Anwendungstechnische Technologien der erneuerbaren Energien

Windenergie

Die Windenergie oder Windkraft ist eine erneuerbare Energiequelle. Dabei wird die kinetische Energie von Wind, also bewegten Luftmassen der Atmosphäre, technisch genutzt. Die Windenergie wird seit dem Altertum genutzt, um Energie aus der Umwelt für technische Zwecke verfügbar zu machen. Während sie in der Vergangenheit vor allem mit Windmühlen oder Segelschiffen genutzt wurde, ist heute die Stromerzeugung mit Windkraftanlagen die mit großem Abstand wichtigste Form der Windenergienutzung. Weitere moderne Nutzungsformen sind in der zumeist nichtkommerziellen Segelschifffahrt zu finden.

Ende 2015 waren weltweit Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 432,4 GW installiert, davon 175 GW in Asien, 147 GW in Europa und 101 GW in Amerika. Die mehr als 200.000 Windkraftanlagen mit zusammen 282 GW Nennleistung, die Ende 2012 installiert waren, konnten mit rund 580 TWh jährlicher Produktion rechnerisch nahezu den kompletten deutschen Strombedarf von 594,5 TWh bzw. mehr als 3 % des weltweiten Strombedarfs decken. Auf guten Standorten ist mittlerweile die Wettbewerbsfähigkeit mit konventionellen Wärmekraftwerken gegeben.

Wasserkraft

Wasserkraft (auch: Hydroenergie) ist eine regenerative Energiequelle. Der Begriff bezeichnet die Umsetzung potenzieller oder kinetischer Energie des Wassers mittels einer Wasserkraftmaschine in mechanische Arbeit.

Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts wurde Wasserkraft hauptsächlich in Mühlen genutzt. Heute wird fast immer elektrischer Strom mit Hilfe von Generatoren erzeugt. Mit einem Anteil von 15,58 % an der weltweiten Stromerzeugung war Wasserkraft 2011 nach der Verstromung von Kohle und Erdgas und vor der Kernenergie die drittbedeutendste Form der Stromproduktion.

Sonnenenergie

Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die Energie der Sonnenstrahlung, die in Form von elektrischem Strom, Wärme oder chemischer Energie technisch genutzt werden kann. Sonnenstrahlung ist dabei die elektromagnetische Strahlung, die auf der Sonnenoberfläche wegen ihrer Temperatur von ca. 5500 °C als Schwarzkörperstrahlung entsteht, was letztlich auf Kernfusionsprozessen im Sonneninneren (dem Wasserstoffbrennen) zurückgeht.

Die Sonnenenergie lässt sich sowohl direkt (z. B. mit Photovoltaikanlagen oder Sonnenkollektoren) als auch indirekt (z. B. mittels Wasserkraftwerken, Windkraftanlagen und in Form von Biomasse) nutzen. Die Nutzung der Solarenergie ist ein Beispiel für eine moderne Backstop-Technologie.

Geothermie

Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen Energien. Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung), als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung.

Geothermie bezeichnet sowohl die geowissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation als auch die ingenieurtechnische Nutzung der Erdwärme.

Die bei ihrer Entstehung glutflüssige Erde ist innerhalb weniger Millionen Jahre erstarrt. Seit über vier Milliarden Jahren ist der radiale Temperaturverlauf im Erdmantel nur wenig steiler als die Adiabate. Dieser Temperaturgradient ist mit etwa 1 K/km viel zu klein, als dass Wärmeleitung einen wesentlichen Beitrag zum Wärmetransport leisten könnte. Vielmehr treibt der über die Adiabate hinausgehende Betrag des Temperaturgradienten die Mantelkonvektion an. Die im Vergleich zum Erdalter sehr rasche Konvektion – die ozeanische Kruste wurde und wird selten älter als 100 Millionen Jahre – wäre ohne Wärmequellen bald zum Erliegen gekommen. Das heißt, dass fühlbare Wärme aus der Zeit der Entstehung der Erde am heutigen Wärmestrom kaum beteiligt ist.

Der zeitliche Temperaturverlauf war zunächst von der Kinetik des radioaktiven Zerfalls dominiert. Kurzlebige Nuklide sorgten für ein Maximum der Manteltemperatur im mittleren Archaikum. Seit früher Zeit trägt auch Kristallisationswärme von der Grenze des langsam wachsenden, festen inneren Erdkerns und gravitative Bindungsenergie aus der damit verbundenen Schrumpfung des ganzen Kerns zur Mantelkonvektion bei.

Heute stammt immer noch der größere Teil der Wärmeleistung aus dem radioaktiven Zerfall der langlebigeren Nuklide im Mantel, 235U und 238U, 232Th und 40K. Der Beitrag jedes Nuklids wird berechnet aus der Zerfallsenergie und der Zerfallsrate; diese wiederum aus der Halbwertszeit und der Konzentration. Konzentrationen im Mantel sind der Messung nicht zugänglich, sondern werden aus Modellen der Gesteinsbildung geschätzt. Es ergibt sich eine Leistung aus radioaktivem Zerfall von etwa 20 bis 30 Terawatt oder 40 bis 50 kW/km2. Der gesamte Erwärmestrom aus radioaktiven Zerfallsprozessen beträgt etwa 900 EJ pro Jahr. Dies entspricht wiederum einer Leistung von etwa 27,5 Terawatt für die gesamte Erde. Seit kurzem werden Zerfallsraten mittels Neutrinodetektoren auch direkt gemessen, in Übereinstimmung mit dem bekannten Ergebnis, allerdings noch sehr ungenau, ±40 %.

Biomasse

Als Biomasse wird die Stoffmasse von Lebewesen oder deren Körperteile bezeichnet. Als Menge dieser Stoffgemische gilt ihre Masse (Einheit: Kilogramm). In der Ökologie wird die Biomasse häufig nur für ausgesuchte, räumlich klar umrissene Ökosysteme oder nur für bestimmte, einzelne Populationen erfasst. Gelegentlich gibt es zudem Versuche, die Biomasse der gesamten Ökosphäre abzuschätzen. In der Ökologie existiert kein einheitlicher Biomasse-Begriff. In der Energietechnik bezieht sich der Begriff nur auf energetisch nutzbare Biomasse.

Biokraftstoff

Biokraftstoffe (auch Biotreibstoffe, Agrotreibstoffe) sind eine Form der Biomasse. Es handelt sich um flüssige oder gasförmige Kraftstoffe, die aus Biomasse hergestellt werden. Sie kommen für den Betrieb von Verbrennungsmotoren in mobilen und stationären Anwendungen zum Einsatz. Ausgangsstoffe der Biokraftstoffe sind nachwachsende Rohstoffe wie Ölpflanzen, Getreide, Zuckerrüben oder -rohr, Wald- und Restholz, Holz aus Schnellwuchsplantagen, spezielle Energiepflanzen und tierische Abfälle. Das Präfix Bio weist hier nicht auf eine Herkunft aus ökologischer Landwirtschaft hin, sondern auf den pflanzlichen (biologischen) Ursprung. Die Klimaneutralität und ökologische Vorteilhaftigkeit von Biokraftstoffen ist umstritten.

Meeresenergie

Unter dem Begriff Meeresenergie werden verschiedene Formen von mechanischer, thermischer und physikalisch-chemischer Energie zusammengefasst, die in den Wassermassen der Weltmeere enthalten sind. Ihre technische Ausnutzung für die Energiegewinnung steckt noch in den Anfängen, doch könnte die Meeresenergie – entsprechenden technischen Fortschritt vorausgesetzt – in Zukunft einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung der Menschheit leisten.

Technologien zur Nutzung der Meeresenergie umfassen: Gezeitenkraftwerke, Meeresströmungskraftwerke, Meereswärmekraftwerke, Osmosekraftwerke, Wellenenergie und Wellenkraftwerk.

Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (in der Regel ist das die Umgebung) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur (Raumheizung) überträgt. Der verwendete Prozess ist im Prinzip die Umkehrung eines Wärme-Kraft-Prozesses, bei dem Wärmeenergie mit hoher Temperatur aufgenommen und teilweise in mechanische Nutzarbeit umgewandelt und die Restenergie bei niedrigerer Temperatur als Abwärme abgeführt wird, meist an die Umgebung. Das Prinzip der Wärmepumpe verwendet man auch zum Kühlen (so beim Kühlschrank), während der Begriff „Wärmepumpe“ nur für das Heizaggregat verwendet wird. Beim Kühlprozess ist die Nutzenergie die aus dem zu kühlenden Raum aufgenommene Wärme, die zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung abgeführt wird.