1. Einleitung
1.1 Aktualität der Thematik
1.2 Anteil der Haushalte am Netto-Stromverbrauch
1.3 Anstieg des Energieverbrauchs in privaten Haushalten
1.4 Motive zur Einsparung elektrischer Energie
1.4.1 Ökologische Motive
1.4.2 Ökonomische Motive
1.4.3 Ethisch-theologische Motive
1.5 Ziele der Arbeit
2. Definitionen
2.1 Physikalische Begriffe
2.1.1 Energie und elektrische Energie
2.1.2 Strom, Spannung und Leistung
2.2 Technische Begriffe
2.2.1 Primär- und Sekundärenergie
2.2.2 End- und Nutzenergie
2.2.3 Wirkungs- und Nutzungsgrad
3. Alternativen und Ergänzungen in der Energieversorgung
3.1 Erschöpfbare Energieträger
3.1.1 Fossile Brennstoffe
3.1.1.1 Technische Einsetzbarkeit
3.1.1.2 Wirtschaftlichkeit
3.1.1.3 Umweltverträglichkeit
3.1.2 Nukleare Brennstoffe
3.1.2.1 Technische Einsetzbarkeit
3.1.2.2 Wirtschaftlichkeit
3.1.2.3 Umweltverträglichkeit
3.2 Regenerative Energien
3.2.1 Sonnenenergie
3.2.1.1 Technische Einsetzbarkeit
3.2.1.2 Wirtschaftlichkeit
3.2.1.3 Umweltverträglichkeit
3.2.2 Windenergie
3.2.2.1 Technische Einsetzbarkeit
3.2.2.2 Wirtschaftlichkeit
3.2.2.3 Umweltverträglichkeit
3.2.3 Wasserkraft
3.2.3.1 Technische Einsetzbarkeit
3.2.3.2 Wirtschaftlichkeit
3.2.3.3 Umweltverträglichkeit
3.2.4 Erdwärme
3.2.4.1 Technische Einsetzbarkeit
3.2.4.2 Wirtschaftlichkeit
3.2.4.3 Umweltverträglichkeit
3.2.5 Biomasse
3.2.5.1 Technische Einsetzbarkeit
3.2.5.2 Wirtschaftlichkeit
3.2.5.3 Umweltverträglichkeit
3.3 Technologien
3.3.1 Wärmepumpen
3.3.1.1 Technische Einsetzbarkeit
3.3.1.2 Wirtschaftlichkeit
3.3.1.3 Umweltverträglichkeit
3.3.2 Wärmerückgewinnung
3.3.2.1 Technische Einsetzbarkeit
3.3.2.2 Wirtschaftlichkeit
3.3.2.3 Umweltverträglichkeit
3.3.3 Kraft-Wärme-Kopplung
3.3.3.1 Technische Einsetzbarkeit
3.3.3.2 Wirtschaftlichkeit
3.3.3.3 Umweltverträglichkeit
3.3.4 Energiegewinnung aus Müll und Deponiegas
3.3.4.1 Technische Einsetzbarkeit
3.3.4.2 Wirtschaftlichkeit
3.3.4.3 Umweltverträglichkeit
4. Energielabel
5. Energiedienstleistungen und Einsparmöglichkeiten
5.1 Beleuchtung
5.1.1 Technische Beschreibung
5.1.1.1 Lichttechnische Größen
5.1.1.2 Lampenarten
5.1.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten
5.1.2.1 Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs
5.1.2.2 Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung
5.2 Kühlen und Gefrieren
5.2.1 Technische Beschreibung
5.2.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten
5.2.2.1 Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des Geräteverbrauchs
5.2.2.2 Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung
5.3 Spülen, Waschen und Trocknen
5.3.1 Technische Beschreibung
5.3.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten
5.3.2.1 Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des Geräteverbrauchs
5.3.2.2 Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung
5.4 Kochen und Backen
5.4.1 Technische Beschreibung
5.4.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten
5.4.2.1 Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs
5.4.2.2 Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung
5.5 Stand-by-Betrieb und andere Leerlaufformen
5.5.1 Technische Beschreibung
5.5.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten
5.5.2.1 Technische Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs
5.5.2.2 Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung
5.6 Heizen
5.6.1 Technische Beschreibung
5.6.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten
5.6.2.1 Technische und bauphysikalische Möglichkeiten zur Einsparung von Heizenergie
5.6.2.2 Einsparmöglichkeiten durch Verhalten
5.7 Warmwasserbereitung
5.7.1 Technische Beschreibung
5.7.2 Analyse der Einsparmöglichkeiten
5.7.2.1 Technische Möglichkeiten zur Verringerung des Strombedarfs bei der Warmwasserversorgung
5.7.2.2 Einsparmöglichkeiten bei der Nutzung
6. Thematisierung im Technikunterricht
6.1 Didaktische Überlegungen
6.1.1 Schülerbezug
6.1.2 Lehrplanbezug
6.2 Überlegungen zu Einstiegsmöglichkeiten
6.2.1 Schätzung des Energieverbrauchs
6.2.2 Zeitungsartikel zur Klimaveränderung
6.2.3 Wandel der Energiedienstleistungen
6.3 Ideenimpulse für den Unterricht
6.3.1 Messungen
6.3.2 Rollenspiel
6.3.3 Ausstellung
6.3.4 Erkundung
6.3.5 Thementag
6.4 Experimente zum rationellen Einsatz elektrischer Energie
6.4.1 Untersuchung und Vergleich der Wirkungsgrade von Leuchtdiodenlampe und Halogenlampe
6.4.2 Untersuchung und Vergleich des Stromverbrauchs von Kochplatte und Eierkochgerät
6.5 Unterrichtsbeispiel zu Leerlaufverlusten
6.5.1 Voraussetzungen bei den Schülerinnen und Schülern
6.5.1.1 Entwicklungspsychologische Situation
6.5.1.2 Vorkenntnisse
6.5.2 Äußere Voraussetzungen
6.5.3 Lernziele
6.5.3.1 Richtziel
6.5.3.2 Grobziele
6.5.3.3 Feinziele
6.5.4 Artikulation
6.5.5 Sozial- und Aktionsformen
6.5.6 Medien und Materialien
6.5.7 Unterrichtsprinzipien
6.5.8 Geplanter Unterrichtsverlauf
7. Schlusswort
8. Liste der verwendeten Formelzeichen und Einheiten
9. Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen
10. Literatur- und Medienverzeichnis
11. Anhang: Arbeitsblätter
Die Begrenztheit der nicht regenerativen, besonders der fossilen, Energieressourcen – verbunden mit dem steigenden Weltenergiebedarf[1] und der sich als bedrohlich erweisenden Umweltbelastung durch die Gewinnung bzw. den Einsatz von Energie – stellt die Menschheit vor erhebliche Probleme.
Spätestens seit der Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung im Juni 1992 in Rio de Janeiro ist das Schlagwort Nachhaltigkeit im Sinne einer zukunftsfähigen Entwicklung allgemein bekannt[2] ; es bedeutet nach der Definition der Vereinten Nationen „den Bedürfnissen der heutigen Generation zu entsprechen, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen".[3] Im Kyoto-Protokoll von 1997 wurden von der internationalen Staatengemeinschaft erstmals verbindliche Zielwerte für den Ausstoß von Treibhausgasen festgelegt.[4] Die globale Klimaerwärmung, welche hauptsächlich durch CO2-Emissionen (Kohlenstoffdioxid-Emissionen) bei der Energieerzeugung verursacht wird[5], machte das Thema Energieeffizienz zum Gegenstand aktueller politischer Diskussion. Im März 2007 erklärte die Chefin des Bundesverbandes der deutschen Verbraucherzentralen gegenüber der Berliner Zeitung, dass ein Verzicht auf den Stand-by-Betrieb zwei Atomkraftwerke überflüssig machen würde.[6] Aus einem Antrag von Abgeordneten der Fraktion BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN an den 16. Deutschen Bundestag vom 21.03.2007 geht die Forderung hervor, sich für ein europaweites Verbot von ineffizienten Stand-by-Schaltungen an Geräten auszusprechen.[7] Daneben kündigte die Regierung in Australien im Februar 2007 das Verbot von herkömmlichen Glühlampen, deren Lichtausbeute im Verhältnis zur Wärmestrahlung relativ gering ist, für 2010 an.[8] Durch steigende Strompreise wird das Thema Energiesparen nicht nur populär, sondern auch wirtschaftlich interessant und rentabel. So planen die deutschen Energieversorger RWE und E.ON einem Bericht der Berliner Zeitung vom 19.09.2007 zufolge zum Januar 2008 eine Strompreiserhöhung um bis zu 10 Prozent.[9] Vor diesem Hintergrund ist es durchaus angebracht, sich mit Maßnahmen zur Einsparung elektrischer Energie zu beschäftigen.
Der Begriff Stromverbrauch wird umgangssprachlich vielfach verwendet; tatsächlich wird aus physikalischer Sicht aber kein Strom verbraucht, sondern lediglich elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt.[10] Da der Ausdruck aber im Sprachgebrauch allgemein üblich ist, wird er auch in dieser Arbeit verwendet.
Im Jahr 2005 betrug der Netto-Stromverbrauch (vom Verbraucher genutzte elektrische Arbeit nach Abzug des Eigenbedarfs der Kraftwerke und der Übertragungs- bzw. Netzverluste[11] ) in Deutschland 536,8 Milliarden Kilowattstunden. Wie in der nach Angaben des VDEW (Verband der Elektrizitätswirtschaft) erstellten Abbildung 1 zu sehen ist, entfiel dabei etwa ein Viertel auf die rund 39 Millionen Haushalte, welche 141,8 Milliarden Kilowattstunden elektrische Energie bezogen.[12]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Anteil der Kundengruppen am Netto-Stromverbrauch in Deutschland im Jahr 2005
Da der Anteil der Haushalte am Netto-Stromverbrauch relativ groß ist, können Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz bei dieser Kundengruppe insgesamt eine große Wirkung erzielen. Wird der Stromverbrauch gesenkt, so muss auch weniger Energie bereitgestellt und bezahlt werden.
Einer Presse-Information des Umweltbundesamtes zufolge ist der Energieverbrauch deutscher Haushalte im Bereich Wohnen von 1995 bis 2005 um 3,5 Prozent gestiegen.[13] Dass der Verbrauch an elektrischer Energie deutlich zugenommen hat, ist aus der nach Angaben der Verbraucherinitiative erstellten Abbildung 2 ersichtlich.[14]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Netto-Stromverbrauch der privaten Haushalte von 1991 bis 2005
Ein Grund für den steigenden Stromverbrauch ist die wachsende Ausstattung der Haushalte mit Elektrogeräten, die zum Teil aufwändiger und leistungsstärker sind.[15] Beispielsweise verbrauchen Plasma-Fernsehgeräte einer im August 2006 von BUND (Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland) durchgeführten Analyse zufolge drei bis fünfmal so viel Strom wie herkömmliche Röhren-Fernsehgeräte.[16] Hohe Umwandlungsverluste treten auch bei strombetriebenen Speicherheizungen und Wärmepumpen auf.[17] Daneben sind Elektrogeräte, die im Dauerbetrieb gehalten werden, in Deutschland für Leerlaufverluste von rund 14 Milliarden Kilowattstunden im Jahr verantwortlich; dadurch werden in Privathaushalten zusammen zusätzliche Stromkosten von mehr als 2,5 Milliarden Euro pro Jahr verursacht. Hinzu kommt noch, dass viele Haushalte mit Geräten ausgestattet sind, die nach heutigen Maßstäben meistens einen viel zu hohen Stromverbrauch haben. Beispielsweise benötigen alte Kühlgeräte nicht selten das Doppelte an elektrischer Energie gegenüber effizienteren Neugeräten.[18] Auch der Trend zu Ein- und Zwei-Personen-Haushalten[19] spielt bei der Zunahme des Stromverbrauchs eine wichtige Rolle. Der Energieverbrauch pro Haushaltsmitglied ist in einem Single-Haushalt nahezu doppelt so hoch wie in einem Drei- und Mehr-Personen-Haushalt.[20]
Im Folgenden wird auf Motive zur Einsparung elektrischer Energie eingegangen, die sich im Zusammenhang mit energietechnischen und energiewirtschaftlichen Interessen ergeben. Dabei wurde eine Einteilung nach ökologischen, ökonomischen und ethisch-theologischen Motiven vorgenommen.
Ökologische Motive zum Einsparen elektrischer Energie betreffen die Umwelt: Während bei der Atomenergie zusätzlich das Risiko einer Freisetzung radioaktiver Stoffe gegeben ist, sind bei der Gewinnung von Primärenergieträgern wie Kohle, Öl und Gas immer tiefere Eingriffe in die Natur notwendig, da die Weltvorräte endlich sind. Die Tier- und Pflanzenwelt wird durch Schadstoff-Emissionen, Abwärme, Emissionen klimarelevanter Gase sowie großflächige Landschaftsveränderungen von Energieumwandlungen beeinflusst. In ihrem Ausmaß können mögliche Schäden - neben Schadstoffrückhaltung und der Nutzung von alternativen Energien - durch Reduzierung des Energieverbrauchs begrenzt werden.[21]
Im Gegensatz zu den ökologischen Motiven betreffen ökonomische Motive die Wirtschaft: Die Förderung der heimischen Steinkohle ist auf Subventionen angewiesen.[22] Mit Ausnahme von Braunkohle besteht für erschöpfbare Energieträger in Deutschland eine große Importabhängigkeit.[23] Die Volkswirtschaft wird von Störungen auf dem Weltmarkt stark beeinträchtigt. Energiekosten belasten, neben der gesamten Volkswirtschaft, auch jeden einzelnen Verbraucher. Durch verminderten Energiebedarf können Kosten gesenkt werden, was zu einer finanziellen Entlastung führt. Darüber hinaus erhöht die Entwicklung und Einführung neuer, energiesparender Technologien die nationale wie die internationale Konkurrenzfähigkeit. Damit ist ein Innovationsvorsprung eine Investition in die Zukunft.[24]
Neben ökologischen und ökonomischen Aspekten soll an dieser Stelle noch kurz auf ethisch-theologische Motive eingegangen werden, welche die Moral und die Religion betreffen: Die belebte und unbelebte Natur wird von Rohstoffgewinnung und Energieumwandlung beeinflusst. Ebenso wie menschliches Leben verdienen auch tierisches und pflanzliches Leben Wertschätzung, Achtung und Schutz. Selbst wenn unmittelbare Nachteile nicht voraussehbar sind, sollten Eingriffe in den Haushalt der Natur nur im Sinne einer vorausschauenden Gefahrenabschätzung und möglichst sparsam und begrenzt vorgenommen werden.[25]
Elektrischer Strom wird zur Erbringung von Energiedienstleistungen eingesetzt – im privaten Haushalt unter anderem zum Waschen, Spülen und Trocknen, Kochen, Kühlen und Gefrieren, zum Beleuchten, sowie zum Erwärmen von Brauchwasser und Wohnräumen. Derselbe Nutzen kann je nach Technologie und Verbraucherverhalten mit viel oder wenig Energie erreicht werden. Die vorliegende Arbeit soll Maßnahmen aufzeigen, durch die in verschiedenen Bereichen der privaten Haushalte elektrische Energie eingespart werden kann und erläutern, wie diese im Technikunterricht an Allgemeinbildenden Schulen thematisiert werden können. Da private Haushalte teilweise auch durch Nutzung von Alternativen und Ergänzungen in der Energieversorgung den Anteil an elektrischer Energie, der aus öffentlichen Versorgungsnetzen bezogen werden muss, reduzieren können, wird auch auf diese kurz eingegangen. Vorab ist eine Klärung der Begriffe erforderlich, die in dieser Arbeit in Verbindung mit elektrischer Energie gebraucht werden.
In diesem Kapitel erfolgt eine Definition grundlegender Begriffe aus den Bereichen Physik und Technik, die im Zusammenhang mit Energie verwendet werden und für das Thema der Arbeit relevant sind.
Die folgenden physikalischen Begriffe umfassen etwa das Niveau des neunten und zehnten Schuljahres im Bildungsgang Hauptschulabschluss.
Energie ist allgemein die Fähigkeit oder Kraft, eine Wirkung hervorzubringen.[26] Sie entspricht dem Produkt aus Leistung und Zeit. Eine Erscheinungsform ist die elektrische Energie, bei der elektrische Ladungen fließen.[27] In der Energiewirtschaft wird sie in Kilowattstunden (kWh) angegeben. Eine Kilowattstunde entspricht 1000 Wattstunden (Wh); das ist beispielsweise die Energiemenge, die benötigt wird, um 30 Liter Wasser für ein Duschbad auf 37 °C zu erwärmen.[28] Energie kann in andere Energieformen, wie mechanische Energie und Wärme, umgewandelt werden.[29] Alle Energieumwandlungen bedingen Verluste an nutzbarer Energie.[30]
Die gerichtete Bewegung der elektrischen Ladungsträger wird als elektrischer Strom bezeichnet.[31] Der Leiterquerschnitt begrenzt die Stromstärke (I), die in Ampere (A) angegeben wird.[32] Sie gibt die Anzahl der Elektronen an, die einen bestimmten Punkt des Leiters in einer Sekunde passieren.[33] In deutschen Haushaltsstromkreisen ist eine maximale Stromstärke von 10 bzw. 16 A üblich.[34] Die elektrische Spannung (U) ist die treibende Kraft, welche die Ladungsbewegung verursacht.[35] Sie wird in Volt (V) angegeben und liegt in den europaweiten Stromnetzen bei 230 V. Das Produkt aus Spannung und Stromstärke ist die elektrische Leistung (P), die in Watt (W) angegeben wird.
Ein Wechselstrom, der durch eine Spule fließt, erfährt eine Verzögerung gegenüber der Spannung; als Spulen anzusehen sind auch Motoren und Transformatoren. Die dadurch entstehende Phasenverschiebung hat eine Leistungsverschlechterung zur Folge, die mit dem Leistungsfaktor cos φ angegeben wird. Letztlich ergibt sich also die tatsächliche Leistung (P) aus dem Produkt von Spannung (U), Stromstärke (A) und cos φ.[36]
Im Folgenden sollen noch einige technische Begriffe aus der Energiewirtschaft geklärt werden.
Primärenergie ist der Energieinhalt von Energieträgern, die noch keiner Umwandlung unterworfen wurden. Im Gegensatz dazu bezeichnet der Begriff Sekundärenergie den Energiegehalt von jenen Energieträgern, die aus der Umwandlung von Primärenergieträgern oder aus anderen Sekundärenergieträgern gewonnen wurde und welche dem Verbraucher zur Umwandlung in Nutzenergie zur Verfügung steht.[37]
Nutz- und Endenergie ist die technische Form der Energie, welche der Verbraucher letztendlich benötigt, um eine Dienstleistung durchführen zu können; beispielsweise erfolgt Heizen durch Wärme, Transportieren durch mechanische Energie und Beleuchten durch Licht.[38]
Der Wirkungsgrad ist definiert als Quotient der Nutzleistung zur aufgebrachten Gesamtleistung.[39] Er ist ein Maß für die Energieeffizienz und den notwendigen Ressourceneinsatz.[40] Als Nutzungsgrad wird der Quotient aus der in einem bestimmten Zeitraum nutzbar abgegebenen Energie und der gesamten zugeführten Energie bezeichnet. Die betrachteten Zeiträume können dabei Pausen-, Leerlauf-, Anfahr- und Abfahrzeiten mit einschließen.[41]
Elektrische Energie kann – neben technischen Möglichkeiten und Verhaltensänderungen, die in dieser Arbeit noch ausführlich beschrieben werden – durch Nutzung von Alternativen und Ergänzungen in der Energieversorgung eingespart werden. Dies ist in privaten Haushalten nur bedingt möglich, da einerseits dort bestimmte Energiedienstleistungen ausschließlich mit elektrischer Energie erbracht werden und andererseits die Investitionskosten zur Nutzung alternativer Energien zum Teil relativ hoch sind.
Energie kann auf verschiedenen Wegen bereitgestellt werden. Der Begriff Energieträger bezeichnet die Stoffe und physikalischen Erscheinungsformen der Energie, aus denen direkt oder durch eine oder mehrere Umwandlungen Nutzenergie gewonnen werden kann.[42] Dazu zählen einerseits als erschöpfbare Energieträger fossile und nukleare Brennstoffe und andererseits die regenerativen Energien auf die im Folgenden jeweils näher eingegangen wird. Sie werden kurz hinsichtlich ihrer technischen Einsetzbarkeit, ihrer Wirtschaftlichkeit und ihrer Umweltverträglichkeit bei der Energieversorgung privater Haushalte charakterisiert. Ebenso werden auch verschiedene Technologien zur Versorgung mit Energie dargestellt.
Erschöpfbare Energieträger lassen sich in fossile und nukleare Brennstoffe unterteilen.
Zu den fossilen Brennstoffen gehören Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas. Sie sind aus Biomasse entstanden, die - durch Sedimentschichten von der Atmosphäre abgeschlossen - nicht verrotten konnte und so ihre chemische Energie erhielt.[43]
Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas können in privaten Haushalten zum Heizen eingesetzt werden. Zur Stromgewinnung sind fossile Brennstoffe – mit Ausnahme der Nutzung von Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung[44] – im Normalfall nur durch Verbrennung in Kraftwerken nutzbar. Über Fernwärmeleitungen können private Haushalte zusätzlich mit Wärmeenergie versorgt werden.[45]
Allen fossilen Energieträgern ist gemeinsam, dass sie nur in begrenztem Maß vorhanden sind. Heimische Steinkohle ist verglichen mit Importkohle sehr teuer und muss beträchtlich subventioniert werden, um konkurrenzfähig zu bleiben.[46] Bei Erdöl und Erdgas besteht eine große Importabhängigkeit.[47] Der steigende Erdölverbrauch führt zu Preissteigerungen und Versorgungsengpässen.[48] Auch Erdgas ist durch Kopplung an die Ölpreisentwicklung von Preisschwankungen betroffen.[49] Es kann zur Wärmegewinnung in privaten Haushalten insbesondere in Kombination mit regenerativen Energien sinnvoll eingesetzt werden.[50]
Neben dem Transport ist insbesondere die Verbrennung fossiler Energieträger mit hohen C02- und – mit Ausnahme von Erdgas – auch mit hohen Schadstoff-Emissionen verbunden.[51] Der Abbau von Kohle verursacht vor allem im Tagebau Umweltschäden. Neben Tankerunglücken führt auch die Gewinnung von Erdöl zu enormen Umweltbelastungen.[52]
Zu den nuklearen Brennstoffen gehören Uran, Plutonium und Thorium.[53]
Uran, Plutonium und Thorium werden zur Energiegewinnung in Atomkraftwerken kontrolliert eingesetzt. Die durch Kernspaltung freigesetzte Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.[54] Nukleare Brennstoffe ermöglichen eine Versorgung der privaten Haushalte mit elektrischer Energie nur auf indirektem Weg, d.h. sie muss aus öffentlichen Versorgungsnetzen bezogen werden.[55]
Im Vergleich zu Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas ist die Reichweite der Kernenergie nur dann größer, wenn die Nutzung über den sogenannten Schnellen Brüter erfolgen würde.[56] Bei Kernkraft ergibt sich ein großer Teil des Strompreises aus den hohen Kosten zum Bau eines Kernkraftwerkes. Da die Brennstoffkosten nur einen geringen Anteil an den Gesamtkosten haben, machen sich Schwankungen des Uranpreises – anders als bei den fossilen Energieträgern – kaum bemerkbar.[57] Radioaktive Abfälle stellen ein Gefahrenpotential dar und müssen aufwändig konditioniert und entsorgt werden. Das geringe, aber dennoch vorhandene Risiko einer teilweisen oder gänzlichen Freisetzung der in kerntechnischen Anlagen vorhandenen Aktivitätspotentiale ist gegenüber dem Nutzen dieser Form der Energiegewinnung abzuwägen.[58]
Bei der Gewinnung und Aufbereitung des Brennstoffs sowie bei dessen Transport und Entsorgung treten – im Verhältnis zur umgesetzten Energiemenge – gegenüber den fossilen Brennstoffen nur geringe Mengen an CO2-Emissionen auf.[59] Allerdings entstehen bei dieser Form der Energiegewinnung radioaktive Abfälle.[60] Zudem geben kerntechnische Anlagen mit der Abluft und mit dem Abwasser radioaktive Stoffe an die Umwelt ab, deren ionisierende Strahlen schädliche Wirkung für Lebewesen haben können.[61] Schädigungen des Trägers der Erbinformation von Zellen durch hohe ionisierende Strahlung im Falle eines Reaktorunfalls sind erwiesen.[62]
Regenerative Energien sind nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich.[63] In Deutschland hatten Sonnenenergie, Windenergie, Wasserkraft, Erdwärme und Energie aus Biomasse im Jahr 2006 zusammen einen Anteil von etwa 11 Prozent am Netto-Stromverbrauch.[64] Das Gesetz für den Vorrang
erneuerbarer Energien (Kurztitel: Erneuerbare-Energien-Gesetz), das von der Bundesregierung im Jahr 2004 erlassen wurde, verpflichtet Versorgungsunternehmen die elektrische Energie aus erneuerbaren Energien ins Stromnetz einzuspeisen und zu einem garantierten Preis pro Kilowattstunde abzukaufen, obwohl sie konventionell billiger produzieren könnten.[65]
Alles Leben auf der Erde hängt letztlich von der Energie der Sonne ab. Die durch sie täglich zugeführte Energiemenge ist vieltausendfach größer als die gesamte Menschheit jährlich an Energie verbraucht.[66]
Die Energie aus der Strahlung der Sonne kann durch Sonnenzellen (Photovoltaik), die an Wohngebäuden angebracht werden können, in elektrische Energie umgewandelt werden. Über Sonnenkollektoren (Solarthermie) ist auch eine direkte Nutzung der Sonnenenergie zum Heizen bzw. zur Brauchwassererwärmung möglich.[67] Solarthermische Kraftwerke können private Haushalte auf indirektem Weg mit elektrischer Energie versorgen.[68]
Die Nutzung der Sonnenenergie ist unabhängig von Brennstoffen und deren Preisentwicklung; es ergeben sich ausschließlich Investitions- und Wartungskosten.[69] Das Angebot an Sonnenenergie ist allerdings an das Tageslicht gebunden und daher schwankend; zusätzlich ist steuerbare Reserveenergie erforderlich.[70] Die Tageszeit- und Wetterschwankungen lassen sich bei der Solarwärmenutzung mittlerweile durch Wärmespeichertechniken weitgehend ausgleichen. Eine langfristige Speicherung von Wärme vom Sommer zum Winter ist trotz der thermischen Verluste technisch möglich, scheitert zur Zeit aber an der Wirtschaftlichkeit, da dazu die Brennstoffpreise nicht hoch genug sind.[71]
Der Betrieb von Anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie ist CO2- und schadstofffrei.[72]
Als Windenergie wird die Bewegungsenergie von Luftmassen bezeichnet.[73]
Die Bewegungsenergie von Luftmassen kann durch Windkraftwerke in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese wird ins öffentliche Versorgungsnetz eingespeist.[74] Windenergie ermöglicht eine Versorgung der privaten Haushalte mit elektrischer Energie im Normalfall nur auf indirektem Weg.
Da das Windangebot unstetig ist, sind Wettervorhersagen für die Kraftwerkseinsatzplanung unerlässlich. Probleme entstehen, wenn eine angekündigte Windwetterlage verspätet oder überhaupt nicht eintrifft. Wird der Wind zu stark, so gehen Windkraftwerke in Stillstand. Andere Kraftwerke müssen die Einspeiseleistung der Windkraftwerke übernehmen können und stets bereit sein. Der Strompreis ist abhängig vom Standort des Windkraftwerks.[75] Die Windenergie ist aber unabhängig von Brennstoffen und deren Preisentwicklung; es ergeben sich fast ausschließlich nur Investitionskosten für die Anlagen.[76]
Bei der Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie werden weder Schadstoffe noch Kohlendioxid freigesetzt.[77] Allerdings strahlen Windkraftwerke im Betrieb schädlichen Infraschall ab und beeinträchtigen möglicherweise Flugwege von Vögeln.[78] Je nach Standort können sie durch ihre auffällige Bauart eine ästhetische und durch Lichtreflexe eine optische Umweltverschmutzung bewirken.[79]
Wasserkraft ist die Bewegungsenergie des Wassers.[80]
Die Bewegungsenergie des Wassers kann durch Wasserkraftwerke in elektrische Energie umgewandelt werden.[81] Im Normalfall ermöglicht Wasserkraft nur auf indirektem Weg eine Versorgung der privaten Haushalte mit elektrischer Energie.
Wasserkraft ist von der gewinnbaren Menge her stark begrenzt; die Möglichkeiten in Deutschland sind weitgehend ausgereizt. Wasserkraftwerke sind standortabhängig und können je nach Bauart flächenintensiv sein, aber die elektrische Energie ist bei Bedarf abrufbar. Trotz hoher Investitionskosten gehören Wasserkraftwerke wegen geringen Betriebskosten zu den kostengünstigsten Stromerzeugungsmöglichkeiten.[82]
Bei der Umwandlung von Wasserkraft in elektrische Energie werden weder Schadstoffe noch Kohlendioxid freigesetzt.[83] Die Nutzung von Wasserkraft macht aber möglicherweise einen erheblichen Eingriff in teilweise sehr sensible Ökosysteme erforderlich; beispielsweise können Wasserkraftwerke für Fische unüberwindliche Hindernisse darstellen.[84]
Erdwärme (Geothermie) ist die thermisch gespeicherte Energie unterhalb der Erdoberfläche.[85]
Erdwärme kann über vertikale Erdsonden bzw. Flächenabsorber oder Grundwasser zum Heizen von Wohnräumen und zur Brauchwassererwärmung genutzt werden. Zur Stromerzeugung wäre sie in privaten Haushalten nur ab einer schwer zu erreichenden Tiefe einsetzbar.[86] Ein Erdwärmekraftwerk kann Haushalte auf indirektem Weg mit elektrischer Energie und Fernwärme versorgen.[87]
Erdwärme ist ständig verfügbar, da sie nicht von klimatischen Verhältnissen bzw. von der Jahres- oder Tageszeit abhängt. Sie ist unabhängig von Brennstoffen und deren Preisentwicklung. Allerdings sind die Investitionskosten zur Nutzung der Erdwärme sehr hoch. Bohrungen müssen genehmigt werden. Die Speicherung der Energie aus Erdwärme ist aufwändig.[88]
Die Nutzung der Erdwärme zur Energiegewinnung ist frei von CO2- und Schadstoff-Emissionen – soweit das geförderte heiße Wasser nicht gelöste Gase enthält, die freigesetzt werden. Außerdem ist die Gewinnung von Erdwärme kaum mit Beeinträchtigungen des Landschaftsbildes verbunden.[89]
Biomasse entsteht durch die Umwandlung von Energie aus der Sonnenstrahlung mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese in organische Materie.[90]
Einerseits ist es möglich, durch direkte Verbrennung von Holz und anderer Biomasse in privaten Haushalten Wärmeenergie zu gewinnen.[91] Andererseits kann Biomasse (z. B. tierische Exkremente) durch Mikroorganismen in Biogas umgewandelt werden, das ebenfalls zum Heizen von Wohnräumen oder zur Gewinnung elektrischer Energie in Kraftwerken eingesetzt wird.[92] Die Haushalte können also auf indirektem Weg mit elektrischer Energie versorgt werden.
Biomasse kann nach dem Ernten innerhalb kurzer Zeit auf natürliche Weise wieder entstehen. Sie ist unabhängig von den Zeiten der Sonneneinstrahlung. Diese Art der Energiegewinnung ist sinnvoll, wenn Abfallprodukte land- und forstwirtschaftlicher Prozesse bzw. biologisch abbaubare Siedlungsabfälle genutzt werden und so ein Beitrag zu deren Beseitigung geleistet wird.[93] Ein Einsatz speziell zur Energiegewinnung erzeugter Biomasse scheitert weitgehend am enormen Flächenbedarf. Zudem wären die ökologischen Belastungen bei der intensiven landwirtschaftlichen Nutzung problematisch.[94]
Durch den weitgehend geschlossenen CO2-Kreislauf zwischen Aufwuchs und Nutzung entlastet Biomasse als (fast) CO2-neutraler Energieträger die globale CO2-Bilanz.[95]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: Voraussichtliche Netto-Stromerzeugung in Deutschland nach
Einsatzenergieträgern
Die auf Basis der Angaben des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie und der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen erstellte Abbildung 3 zeigt, dass in Deutschland der Beitrag der regenerativen Energien zur Netto-Stromerzeugung voraussichtlich weiter ansteigen und sich bis zum Jahr 2050 mehr als verdoppelt haben wird. Ab 2030 werden in der Bundesrepublik vermutlich keine nuklearen Brennstoffe mehr eingesetzt, aber die fossilen Brennstoffe spielen weiterhin eine sehr große Rolle bei der Gewinnung elektrischer Energie.[96]
Zur Energieversorgung können neben den beschriebenen erschöpfbaren Energieträgern und regenerativen Energien noch verschiedene Technologien eingesetzt werden. Einige sind hier kurz dargestellt.
Wärmepumpen sind Energiewandler, die in Erdreich, Wasser und Luft gespeicherte Umweltwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau anheben.[97]
Wärmepumpen können mit einem Drittel eingesetzter Energie und zwei Dritteln kostenloser Wärme aus der Umgebung 100 Prozent Heizenergie bereitstellen.[98] Sie sind in privaten Haushalten zum Betreiben von Heizungen und zur Erwärmung von Wasser einsetzbar.[99]
Wärmepumpen erfordern den Einsatz erheblicher Mengen Antriebsenergie. Erfolgt die Erzeugung der Antriebsenergie mit geringem Wirkungsgrad, so kann das Gesamtsystem ineffizienter sein als der direkte Einsatz der Primärenergie.[100] Eine höhere Effizienz im Gesamtsystem kann erreicht werden, wenn die Eingangstemperatur der Wärmepumpe auf einem höheren Niveau liegt, z. B. in Kombination mit der Nutzung von Erdwärme. Wärmepumpen eignen sich in besonderer Weise für Heizsysteme mit niedrigen Systemtemperaturen.[101]
Durch erdgasbetriebene Wärmepumpen entstehen nur geringe Schadstoff-Emissionen.[102] Die Wärmepumpe ist das einzige Heizsystem, das die Abwärme in einem geschlossenen, natürlichen Kreislauf wieder zur Quelle zurückführt.[103]
Bei der Wärmerückgewinnung im Gebäudebereich wird über einen Wärmetauscher der wärmeren Abluft Energie entzogen, mit der die kalte Frischluft erwärmt wird.[104]
Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung können in privaten Haushalten beim energiesparenden Lüften unterstützen und den Primärenergieeinsatz beim Heizen reduzieren.[105]
[...]
[1] Vgl. Statistisches Bundesamt 2006, S. 370
[2] Vgl. http://www.bmu.de/nachhaltige_entwicklung/agenda_21/doc/2560.php
(16.09.2007)
[3] Vgl. http://www.learn-line.nrw.de/angebote/agenda21/info/nachhalt.htm (18.10.2007)
[4] Vgl. http://www.bmu.de/klimaschutz/internationale_klimapolitik/kyoto_protokoll/doc/
5802.php (16.09.2007)
[5] Vgl. http://www.ecopop.ch/A9NATUR/globaleerwaermung.htm (16.09.2007)
[6] Vgl. Berliner Zeitung (12.03.2007)
[7] Vgl. http://dip.bundestag.de/btd/16/047/1604760.pdf (22.08.2007)
[8] Vgl. Handelsblatt (20.02.2007)
[9] Vgl. Berliner Zeitung (19.09.2007)
[10] Vgl. Berge, O. 1997, S. 4
[11] Vgl. http://www.stadtwerke-sigmaringen.de/glossar/index.php?index=N&openword=
Nettostromverbrauch&glossardat=nettostromverbrauch.html (24.09.2007)
[12] http://www.strom.de/vdew.nsf/id/DE_Haushalte_verbrauchen_mehr_als_ein_Viertel_
des_Stroms?open&l=DE&ccm=300010 (22.09.2007)
[13] Vgl. http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/2006/pd06-070.htm (03.08.2007)
[14] Vgl. Verbraucher Initiative, Berlin 2007, S. 5
[15] Vgl. http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/2006/pd06-070.htm (03.08.2007)
[16] Vgl. http://www.bund.net/lab/reddot2/pdf/bund_studie_tv_geraete_kennzeichnung.pdf
(18.10.2007)
[17] Vgl. http://www.asue.de/veroff/haustech/image/teil_2_rz.pdf, S. 3 (30.08.2007)
[18] Vgl. http://www.energieportal24.de/fachberichte_artikel_200.htm (07.08.2007)
[19] Vgl. Statistisches Bundesamt 2006, S. 34
[20] Vgl. http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/2006/pd06-070.htm (03.08.2007)
[21] Vgl. Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 1991c
[22] Vgl. http://www.gvst.de/site/steinkohle/pdf/wirtschaftlichkeit.pdf (18.10.2007)
[23] Vgl. http://www.strom.de/vdew.nsf/id/DE_Versorgungssicherheit (18.10.2007)
[24] Vgl. Witt, J. 2005, S. 3
[25] Vgl. Witt, J. 2005, S. 3
[26] Vgl. http://www.sheldrake.org/deutsche/glossar.html
[27] Vgl. Brockhaus 1988, S. 368-369
[28] Vgl. Umweltbundesamt, Dessau 2006, S. 5
[29] Vgl. Seidel, H.-U.; Wagner, E. 1992, S. 13
[30] Vgl. Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 1991e
[31] Vgl. Kories, R.; Schmidt-Walter, H. 2000, S. 1
[32] Vgl. Humm, O.; Jehle, F. 1996, S. 25
[33] Vgl. Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 2005
[34] Vgl. Humm, O.; Jehle, F. 1996, S. 25
[35] Vgl. Kories, R.; Schmidt-Walter, H. 2000, S. 2
[36] Vgl. Humm, O.; Jehle, F. 1996, S. 26
[37] Vgl. Cube, H.-L. 1983, S.6
[38] Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 5.
[39] Kories, R.; Schmidt-Walter, H. 2000, S. 10.
[40] Vgl. http://www.verivox.de/News/lexikon.asp?display=keyword&keyword=
Wirkungsgrad (02.10.2007)
[41] Vgl. Cube, H.-L. 1983, S. 6
[42] Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 6
[43] Vgl. http://vademecum.brandenberger.eu/erkunden/umwelt.php (19.09.2007)
[44] Vgl. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch ,
2007c
[45] Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 41
[46] Vgl. http://www.gvst.de/site/steinkohle/pdf/wirtschaftlichkeit.pdf (18.10.2007)
[47] Vgl. Der Tagesspiegel (11.01.2007)
[48] Vgl. Handelsblatt (13.09.2007)
[49] Vgl. ARGE Prüfgemeinschaft 1993, S. 73
[50] Vgl. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch,
2007b, S. 10f
[51] Vgl. Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 1991c
[52] Vgl. http://www.seg-ag.de/maerkte_r.php (17.09.2007)
[53] Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 39
[54] Vgl. http://vademecum.brandenberger.eu/erkunden/umwelt.php (19.09.2007)
[55] Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 41
[56] Vgl. Cube, H.-L., 1983, S. 27
[57] Vgl. www.boell.de/downloads/oeko/mythos_atom_thomas.pdf (13.09.2007)
[58] Vgl. Michaelis, H.; Salander, C. 1995, S. 559
[59] Vgl. www.boell.de/downloads/oeko/mythos_atom_thomas.pdf (13.09.2007)
[60] Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 121
[61] Vgl. Michaelis, H.; Salander, C. 1995, S. 559
[62] Ebd. S. 574
[63] Vgl. http://vademecum.brandenberger.eu/erkunden/umwelt.php (19.09.2007)
[64] Vgl. http://www.energieverbraucher.de/index.php?itid=510&st_id=510&dictionary_
no=1 (18.10.2007)
[65] Vgl. http://www.gesetze-im-internet.de/eeg_2004/index.html (24.09.2007)
[66] Vgl. FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht 1991d
[67] Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 126
[68] Vgl. Kleemann, M.; Meliß, M. 1993, S. 123
[69] Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 35
[70] Vgl. http://www.axpo.ch/internet/axpo/de/medien/perspektiven/stromerzeugung/
photovoltaik.html (02.09.2007)
[71] Vgl. http://www.solarserver.de/lexikon/latentwaermespeicher.html (22.09.2007)
[72] Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 20
[73] Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 23
[74] Vgl. Hoffmann, V. 1990, S. 57
[75] Vgl. Heescher, H. 2004, S. 112
[76] Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 27
[77] Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 20
[78] Vgl. Buchwald, K.; Engelhardt, W. 1995, S. 62
[79] Vgl. Heescher, H. 2004, S. 114
[80] Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 30
[81] Vgl. Hoffmann, V. 1990, S. 137
[82] Vgl. Kleemann, M.; Meliß, M. 1993, S. 12
[83] Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 20
[84] Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – Referat
Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2004, S. 33
[85] Vgl. http://www.erdwaerme-waermepumpe.ch/kapitelgeothermie/begriffgeothermie/
index.html (20.09.2007)
[86] Vgl. http://www.etz-nuernberg.de/pdf/DegVorlesung/SS07_R_Erdwaerme.pdf
(20.09.2007)
[87] Vgl. Hoffmann, V. 1990, S. 98
[88] Vgl. http://www.etz-nuernberg.de/pdf/DegVorlesung/SS07_R_Erdwaerme.pdf
(20.09.2007)
[89] Ebd.
[90] Vgl. Kleemann, M.; Meliß, M. 1993, S. 190
[91] Vgl. Bundesminister für Forschung und Technologie – Öffentlichkeitsarbeit 1985, S. 44
[92] Vgl. Hoffmann, V. 1990, S. 116
[93] Vgl. Hake, J.-F.; Schultze, K. 1997, S. 54
[94] Vgl. http://gymnasium-blomberg.de/wiki/Energie/Biomasse vom 18.09.2007
[95] Vgl. Hake, J.-F.; Schultze, K. 1997, S. 49
[96] Vgl. Deutscher Bundestag, Referat Öffentlichkeitsarbeit, Berlin 2002, S. 287
[97] Vgl. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch
2007b, S. 16
[98] Vgl. Bundesamt für Konjunkturfragen 1995, Lektion 8
[99] Vgl. Kleemann, M.; Meliß, M. 1993, S. 16
[100] Vgl. Borsche, L. 1981, S. 5
[101] Vgl. Vereinigung der deutschen Zentralheizungswirtschaft, Bonn 2007, S. 4
[102] Vgl. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch
2007b, S. 16
[103] Vgl. http://ikratos.de/downloads/ikratossolarmagazin.pdf (16.09.2007)
[104] Vgl. Selk, D.; Wortmann, J. 2001, S. 5
[105] Ebd. S. 4
