr. Volker Quaschning Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin

www.volker-quaschning.de

Leseprobe

Volker Quaschning

Erneuerbare Energien und Klimaschutz

Hintergründe - Techniken und Planung - Ökonomie und Ökologie -Energiewende

ISBN (Buch): 978-3-446-43809-5

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2 Klima vor dem Kollaps? Dass sich das Klima ändert, wissen wir eigentlich schon lange. Unzählige Eis- und Warm-zeiten haben gezeigt, dass die Klimabedingungen auf der Erde ständigen Wechseln unter-worfen sind. Für menschliche Zeithorizonte dauert ein Wechsel jedoch relativ lange. Etwa alle 100 000 Jahre kam es in der jüngeren Erdgeschichte zu Eiszeiten, die jeweils durch deutlich kürzere Warmzeiten unterbrochen waren. Unsere jetzige Warmzeit, das so ge-nannte Holozän, begann vor etwa 11 700 Jahren. Da die letzten Warmzeiten im Schnitt nur rund 15 000 Jahren andauerten, müssten wir eigentlich unweigerlich auf die nächste Eis-zeit zusteuern. Die genauen Ursachen für den Wechsel zwischen Warm- und Eiszeiten lassen sich nur be-dingt rekonstruieren. Natürliche Effekte wie Veränderungen der Sonnenaktivität, Änderun-gen der Erdbahngeometrie, Vulkanismus, Änderungen von Meeresströmungen sowie Ver-schiebung der Kontinentalplatten gelten als Hauptursachen von Klimaänderungen. Kom-men mehrere Ursachen zusammen, sind auch recht abrupte Änderungen möglich. Das be-legt die Klimageschichte der Erde. Insofern ist die in jüngster Zeit beobachtete Erderwär-mung nichts Ungewöhnliches. Außergewöhnlich ist nur, dass vermutlich erstmals Lebe-wesen der Erde einen abrupten Klimawandel verursachen – nämlich wir Menschen.

2.1 Es ist warm geworden – Klimaveränderungen heute

2.1.1 Immer schneller schmilzt das Eis

Die Klimabedingungen der Erde sind seit einigen Tausend Jahren relativ konstant. Darauf hat sich unsere Zivilisation mit ihren Siedlungsgebieten und landwirtschaftlichen Flächen eingestellt. Heute dicht besiedelte Gebiete waren in den letzten Eiszeiten durch meterhohe Eispanzer bedeckt und während der heißesten Perioden der Klimageschichte wären unsere Küstenstädte metertief im Meer versunken. Kommt es zu starken Änderungen der Klima-bedingungen, werden sie zweifellos das Gesicht der Erde und unsere heutigen Lebensbe-

2.1 Es ist warm geworden – Klimaveränderungen heute

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dingungen stärker verändern als dies selbst das dramatischste geschichtliche Ereignis der letzten Jahrtausende vermocht hat.

Beobachtete Klimaveränderungen [IPC07, EEA10, NOAA13]

Die globale Landoberflächentemperatur lag im Jahr 2012 bereits 0,9 Grad Celsius über dem Mittel von 1901 bis 2000.

Die 2000er-Jahre waren die wärmste Dekade seit Beginn der Temperaturmessungen. Die Temperaturzunahme der letzten 50 Jahre ist doppelt so hoch wie die der letzten 100

Jahre. Die Erwärmung der Arktis erfolgte mehr als doppelt so schnell. Die Temperaturen der letzten 50 Jahre waren höher als jemals zuvor in den vergangenen

1300 Jahren. Weltweit schrumpfen die Gletscher sowie die Eisschilde auf Grönland und der Antarktis.

Die Alpengletscher haben zwischen 1850 und 2010 bereits zwei Drittel ihres Volumens verloren.

Die sommerliche arktische Meereisbedeckung ist von 7,5 Millionen Quadratkilometern im Jahr 1982 auf 3,5 Millionen Quadratkilometer im Jahr 2012 zurückgegangen.

Der Meeresspiegel ist seit 1993 durchschnittlich um 3,1 Millimeter pro Jahr gestiegen, im 20. Jahrhundert insgesamt um 17 Zentimeter. Mehr als die Hälfte geht auf die thermische Ausdehnung der Meere zurück, etwa 25 Prozent auf Abschmelzen der Gebirgsgletscher und etwa 15 Prozent auf das Abschmelzen der arktischen Eisschilde.

Die Häufigkeit von heftigen Niederschlägen hat zugenommen. Häufigkeit und Intensität von Dürren sind seit den 1970er-Jahren gestiegen. Die Häufigkeit von Temperaturextremen hat zugenommen. Die Intensität tropischer Wirbelstürme ist seit den 1970er-Jahren stärker geworden.

Abbildung 2.1 Temperaturänderung des Jahres 2012 im Vergleich zum Mittelwert der Jahre 1951 bis 1980. Quelle: NASA, http://svs.gsfc.nasa.gov

2 Klima vor dem Kollaps?

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In den letzten hundert Jahren hat sich die mittlere Temperatur der Erde um rund 1 Grad Celsius erhöht. Auf den ersten Blick sieht dies nicht viel aus. Die Erwärmung auf der Erde erfolgt jedoch nicht in allen Gebieten gleichmäßig und ist auch nicht über das Jahr kons-tant. Liegen die Temperaturen von 10 Monaten im normalen Bereich, können zwei Monate folgen, die bereits um mehr als 5 Grad Celsius über dem Mittel liegen. In einigen Regio-nen der Erde ist die Temperaturzunahme bereits jetzt schon im Jahresmittel größer als 2 Grad Celsius (Abbildung 2.1).

Abbildung 2.2 Sommerliche arktische Eisbedeckung für das Jahr 1979 (oben) und das Jahr 2012 (unten). Quelle: NASA, http://svs.gsfc.nasa.gov

Als Folge der Erwärmung dehnt sich das Wasser der Meere aus. Durch die Zunahme der Temperaturen schmelzen auch mehr und mehr arktisches Eis und das ewige Eis der Glet-scher ab. Dadurch erhöht sich der Meeresspiegel weiter.

2.1 Es ist warm geworden – Klimaveränderungen heute

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Die Temperaturen in der Polarregion steigen sogar noch schneller als im Rest der Welt. Die Eisbedeckung des Meers der Arktis ist innerhalb von 30 Jahren um über 50 Prozent zurückgegangen (Abbildung 2.2). Neben den Eismassen der Arktis schmelzen auch viele Gletscher rasend schnell ab. Der größte Gletscher der Welt, der Bering-Gletscher in der Arktis Kanadas, ist während des letzten Jahrhunderts um mehr als 10 Kilometer ge-schrumpft. Von den Gebirgsgletschern in den Ostalpen ist bereits heute nur noch weniger als die Hälfte der Masse aus dem Jahr 1850 übrig.

2.1.2 Naturkatastrophen kommen häufiger

Mit den globalen Temperaturen nehmen auch die Wetterextreme zu. Größere Temperatur-unterschiede verursachen heftigere Stürme, stärkere Regenfälle sowie häufigere Hoch-wasser und Überschwemmungen. Die Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft be-obachtet schon seit langem besorgt die Zunahme großer Naturkatastrophen und Schäden. Sie muss nämlich im Schadensfall für einen Teil der versicherten Schäden aufkommen. Die volkswirtschaftlichen und auch die versicherten Schäden sind seit den 1950er-Jahren stark gestiegen, wie Abbildung 2.3 zeigt. Dabei umfasst die Grafik nur große Katastrophen. Kleinere lokale und mittlere Ereignisse sind hierin nicht enthalten. Der Anstieg hat zwei Ursachen: Durch den zunehmenden Wohlstand auf der Erde existieren einerseits im Fall einer Naturkatastrophe mehr Werte, die zerstört werden können. Andererseits haben aber auch Häufigkeit und Intensität von Naturkatastrophen stark zugenommen.

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Gesamtschädendavon versicherte Schäden(in Werten von 2010)

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Abbildung 2.3 Gesamtschäden und versicherte Schäden durch große Naturkatastrophen weltweit. Daten: Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft [Mün13]

Alleine der Hurrikan Katrina, der im Jahr 2005 die US-amerikanische Stadt New Orleans verwüstete, richtete Schäden in einer Höhe von rund 125 Milliarden US-Dollar an und kostete 1300 Menschen das Leben (s. auch Abbildung 2.4).

2 Klima vor dem Kollaps?

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Abbildung 2.4 Schäden durch Hurrikans in den USA. Fotos: Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft

Beispiele großer Naturkatastrophen

Winter 1990: Die Orkane Daria, Herta, Vivian und Wiebke töten 272 Menschen in Europa und richten Schäden von 12,8 Milliarden Euro an.

29.04.1991: Eine Sturmflut als Folge des tropischen Zyklons Gorky erfasst Bangladesh. 138 000 Menschen sterben. Die materiellen Schäden sind mit 3 Milliarden Euro in dem armen Land vergleichsweise gering.

26.12.1999: Orkan Lothar verwüstet große Gebiete in Europa. 110 Menschen sterben. Die Schäden betragen 11,5 Milliarden Euro.

August 2002: Ungewöhnlich starke Regenfälle mit bis zu 400 Litern pro Quadratmeter sorgen für heftige Überschwemmungen in Deutschland und einigen Nachbarländern. In Europa verlieren 230 Menschen ihr Leben und es gibt Schäden von 18,5 Milliarden Euro.

August 2003: Die größte Hitzewelle in Europa seit Beginn der Klimaaufzeichnungen for-dert 70 000 Menschenleben und verursacht Schäden in der Höhe von 13 Milliarden Euro.

August 2005: Hurrikan Katrina wütet in den USA und zerstört die Stadt New Orleans. 1322 Menschen sterben. Der bislang teuerste Sturm aller Zeiten verursacht Schäden von 125 Milliarden US-Dollar (rund 95 Milliarden Euro).

18. Januar 2007: Der Orkan Kyrill fegt über Europa hinweg. Die Deutsche Bahn stellte erstmals in der Geschichte den kompletten Zugverkehr in Deutschland ein.

Sommer 2010: Pakistan kämpft wochenlang mit den schlimmsten Überschwemmungen in seiner Geschichte. Ein Fünftel des Landes versinkt in den Fluten. 6 Millionen Menschen werden obdachlos. Es gibt 1760 Todesopfer und Schäden in Höhe von 7 Milliarden Euro.

Oktober 2010: Eine ungewöhnliche Dürre in Ostafrika versuracht dramatische Ernteaus-fälle. Rund 260 000 Menschen verhungern.

Oktober 2012: Hurrikan Sandy verwüstet Teile der Karibik sowie der US-Ostküste und trifft auch New York hart. Insgesamt sterben 253 Menschen. Die Schäden betragen 66 Milliarden US-Dollar (rund 50 Milliarden Euro).

Juni 2013: Elf Jahre nach der Jahrhundertflut von 2002 sorgen schon wieder extreme Nie-derschläge für massive Überschwemmungen und Rekordwasserstände in Deutschland, Österreich und Tschechien. Es gibt erneut Todesopfer und Milliardenschäden.

2.2 Schuldiger gesucht – Gründe für den Klimawandel

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Auch in Deutschland haben die Extremereignisse zugenommen. Beispiele in jüngster Zeit waren im Jahr 2005/2006 der mildeste Winter seit Beginn der Klimaaufzeichnungen oder der Rekordhitzesommer im Jahr 2003. Durch große Hitzewellen sinken die Ernteerträge. Wegen der enormen Belastungen für den Körper und den Kreislauf steigt auch die Sterbe-rate an. Im Sommer 2003 sind in Europa infolge der großen Hitze rund 70 000 Menschen mehr gestorben als in einem normalen Jahr. Schätzungsweise 7000 Hitzetote waren es al-lein in Deutschland. Während momentan die finanziellen Schäden durch Naturkatastrophen zumindest in Deutschland noch überschaubar sind, rechnet man mit einem deutlichen Anstieg bis zum Ende des Jahrhunderts. Bei einer ungebremsten globalen Erwärmung um 4,5 Grad Celsius errechnete das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung DIW Gesamtkosten des Klima-wandels alleine für Deutschland von rund 3000 Milliarden Euro bis zum Jahr 2100 [Kem07].

2.2 Schuldiger gesucht – Gründe für den Klimawandel

2.2.1 Der Treibhauseffekt

Ohne den schützenden Einfluss der Atmosphäre würden auf der Erde Temperaturen von etwa −18 Grad Celsius herrschen. Wir säßen dann auf einem Eisplaneten.

Abbildung 2.5 Veränderungen der Sonnenaktivität sind nur für einen kleinen Bruchteil der globalen Erwärmung verantwortlich. Bild: NASA

Verschiedene natürliche Spurengase in der Atmosphäre, wie Wasserdampf, Kohlendioxid oder Ozon verhindern, dass die Erde sämtliche eintreffende Sonnenenergie wieder ins

2 Klima vor dem Kollaps?

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Weltall abgibt. Einen Teil strahlen diese Gase wie in einem Treibhaus zur Erde zurück. Dieser natürliche Treibhauseffekt ist die Grundlage für das Leben auf unserer Erde. Dadurch hat sich heute eine mittlere Temperatur von etwa +15 Grad Celsius eingestellt. Bei den Spurengasen in der Atmosphäre hat sich in den letzten Jahrtausenden ein Gleich-gewicht gebildet, welches das Leben in der Form, wie wir es heute kennen, erst ermöglich-te. Gründe für den beobachteten Klimawandel wurden bereits viele diskutiert. Lange Zeit haben Skeptiker den Klimawandel an sich in Frage gestellt. Nachdem heute niemand mehr wirklich ernsthaft behaupten kann, dass es nicht wärmer geworden ist, versuchen einige nun die Schuld auf natürliche Effekte zu schieben: Beispielsweise auf die Sonnenaktivität. Sie war in den vergangenen Jahrzehnten vermutlich größer als in allen 8000 Jahren zuvor. Nachweislich hat sich tatsächlich die Strahlungsmenge, die die Erde erreicht, leicht erhöht. Wissenschaftler schließen aber aus, dass dies eine so starke Erwärmung verursachen kann. Bestenfalls ein Zehntel der beobachteten Temperaturzunahme geht auf die gestiegene Son-nenaktivität zurück. Die plausibelste Ursache für die Erwärmung ist, dass sich durch menschliche Einflüsse die Anteile von Spurengasen signifikant verändert haben. Die Konzentration an Gasen, die nachweislich eine globale Erwärmung bewirken, hat in den letzten Jahrzehnten stark zuge-nommen. Der Mensch verursacht also eine Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts. Dieser vom Menschen hervorgerufene Treibhauseffekt heißt auch anthropogener Treib-hauseffekt (Abbildung 2.8). Sehr neu ist diese Theorie allerdings nicht.

Atmen wir das Klima kaputt?

Beim Ausatmen enthält die Atemluft rund 4 Prozent an Kohlendioxid – etwa hun-dertmal mehr als beim Einatmen. Pro Jahr pustet jeder damit rund 350 Kilogramm

an Kohlendioxid in die Atmosphäre. Wenn wir ein Lagerfeuer entzünden und dabei Holz ver-brennen, setzen wir damit ebenfalls Kohlendioxid frei. Pflanzen, Tiere und Menschen sind je-doch in einem biogeochemischen Kreislauf eingebunden. Der Mensch nimmt Kohlenhydrate zu sich und atmet Sauerstoff ein. Beide Stoffe setzt er in Kohlendioxid um, das er wieder ausatmet.

Pflanzen binden wiederum dieses Kohlendioxid und liefern unsere Kohlenhydrate. Kohlen-hydrate sind organische Verbindungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff und werden in Pflanzen durch Photosynthese aufgebaut. Getreide und Nudeln bestehen zum Beispiel zu 75 Prozent aus Kohlenhydraten. Der Weizen in der italienischen Spaghettinudel hat vielleicht sogar das Kohlendioxid in Kohlenhydrate umgewandelt, das wir im letzten Urlaub ausgeatmet haben.

Wenn eine Pflanze verbrennt, verrottet oder eben als Kohlenhydratlieferant endet, entsteht dabei genauso viel Kohlendioxid wie diese zuvor aus der Luft entnommen hat. Die natürlichen Kreis-läufe sind also CO2-neutral und verursachen keinen Anstieg der Konzentration. Das gilt aber nicht für die Urlaubsfahrt nach Italien und den Transport der Spaghettinudel nach Deutschland.

2.2.2 Hauptverdächtiger Kohlendioxid

Bereits im Jahr 1896 rechnete der schwedische Wissenschaftler und Nobelpreisträger Svante Arrhenius erstmals vor, dass eine Verdoppelung des Kohlendioxidgehalts (CO2) der

2.2 Schuldiger gesucht – Gründe für den Klimawandel

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Atmosphäre zu einer Temperaturerhöhung um 4 bis 6 Grad Celsius führen würde [Arr96]. Ein Zusammenhang der beobachteten Klimaerwärmung mit dem Kohlendioxidanstieg in Folge der Industrialisierung wurde in den 1930er-Jahren bereits diskutiert. Er war aber sei-nerzeit noch nicht eindeutig zu belegen. Erst gegen Ende der 1950er-Jahre gelang der Nachweis, dass die Kohlendioxidkonzentra-tion in der Atmosphäre ansteigt [Rah04]. Heute gilt als weitgehend bewiesen, dass die Zunah-me der Kohlendioxidkonzentration die Hauptursache für die beobachtete Erwärmung ist. Der Anstieg der Kohlendioxidkonzentration resultiert hauptsächlich aus der Nutzung fos-siler Energien. Verbrennen wir fossile Energieträger, ist dies chemisch gesehen eine Oxi-dation. Bei dieser Reaktion wird Wärme frei. Wir nutzen also den Effekt, dass bei der Ver-bindung des Kohlenstoffs von Erdöl, Erdgas oder Kohle mit dem Sauerstoff aus der Luft Wärme entsteht. Als Abfallprodukt erhalten wir dabei Kohlendioxid, und das in enorm großen Mengen: derzeit jährlich über 30 Milliarden Tonnen. Jeder einzelne Einwohner der Erde erzeugt pro Jahr im Durchschnitt gut 4000 Kilogramm. Das entsprechende Kohlendi-oxid füllt einen Würfel mit einer Seitenlänge von 13 Metern oder rund 2 Millionen Ein-literflaschen. Die Emissionen in den einzelnen Ländern sind dabei genau wie der Energieverbrauch höchst unterschiedlich (Tabelle 2.1). Während beispielsweise ein Mosambikaner gerade einmal 100 Kilogramm, also eine zehntel Tonne CO2 pro Jahr auf die Waage bringt, fallen in China bereits gut 5 Tonnen pro Kopf an. In Deutschland sind es mehr als 9 Tonnen, in den USA rund 17 Tonnen. Würde man das Kohlendioxid, das die Deutschen pro Jahr erzeugen, über den Boden der gesamten Landesfläche verteilen, würde jeder Deutsche einen Meter tief im CO2 versinken. Das Kohlendioxid Mosambiks über die Landesfläche von Mosambik verteilt würde den Boden hingegen nicht einmal einen Millimeter hoch be-decken.

Tabelle 2.1 Die zehn Länder der Erde mit den höchsten energiebedingten Kohlendioxidemissionen. Stand: Jahr 2010. Daten: IEA [IEA12]

Land Mio. t CO2

Mio. Einw.

t CO2/ Einw.

Land Mio. t CO2

Mio. Einw.

t CO2/ Einw.

1. China 7 270 1 338 5,43 6. Deutschland 762 82 9,32

2. USA 5 369 310 17,31 7. Südkorea 563 49 11,52

3. Indien 1 616 1 171 1,39 8. Kanada 537 34 15,73

4. Russland 1 581 142 11,16 9. Iran 509 74 6,88

5. Japan 1 143 127 8,97 10. Großbritannien 484 62 7,78

Welt 30 326 6 825 4,44 133. Mosambik 3 23 0,11

Dabei können wir noch gar nicht so lange mit absoluter Sicherheit sagen, dass sich der An-teil von Kohlendioxid in der Atmosphäre jährlich vergrößert. Erst seit dem Jahr 1958 misst das Observatorium Mauna Loa auf der Pazifikinsel Hawaii kontinuierlich die Kohlen-

2 Klima vor dem Kollaps?

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dioxidkonzentrationen. Damals betrug die Konzentration 315,2 ppm, im Jahr darauf 315,8 ppm. Die Einheit ppm bedeutet dabei „parts per million“. Auf eine Million Teile Luft kamen also gerade einmal 315 Teile Kohlendioxid. Der kleine Anstieg im ersten Jahr hätte auch durch Messfehler oder natürliche Schwankungen verursacht werden können. Erst als in den Folgejahren die Werte stetig stiegen, war klar, dass der Anteil an Kohlen-dioxid zunimmt – und das mit wachsender Geschwindigkeit. Im Jahr 2012 stieg die CO2-Konzentration bereits auf 394 ppm und riss 2013 zeitweise die 400-ppm-Marke. Doch selbst die enormen Kohlendioxidemissionen bei der Verbrennung fossiler Energie-träger sind im Vergleich zur riesigen Atmosphäre verschwindend gering. Außerdem wird ein Teil des Kohlendioxids von den Meeren und Pflanzen wieder absorbiert. Es stellt sich also die Frage, inwieweit unsere Emissionen überhaupt die Zusammensetzung der Atmo-sphäre verändern können. Wenn wir bei der Nutzung fossiler Energieträger Stickstoff anstelle von Kohlendioxid erzeugen würden, wäre dies mit Sicherheit kein großes Problem. Denn unsere Luft besteht zu rund 78 Prozent aus Stickstoff, 21 Prozent aus Sauerstoff, aber nur zu einem Prozent aus anderen Gasen, von denen Kohlendioxid wiederum nur einen kleinen Teil ausmacht. Die Zusammensetzung der Luft war im Verlauf der Erdgeschichte keineswegs konstant. Aber über die letzten Jahrtausende hatte sich ein Gleichgewicht von weniger als 300 ppm eingestellt. Der Anteil von Kohlendioxid an der Atmosphäre war also geringer als 0,03 Prozent. Das ist aber auch der Grund, warum wir überhaupt relevante Veränderungen verursachen können. Kleine Mengen lassen sich nämlich vergleichsweise einfach erhöhen.

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2-Kon

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Abbildung 2.6 Entwicklung der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre über die letzten 400 000 Jahre und in jüngerer Vergangenheit. Daten: CDIAC, http://cdiac.ornl.gov

Um die Klimageschichte der letzten Jahrtausende untersuchen zu können, musste man sich einer anderen Idee bedienen. Die polaren und alpinen Eisschilde der Erde haben die Klimageschichte der Erde gespeichert. In den Regionen mit ewigem Eis gibt es jedes Jahr

2.2 Schuldiger gesucht – Gründe für den Klimawandel

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Neuschnee auf die Eisflächen. Zwischen den Schneekristallen befindet sich dabei auch jede Menge Luft. Die jährlich hinzukommenden Schneemassen erhöhen den Druck auf den Altschnee und pressen ihn schließlich zu reinem Eis. Die Luft entweicht dabei jedoch nicht völlig, sondern bleibt in kleinen Bläschen im Eis eingeschlossen. Diese lassen sich heute mit moderner Analysetechnik untersuchen. Die Ablagerung von Schnee und das Entstehen von Eis wiederholen sich jährlich mit einer für die Wissenschaft erfreulichen Regelmäßig-keit. Man muss also nur ein Loch in das Eis bohren und Eis aus der Tiefe holen. Somit hat man einen Zeitzeugen der Vergangenheit. Je tiefer man kommt, desto länger kann man in die Geschichte zurückblicken. Verschiedene Bohrkernuntersuchungen zeigten übereinstimmend, dass die Kohlendioxid-konzentration vor der Industrialisierung gerade einmal bei etwa 280 ppm gelegen hatte (Abbildung 2.6). Auch die These, dass hohe Kohlendioxidkonzentrationen ein wieder-kehrendes Phänomen seien, ließ sich widerlegen. Denn die Untersuchungen zeigten, dass der Kohlendioxidanteil in der Atmosphäre heute höher ist als zu irgendeinem Zeitpunkt der vergangenen 650 000 Jahre [IPC07]. Nachdem der Anstieg der Kohlendioxidemissionen endgültig bewiesen war, entwickelte man Klimamodelle, die den Zusammenhang zwischen Verbrennung fossiler Energieträger und der CO2-Zunahme ermöglichten. Andere Quellen als die vom Menschen verursachten Emissionen kamen für einen derartigen Anstieg nicht in Frage. Die Modelle zeigen, dass sich die CO2-Konzentration je nach Entwicklung des zukünftigen Verbrauchs an Kohle, Erdöl und Ergas sogar mehr als verdoppeln kann.

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issi

onen

Mt °C

Temperatur

CO2-Emissionen

Abbildung 2.7 Verlauf der energiebedingten CO2-Emissionen und der globalen Temperatur-änderung seit dem Jahr 1860 im Vergleich zum Mittelwert von 1951 bis 1980

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Register

A Ablasshandel 87 Absorber 161, 198

Beschichtung 166 Schwimmbad 164 selektiv 166

Absorptionswärmepumpe 281 Adsorptionswärmepumpe 281 alkalische Elektrolyse 327 Archimedes 193 arktische Eisbedeckung 44 Atombombe 23 Atomkraft 22, 99, 106 Atomkraftwerk 23 Auftriebsprinzip 220 Aufwindkraftwerk 201 Auslegung

Holzpelletslagerraum 314 Photovoltaik 142 Scheitholzkessel 312 solare Heizungsunterstützung 182 solare Trinkwassererwärmung 180 Solarkraftwerke 204 Solarthermieanlagen 179 Wärmepumpe 283 Wasserkraftwerke 256 Windkraft 233

Ausrichtung Solaranlage 146 Autarkie 139, 149

B BAFA 186, 316 Bahn 79 Barrel 19 Batterie 134, 140, 222 Batteriekapazität 144

Be- und Entlüftung 77 Beaufort-Windskala 218 Berechnung

Batteriekapazität 144 Größe des Erdwärmekollektors 283 Holzpelletslagerraumgröße 314 Kollektorgröße 181 Kollektorwirkungsgrad 163 Leistung des Windes 217 Leistungszahl der Wärmepumpe 279 Photovoltaikanlagenertrag 147 Photovoltaikleistung 145 PV-Leistung für Inselnetzsysteme 143 Scheitholzkesselleistung 312 Solarkraftwerksertrag 205 Speichergröße 181 Wasserkraftwerksleistung 257 Windkraftjahresertrag 234

Betz’scher Leistungsbeiwert 219 BHKW 101 Biodiesel 307 Bioethanol 308 Biogas 311 Biogasanlage 311 Biomasse 292

Entstehung 293 Heizungen 296 Heizwerke 304 Kraftwerke 304 Märkte 320 Nutzung in Deutschland 321 Ökologie 317 Ökonomie 315 Potenziale 295 Treibstoffe 306, 319

Bioöl 307 Biotreibstoffe 306, 319 Blockheizkraftwerke 101 Bohrturm 267

Register

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Bohrung Tiefengeothermie 266 Wärmepumpe 285

Braunkohlekraftwerk Jänschwalde 94 Braunkohletagebau 95 Brennstoffzelle 333, 361 Brennstoffzellenstacks 335 Bruttoinlandsprodukt 102 BtL-Kraftstoffe 310 Bypassdioden 131

C C4-Pflanzen 295 Clean Development Mechanism 88 COP 279

D Dämmung 76 Dampfreformierung 327 direkt-normale Bestrahlungsstärke 205 Dish-Stirling-Kraftwerk 200 DNI 205 Dreiliterhaus 75, 341 Dünnschicht-Photovoltaikmodul 131

E EEG 89 EE-Gas 324 Eigentümer erneuerbarer Energien 120 Eigenverbrauch 139, 149 Eisbedeckung 44 Eiszeit 42 Elektroauto 350 Elektroherd 68 Elektrolyse 327 Emissionshandel 88 Endenergie 30, 67 Endenergieverbrauch 69

Verkehr 79 Energie 14, 28, 67 Energie-Effizienz-Klasse 72 Energiekonzerne 92, 119 Energiepolitik 119 Energiereserven 39 Energiesparen 66 Energiesparlampen 71, 87 Energiespartipps 73, 80 Energiewende 91 EnEV 75 Erdgas 20, 316 Erdgasspeicher 20, 331 Erdkern 264 Erdöl 17, 35, 316 Erdölbarrel 19

Erdölpreise 41 Erdölreserven 38 Erdwärmekollektor 283 Erneuerbare-Energien-Gesetz 89

Biomassekraftwerke 317 geothermische Kraftwerke 273 Wasserkraft 259 Windkraft 236

F FCKW 53, 55, 288 Fenster 76 Festmeter 298 Fischtreppe 259 FKW 53, 55, 65, 288 Flachkollektor 165 Flatcon-Technologie 203 Flüssigwasserstoff 330 fossile Energieträger 16 Fotovoltaik siehe PhotovoltaikFracking 37 Francis-Turbine 248 Fresnelkollektor 193 Fukushima 24

G Gasherd 68 Geothermie 263

HDR-Kraftwerk 271 Heizwerk 268 Kraftwerk 269 Märkte 275 Ökologie 274 Ökonomie 273Wärmepumpe 277

geothermischer Tiefengradient 265 Gezeitenkraftwerke 254 globale Zirkulation 215 Goldisthal 253 Golfstrom 56, 60 Grönlandeis 56, 58 grüner Strom 69 GuD-Kraftwerke 101, 197

H Hadley-Zelle 215 Halbleiter 124 Harrisburg 24 Häufigkeitsverteilung 234 Haushaltsstrompreise 117 HDR 267 Heizkosteneinsparungen 74 Heizwert von Holz 300 Helios 357

Register

375

Herstellung Biodiesel 308 Bioethanol 308 BtL-Kraftstoffe 310 RME 308 Solarzellen 128

HFKW 288 Hohlspiegel 193 Holz 296 Holzbriketts 297 Holzfeuchte 299 Holzpellets 297

Heizung 302, 313 Norm 298 Preise 316

Holzständerbauweise 76 Hot Dry Rock 267, 271 Hurrikan Katrina 45, 46 Hybridkraftwerk 361

I IPCC 57

J Jahresarbeitszahl 279 Jahresdauerlinie 257 Joint Implementation 87

K Kalina-Prozess 270 Kalkar 25 Kältemaschine 281 Kältemittel 280, 288 Kamin, Kaminofen 301 Kammersysteme 254 Kaplan-Turbine 247 Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle 335 Kavernenspeicher 332 Kernenergie 22, 100, 106 Kernenergieausstieg 100 Kernfusion 25 KfW-40-Haus 75 KfW-60-Haus 75 Kleinwindkraftanlagen 226 Klimaschutz 60, 65 Klimaveränderungen 42 Klimawandel 56 Knallgasreaktion 323 Kohlendioxid 48, 53, 98, 327

Abtrennung 98 Bilanz 82 Konzentration 50 Sequestrierung 97

Kohlendioxidemissionen

Deutschland 62 Heizung 83 Kraftwerk Jänschwalde 95 Kraftwerk Neurath 96 Länder der Erde 49 Nahrungsmittel 84 Papierverbrauch 85 Spritverbrauch 80 Verkehr 79 Wasserstoffherstellung 337

kohlendioxidfreie Kraftwerke 98 Kollektor 161, 164, 193 Kollektorgröße 181 Kollektorwirkungsgrad 163 Kombikraftwerk 113 Kompressionswärmepumpe 280 kontrollierte Be- und Entlüftung 77 konventionelle Vorkommen 35 Konzentration von Solarstrahlung 192 Konzentrator 193 Konzentratorzellen 203 konzentrierende Photovoltaik 202 Kraftstoffertrag je Hektar 319 Kraft-Wärme-Kopplung 101 Kraftwerk

Atom 23, 99 Aufwind 201 Biomasse 304 Blockheiz 101 Braunkohle 94 Dish-Stirling 200 Geothermie 269 Gezeiten 254 HDR 271 Jänschwalde 94 kohlendioxidfreies 98 Kombi 113 konzentrierende Photovoltaik 202Laufwasser 249 Meeresströmung 255 Neurath 96 ORC 269 Parabolrinnen 194 Photovoltaik 132 Pumpspeicher 252 SEGS 196 Solarturm 198 Speicherwasser 251 Wellen 254 Wind 213

Kurzschlussstrom 127 Kværner-Verfahren 327 KWK 101 Kyoto-Protokoll 63

Register

376

L Lachgas 53 Laufwasserkraftwerke 249 Leerlaufspannung 127 Leistung 14 Leistungsbeiwert 219 Leistungszahl 279 Leitungen 115 LH2 330 Linienkonzentrator 193 Lithosphäre 265 Luftkollektor 166 Luftreceiver 198

M Manhattan-Projekt 23 Märkte

Biomasse 320 Geothermie 275 Photovoltaik 156 Solarkraftwerke 209 Solarthermieanlagen 187 Wärmepumpe 290 Wasserkraft 260 Wasserstoff 338 Windkraft 239

Maximum Power Point 127 Meeresspiegelanstieg 43, 56, 57 Meeresströmungskraftwerke 255 Mehrwertsteuer 154 Methan 53, 324

Speicherung 330 Methanisierung 328 Modulpreisentwicklung 158 monokristallines Silizium 129 MPP 127

N Naturkatastrophen 45, 46 Neigungsgewinne 146 Netze 115 Netzparität 153 nicht-konventionelle Vorkommen 35, 36 Niedrigenergiehaus 75 Nullemissionsfabrik 347 Nullheizkostenhaus 345 Nutzenergie 30, 67

O offener Kamin 300 Offshore-Windkraft 229 Ökologie

Biomasse 317 Geothermie 274

Photovoltaik 155 Solarkraftwerke 208 Solarthermieanlagen 186 Wärmepumpe 288 Wasserkraft 259 Wasserstoffherstellung 337 Windkraft 238

Ökonomie Biomasse 315 geothermische Anlagen 273 Photovoltaik 150 Solarkraftwerke 207 Solarthermieanlagen 185 Wärmepumpe 286 Wasserkraft 258 Wasserstoff 336 Windkraft 235

Ölkrise 18 Ölparität 153 Ölpreise 41, 316 Ölsande 36 OPEC 18, 40 ORC-Kraftwerk 269 Orkan Kyrill 46 Oxidation, partielle 327 oxidkeramische Brennstoffzelle 335 oxygene Photosynthese 293 Ozon 53, 54

Ozonloch 54, 55 Ozonschicht 54

P Parabolrinnenkraftwerk 194 partielle Oxidation 327 Passatwind 215 Passivhaus 75 Pelton-Turbine 248 PEM-Brennstoffzelle 334 Performance Ratio 147 petrothermale Geothermie 271 Photosynthese 293 Photovoltaik 122

Autarkiegrad 139, 149 Dünnschichtmodul 131 Eigenverbrauchsanteil 139, 149 Funktionsweise 123 Heizungsunterstützung 142 Inselnetzanlagen 132 Konzentratorzellen 203 Märkte 156 Modul 130 Modulpreisentwicklung 158 Netzanschluss 138 netzgekoppelte Anlagen 135 netzgekoppeltes Batteriesystem 140

Register

377

Ökologie 155 Ökonomie 150 optimale Ausrichtung 146 Wirkungsgrad 126

Planung Biomasseheizung 315 geothermische Anlagen 272 Photovoltaik 142 Photovoltaikanlage 150, 155 Scheitholzkessel 312 solare Heizungsunterstützung 182 solare Trinkwassererwärmung 180 Solarkraftwerke 204 Solarthermieanlagen 179 Wärmepumpe 283, 286 Wasserkraftwerke 256 Windkraft 233

Plugin-Hybridfahrzeug 350 Plusenergiehaus-Siedlung 343 Plusenergie-Solarhaus 342 polykristalline Solarzellen 129 Porenspeicher 331 Power-to-Gas-Technologie 324 PR 147 Primärenergie 30, 67 Primärenergiebedarf

Biomasseanteil 320 Energieträger 31 Entwicklung weltweit 27 Klimaschutzszenario 106 Pro-Kopf 29, 102 Transportsektor 112 Wärmeversorgung 110

Pro-Kopf-Primärenergiebedarf 29, 102 Pumpspeicherkraftwerke 252 Punktkonzentrator 194 PV siehe Photovoltaik PVC 164

R Rapsöl-Methylester 308 Raummeter 298 Receiver 198 Reduktionsziele 60 regenerative Stromversorgung 108, 109, 113 regenerative Wärmeversorgung 111 regenerativer Stromimport 107, 212 regeneratives Energieangebot 104 Reserven 35 Ressourcen 35 Rinnenkraftwerk 194 RME 308 Rohöleinheit 364 Rohr-Turbine 247

Rotorblatt 220 Rundholz 297

S Schäden durch Naturkatastrophen 45 Scheitholz 297 Scheitholzkessel 301, 312 schneller Brutreaktor 24 Schüttraummeter 298 Schwerkraftsystem 170 Schwimmbadabsorber 164 Schwimmbaderwärmung 178 Schwimmersysteme 254 Segelschifffahrt 354 SEGS-Kraftwerke 196 selektive Beschichtung 166 selektiver Absorber 166 Silizium 128 SoDa-Energie 31 solar beheiztes Mehrfamilienhaus 344 Solar Impulse 357 Solarabsorber 161 Solarauto 352 solare Chemie 203 solare Deckungsrate 180, 183 solare Direktverdampfung 197 solare Heizungsunterstützung 173, 182 solare Nahwärmeversorgung 176 solare Schwimmbaderwärmung 178 solare Strahlungsenergie

Deutschland 145 Welt 204

solare Trinkwassererwärmung 172, 180 solares Kühlen 176 Solarfähre 355 Solarflugzeug 356 Solargas 324 Solarkocher 179 Solarkollektor 161, 164 Solarkraftwerke 191

Aufwindkraftwerke 201 Dish-Stirling-Kraftwerk 200 konzentrierende Photovoltaik 202 Märkte 209 Ökologie 208 Ökonomie 207 Parabolrinnenkraftwerk 194 Photovoltaik 135 Planung 204 Solarturmkraftwerk 198

Solarküche 358 Solarmobil 351 Solarstrahlungsarten 205 Solarstromimport 107, 212 Solartankstelle 353

Register

378

Solarthermieanlagen 160, 194 Auslegung 179 Heizungsunterstützung 173 Kraftwerke 191 Märkte 187 Ökologie 186 Ökonomie 185 Planung 179 Trinkwassererwärmung 172

Solarturmkraftwerk 198 Solarzelle

Aufbau 125 Funktionsweise 123 Herstellung 128 Wirkungsgrad 126

Sonnenaktivität 47 Sonnenenergie 104 Sonnenofen 192, 203 Sonnenschiff 346 Speicher

Batterie 134, 140, 222 Erdgas 115, 331 Heizwasser 142, 173 Holzpellets 313 Kavernen 332 Methan 330 Parabolrinnenkraftwerk 195 Poren 331 Pufferspeicher 312 Pumpspeicher 252 Speicherwasser 251 Trinkwasser 142, 172, 173, 181 Wasserstoff 329 zentraler Wärmespeicher 176

Speichergröße 181 Speicherwasserkraftwerke 251 Stadtgas 324 Standardtestbedingungen 127 Standby-Verluste 70 STC 127 Steinkohleeinheit 364 Stirling-Motor 200 Stratosphäre 54 Stromerzeugung 119

Deutschland 93 Stromerzeugungskosten

Photovoltaik 152 Windkraft 237

Stromimport 107, 212 Strompreise 117 Strömungsverlauf, Windkraftanlage 219 Stromverbrauch 72, 108 Stromversorgung 109, 115

T tektonische Platten 265 Temperaturänderung 43, 51, 56 Thermosiphonanlage 171 Tiefenbohrung 266 Tiefengeothermie siehe Geothermie Tiefengradient 265 Tiefentemperaturen 266 Transport 78 Transportsektor 111 Treibhauseffekt 47 Treibhausgase 53, 55 Treibhauspotenziale

Kältemittel 288 Treibhausgase 53

Trinkwassererwärmung 172, 180 Tschernobyl 24 Turbine

Bulb 247 Francis 248 Kaplan 247 Ossberger 249 Pelton 248 Rohr 247

Turmkraftwerk 198

U Übertragungsnetz 116 Umsatzsteuer 154 Untertagespeicher 331 Uranvorkommen 39 U-Wert 77

V Vakuumdämmstoffe 76 Vakuum-Flachkollektor 168 Vakuum-Röhrenkollektor 167 Vakuumverglasungen 76 Verkehr 111 Verkehrssektor 78 Verteilnetz 116 volumetrischer Receiver 198

W Wafer 129 Wärmepumpe 277

Absorption 281 Adsorption 281 Funktionsprinzip 280 Kältemittel 280 Kompression 280 Leistungszahl 279 Märkte 290 Ökologie 288

Register

379

Ökonomie 286 Wärmequellen 278

Wärmequellen für Wärmepumpen 278 Wärmerohr 168 Wärmestrahlung 166 Wärmetauscher 168 Wärmeverluste 76 Wärmeversorgung 110, 111 Warmzeit 42 Wasserkochen 68Wasserkraft 243

Gezeitenkraftwerke 254 Laufwasserkraftwerke 249 Märkte 260 Meeresströmungskraftwerke 255 Ökologie 259 Ökonomie 258 Pumpspeicherkraftwerke 252 Speicherwasserkraftwerke 251 Turbinen 246 Wellenkraftwerke 254

Wasserkreislauf der Erde 244 Wasserstoff 325

Ökologie 337 Ökonomie 336 Speicherung 329

Wasserturbinen 246 Wellenkraftwerke 254 Weltbevölkerung 103 Widerstandsprinzip 219 Wind 215 Windgas 324 Windgeschwindigkeit 216, 234

Windgeschwindigkeitsrekorde 218 Wind-Inselsystem 222 Windkraft 213

Anlagenaufbau 224 Auftriebsprinzip 220 Auslegung 233 Märkte 239 netzgekoppelte Anlagen 223 Offshore 229 Ökologie 238 Ökonomie 235 Planung 233 Windlader 221

Windlader 221 Windpark 228 Wirkungsgrad

Biomassekraftwerk 306 Biomassewachstum 294 Brennstoffzelle 335 Dampfturbinenprozess 197 Kamine und Kaminöfen 300 Kollektor 163 Methanisierung 329offener Kamin 300 ORC-Kraftwerk 270 Photovoltaik 126 Scheitholzkessel 301

World Solar Challenge 352

Z Zugdrachen 355