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Kleine Geschichte der regenerativen Energien

Nachhaltigkeit in der Elektrizitätsversorgung

Solarzellenpanels
Der Wirkungsgrad der Solarpanele verbesserte sich in den vergangenen Jahren. (Foto: pixabay.com, PublicDomainPictures)
Die Menschheit befindet sich in einem strukturellen Wandel. Die Zeit der fossilen Brennstoffe neigt sich dem Ende; immer neue Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien erhöhen die Wirtschaftlichkeit und ökologischen Vorteile. Die Geschichte der drei großen regenerativen Energien Wind, Wasser und Sonne könnte unterschiedlicher kaum sein: Während Wind- und Wasserenergie seit Jahrhunderten genutzt werden, ist die Nutzung der Sonnenenergie auf Henri Becquerel zurückzuführen und damit ein Meilenstein der Neuzeit.

Regenerative Energie-Lösungen sind Fokuswörter einer ganzen Generation. Umweltbewusste Bürger versuchen, den Abbau von Erdgas, Erdöl und anderen fossilen Brennstoffen durch den Einsatz von Wind-, Wasser- und Sonnenenergie zu minimieren und zu entgehen. Im Bereich des Stroms funktioniert das in den vergangenen Jahren in einem rasanten Tempo. Wie das Umweltbundesamt mitteilt, stieg der Anteil regenerativer Energien von 2012 bis 2017 um fast dreizehn Prozent. Das bedeutet, dass der Stromsee von Jahr zu Jahr in einem größeren Maße mit Energie aus Wind, Wasser und Sonne geflutet wird. Das führte dazu, dass am 1. Januar 2018 der komplette Bedarf an Strom aus nicht-fossilen Energieträgern abgedeckt werden konnte. Leider bezieht sich der Wandel durch erneuerbare Energien fast ausschließlich auf das Stromnetz. In den Bereichen Wärme und Verkehr stagniert der Wert seit Jahren. Der gesamte Verkehrssektor, zu dem auch der Transport auf Schienen hinzugezählt wird, wird gerade einmal zu knapp sechs Prozent durch erneuerbare Energien versorgt. Dabei wird in diesem Bereich weniger auf Strom gesetzt und stattdessen Energie aus Trägern gewonnen, die als nicht klimaschädlich gelten. Zu diesen zählen beispielsweise Bio-Ethanol.

Windkraft als Gegengewicht zum volatilen Preis fossiler Brennstoffe

Der Trend zeigt, dass der Klimawandel in vollem Gange ist, jedoch noch einen weiten Weg vor sich hat, um die Abhängigkeit von Brennstoffen, die Kohlenstoffdioxid ausstoßen, komplett zu negieren. Betrachtet man jedoch den gesamten Weg, den Wind-, Wasser- und Sonnenenergie bereits hinter sich gebracht haben, ist der aktuelle Energiewandel nur eine kleine Fußnote in der Geschichte der regenerativen Energien. Das zeigt sich im besonderen Maße, wenn die Nutzung von Windkraft in Betracht gezogen wird. Dank Windmühlen können Historiker sehr genau feststellen, wann sich die Menschheit regional das Wissen aneignete, den Wind zur Produktion einzusetzen. Besonders alte Windmühlen finden sich im asiatischen Raum, hatten jedoch unterschiedliche Einsatzzwecke. Während in China Wasserpumpen mit der Kraft des Windes angetrieben wurden, fanden sich in Tibet Gebetsmühlen. In den persischen Bereichen der Welt kamen Windmühlen zum klassischen Mahlen von Getreide zum Einsatz. Besonders interessant ist ein Blick auf den europäischen Weg der Windenergie. Um 1150 wurden Windmühlen im heutigen Europa eingesetzt, um Wasser zu schöpfen und Getreide zu verarbeiten. Die Windmühlen hatten jedoch eine frappierende Ähnlichkeit zu heutigen Windkraftanlagen. Die horizontale Drehachse der Mühlenblätter findet sich bis heute in Generatoren wieder, die zur Erzeugung von Strom durch Windkraft eingesetzt werden.

Nach der Industriellen Revolution begann elektrischer Strom in den Häusern Einzug zu halten. Dabei wurden zunächst dezentrale Gleichstromgeneratoren eingesetzt, die besonders kostspielig waren. Um die Abhängigkeit des kostenintensiven Stroms etwas zu mindern, sollten Windmühlen vom Produktionsbetrieb auf Dynamobetrieb umgerüstet werden. Die Abhängigkeit änderte sich erst zum Ende des Stromkriegs, den Nikola Teslas Patente veränderten. Und obwohl die Vereinigten Staaten von Amerika die Elektrifizierung vorantrieben, waren es die Dänen, die die Windkraft als erste Nation flächendeckend einsetzen. Poul La Cour entwickelte im Windkanal erstmals Rotorblätter, bei denen sich die Spitzen schneller als der eintretende Wind bewegten. Die Erfolge auf dem flachen Land waren so groß, dass bereits 1908 sechs Dutzend Windkrafträder in Dänemark installiert wurden. Dennoch blieb die Erzeugung von Energie aus der Kraft des Windes eher bedeutungslos. Schuld daran waren die niedrigen Preise für fossile Brennstoffe, die in den Jahren nach dem Ersten Weltkrieg ausgerufen wurden.

In den 1970er Jahren und im Zuge der Verteuerung der fossilen Brennstoffe begann der immer stärkere Ausbau von Windrädern zur Energieerzeugung. Heutige Modelle werden nicht nur in Küstennähe, sondern auch unter der Wasseroberfläche (Offshore) installiert und arbeiten im Bereich von Megawatt. Wie bei den meisten regenerativen Energien ist die Speicherung der volatilen Windkraft die größte Herausforderung.

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Energie aus Sonnenkraft: Die kurze Geschichte des photoelektrischen Effekts

Eine wesentlich kürzere Geschichte weist die Sonnenenergie auf, die durch Alexandre Edmond Becquerel ihren initialen Antrieb erhielt. Der französische Physiker, dessen Bruder bereits mit Marie und Pierre Curie den Nobelpreis entgegennahm, entdeckte den photoelektrischen Effekt. Becquerel entdeckte, dass bestimmte Materialien auf Lichteinstrahlung reagierten und einen elektrischen Strom erzeugten. Um dies zu spezifizieren, wurden gleiche Elektroden in einen Elektrolyten getaucht. Becquerel beleuchtete im Anschluss nur eine Elektrode und stellte fest, dass zwischen diesen eine Polarisierung zu messen war. Im Weiteren stellte der Physiker fest, dass sich ultraviolettes Licht besonders gut dazu eignete, um die Spannung hervorzurufen. Diesen Effekt bezeichnete der Physiker als Photovoltaik und legte den theoretischen Grundstein für heutige Solarpanele. Zuerst fand der Effekt in der Fotografie Anwendung, bei der mit Hilfe einer photoelektrischen Zelle die Intensität des Lichts gemessen werden konnte.

Die gleichen Gründe wie bei der Windkraft verhinderten, dass die Forschung und der Ausbau der Solarpanele in dem rasanten Tempo weitergingen. Der geringe Preis für Erdöl und Erdgas gaben keine Grundlage für die Erzeugung durch Strom aus Sonnenkraft. Zusätzlich war der Wirkungsgrad ein Engpass: Erst mit der Einführung von Silizium für Solarzellen stieg dieser auf Werte an, die eine Herstellung und Installation rechtfertigen. Heute sieht das ganz anders aus. Fast jedes moderne Haus nutzt Solarzellen, um Strom zu erzeugen. Weiterhin werden Solarkollektoren verwendet, um den Heizkreislauf zu unterstützen oder warmes Wasser zu produzieren. Elon Musk stellt mit dem Tesla-Solar-Roof den nächsten Schritt der autarken Energieerzeugung vor. Statt einen Teil des Daches mit Solarpanelen zu bestücken, werden Solar-Ziegel hergestellt, die großflächig für saubere Energie sorgen. Große Batterien sorgen nicht nur dafür, dass die Energie gespeichert werden kann, sondern können bei Stromengpässen dazu eingesetzt werden, das Energienetz abzufedern.

Wasserkraft: Älteste Technologie regenerativer Energien

Was für die Windkraft gilt, gilt im stärkeren Maße für die Wasserkraft. Der Einsatz von Wasser zur Simplifizierung von körperlichen schweren Tätigkeiten fand sich bereits vor mehr als 5.000 Jahren wieder. So wurden im heutigen Ägypten Felder mit Schöpfrädern bewässert. Zur damaligen Zeit wurde die Kraft des Wassers vor allem über seine kinetische Energie genutzt. Erst mit der Einführung des oberschlächtigen Wasserrads kam das Gewicht des Wassers zum Einsatz. Die Umwandlung von kinetischer zu elektrischer Energie erfolgte durch Werner von Siemens, der Mitte des 19. Jahrhunderts den elektrodynamischen Generator erfand – Wasser konnte dadurch zu Strom transformiert werden. Wiederum waren es die Vereinigten Staaten von Amerika, die an der kanadischen Grenze (Niagara-Fälle) das erste Kraftwerk in Betrieb nahmen, das große Mengen an Energie erzeugte. Wie wichtig die Wasserenergie im Energiemix des 20. Jahrhunderts sein sollte, zeigte ein Kongress in Frankreich, bei dem Wasser als “weiße Kohle” bezeichnet wurde. Wasser wurde vom Produktionstreiber zum Stromerzeuger mit scheinbar endlosem Potential.

In der Gegenwart liefert Wasserkraft knapp 20 Prozent des weltweiten Energiebedarfs, sieht sich jedoch Kritik ausgesetzt. Der starke Eingriff in die Natur, durch Staudämme und Kraftwerke, ist ein Grund für übertretende Flüsse und Überschwemmungen. Gleichzeitig sind viele Wasserkraftwerke veraltet und schaden der Artenvielfalt in den Flüssen und Seen. Aus diesem Grund müssen zukünftige Forschungen daran arbeiten, Wasserkraft auf ein gleiches ökologisches Niveau zu bringen, wie es Wind- und Solarkraft bereits sind. Wird dies geschafft, ist das Potential für regenerative Energien fast grenzenlos. Allein die Nutzung aller möglichen und ökologisch sinnvollen Wasserkraft-Anlagen könnte den Energieverbrauch der Welt fast komplett abdecken.

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