Energie - ein heisses, global existenzielles und top aktuelles Thema mit vielen Seiten

Einleitung

Unser modernes Leben in der westlichen Welt benötigt viel Energie, und all die Menschen, die heute noch nicht auf dem gleichen Wohlstandsniveau leben, brauchen bzw. wollen mehr Energie, um ihre Lebensbedingungen zu verbessern. Je nach Weltgegend, in der ein Mensch lebt, hat das Thema Energie zur Zeit eine andere Bedeutung. In Nord- und in einem Teil von Westeuropa ist der Umgang mit Energie zu einer gesellschaftspolitischen Angelegenheit geworden. In den Bestrebungen hin zu einer umweltfreundlicheren Energieerzeugung oder -Gewinnung versuchen gewisse Kreise auch weltanschauliche Überzeugungen (moderate Technik, weniger Komfort, andere Nahrung, …) durchzusetzen. In anderen Regionen wird das Energiewesen weniger ideologisiert, dafür unter einem wirtschaftlichen und technischen Fokus betrachtet, wobei die Umweltbelastung als technische Herausforderung gilt.

Der massiv gesteigerte globale Energiebedarf hat entsprechend die negativen Nebenwirkungen (Luftverschmutzung, Klimaveränderung) zu einem immer existenzielleren Problem werden lassen. Die Wirkungsgrade bei der Energieerzeugung zu verbessern genügt bei weitem nicht, das Wachstum auszugleichen. Die in den letzten 50 Jahren von 3.5 Milliarden auf 7.5 Milliarden gewachsene Weltbevölkerung plus die 2 bis 3 Milliarden Menschen, die in den nächsten Jahrzehnten dazukommen, verlangen viel zusätzliche Energie. Dafür müssen Lösungen gesucht und wirkungsvoll und zügig eingeführt werden. Sobald jedoch neben den technologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen auch ganz unterschiedliche Weltanschauungen und Lebensmodelle im Spiel sind, gleicht die Lösung der Quadratur des Kreises.

Als Absolvent der Ingenieurschule des Energiekantons Aargau war Energieerzeugung und Energiepolitik immer in meinem Fokus. Vorlesungen in der allgemeinen Physik bei Prof. Martin, über Wasserturbinen bei Prof. Palfy, über Gas- und Dampfturbinen bei Prof. Faulstroh und über Kern- und Reaktortechnik bei Prof. Hintermann haben die technischen Grundlagen geliefert. Seit Jahren verfolge ich die globale Weiterentwicklung der Technologien und die Zunahme der Verpolitisierung in der westlichen Welt.

Die globalen Übersichten über Primär- und Sekundärenergie, sowohl Gewinnung wie Verbrauch, verfolge ich seit Jahren. Die besten gefundenen, regelmässigen und kostenfreien Berichte über den IST-Zustand und Zukunft-Trends siehe Anhang 1 ganz am Ende des Artikels Seite 2. 

Meinem Prinzip folgend, zuerst eine gute Gesamtübersicht zu haben, beginne ich mit einer top down Auslegeordnung der aktuellen globalen Energiesituation. Also zuerst eine Darstellung des Ist-Zustands nach verschiedenen Betrachtungsrichtungen. Erst im Folgenden werde ich Gedanken zu Zukunftszielen und der möglichen Wege dorthin machen.

Mein Hauptaugenmerk liegt bei der erzeugten Energiemenge, dem Energieverbrauchs und den damit verbundenen Luftbelastungen. Bei Übersichten werden oft auch installierte Leistungen verglichen. Diese Vergleiche hinken in diesem Zusammenhang, weil die Gesamtwirkungsgrade der verschiedenen Prozesse sehr unterschiedlich sind. Ein Flusskraft- oder thermisches Kraftwerk liefert 24 Stunden über lange Zeit eine konstante Leistung. Die Anlagen werden in der Regel nur zu Wartungszwecken abgeschaltet (einige Tage oder Wochen pro Jahr). Wind- und Sonnenkraftanlagen hängen stark von den aktuellen Wetterbedingungen und den Standorten auf der Welt ab. Um gleich viel Strom wie ein Fluss- oder thermisches Kraftwerk zu erzeugen muss man z. B. Windturbinen mit vier- bis fünffacher installierter Leistung aufstellen, also für ein 1000 MW thermisches Kraftwerk, Windturbinen von zirka 4000 bis 5000 MW. Auch wird bei statistischen Angaben bei neuen Energieformen gerne nur auf die Wachstumsrate verwiesen und nicht auf die globale Gesamtmenge. Bei der tiefen Ausgangsbasis täuschen die Angaben. Deshalb zuerst eine absolute Gesamtübersicht.

Definitionen

In den Grafiken werden unterschiedliche physikalische Einheiten verwendet. In der Regel genügt der Vergleich der verschiedenen Kurven oder Balken in den Diagrammen. In Anhang 2 ganz am Ende des Artikels Seite 2 aber einige hilfreiche Definitionen.

Primärenergie

Als Primärenergie bezeichnet man in der Energiewirtschaft die Energie, die in den ursprünglich vorkommenden Energieformen oder Energiequellen zur Verfügung steht, etwa als Brennstoff (Holz, Kohle, Öl, Gas), aber auch Energieträger wie Sonne, Wind oder Kernbrennstoffe, Erdwärme u.s.w..

Sekundärenergie

Sekundärenergie wird in der Energiewirtschaft durch Energieumwandlung oder Raffination aus Primärenergie erzeugt. Damit wird sie leichter transportier- und nutzbar. Elektrischer Strom ist heute die bedeutendste Sekundärenergie.

Wirkungsgrad oder Energieverlust

Bei der Umwandlung von Energie fällt immer Energie an, die nicht praktisch genutzt werden kann, mit anderen Worten Energieverlust, meist in Form von Wärme. Es muss also mehr Energie zugeführt werden als in neuer Form genutzt werden kann. Dieses Verhältnis nennt man auch Wirkungsgrad. Je nach Umwandlungsmethode ist dieser sehr unterschiedlich und der Verlust teils beträchtlich. Bei technischen Umwandlungsanlagen wie Turbinen und Motoren gibt man in der Regel die Leistung als Nutzleistung am Anlageausgang an. Zum Beispiel nennt man beim Kraftwerk die Stromleistung, die ins Netz gespeist wird (z.B. 1000 MW) und nicht die Energie, die dafür zugeführt werden muss, bei Motoren die Leistung an der Ausgangswelle (z.B. 150 KW) und nicht die durch Treibstoff zugeführte Leistung. Der Energieverlust wird nicht genannt. Bei den meisten thermischen Prozessen liegt dieser wesentlich über 50%.

Erneuerbare Energie

Als erneuerbare, auch regenerative Energien werden Energieträger bezeichnet, die im Rahmen des menschlichen Zeithorizonts praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern.

• Solarthermik für Warmwassererzeugung
• «Photovoltaik» (PV Technik)
• Sonnenspiegel-Thermische Kraftwerke
• Bioenergie – Holz, Pflanzen, Abfall, Ethanol, Biodiesel
                         Holz war über Jahrtausende der Hauptenergieträger
• Geothermik - Erdwärme
• Kernenergie, wenn man an Fusions- oder mögliche Brütertechnologien denkt.

Fossile Energie

• Kohle, Öl und Gas sind nicht regenerative fossile Energieträger
• Holz, Biomasse, Biotreibstoffe, aus CO2 Gasen zurückgewonnene Treibstoffe sind regenerative fossile Energieträger. Der Prozesskreislauf beträgt wenige Jahre und nicht Jahrmillionen.

Primärenergie – Ist-Zustand

Der globale Primärenergieverbrauch Betrug 2018 annähernd 14'000 Millionen TOE

Die Grafik zeigt, dass bei globaler Betrachtung der Anteil der nicht regenerativen fossilen Energie immer noch bei über 80 % liegt.  Der Anteil von erneuerbarer Energie (Biomasse, Wind, verschiedene Arten von Sonnenenergie, Geothermik) steigt stark an, liegt aber noch bei unter 5% des globalen Gesamtverbrauchs.

Die beiden folgenden Grafiken zeigen die unterschiedlichen Energieanteile in den verschiedenen Erdteilen. Die erste Grafik nach Energieart, die zweite nach Regionen. Ein paar wenige Bemerkungen dazu:

• Kohle hat im asiatisch pazifischen Raum eine zentrale Stellung, ist aber im mittleren Osten unbedeutend.
• Öl hat über alle Kontinente einen ausgeglichenen Anteil.
• Gas hat eine grosse Bedeutung in den CIS Staaten (ehemaligen Oststaaten) und im mittleren Osten. Erdgas kann in diesen Staaten vor Ort einfach genutzt werden.
• Wasser ist in Südamerika am bedeutendsten.
• Nuklear ist in Nordamerika und Europa stark vertreten, wird aber aufgrund der aktuellen Bautätigkeiten stark in Asien steigen.

Primärenergie pro Regionen nach Arten und umgekehrt

Die folgende Grafik mit dem durchschnittlichen Energieverbrauch pro Einwohner nach Regionen zeigt eine der Herausforderungen bei der Planung der globalen Energiepolitik.

• Ein Nordamerikaner (240 Gigajoule/Jahr) verbraucht 3 Mal mehr Energie als der globale Durchschnitt (75 Gigajoule/Jahr) oder zirka 13 Mal mehr als ein Afrikaner (unter 20 Gigajoule/Jahr).
• Menschen in Europa (140 Gigajoule/Jahr), im Mittleren Osten (Ölstaaten) (150 Gigajoule/Jahr), in den CIS-Staaten (Russland und ehemalige sowjetische zentralasiatische Staaten) (160 Gigajoule/Jahr) verbrauchen doppelt so viel Energie pro Person wie der globale Durchschnitt oder 7 Mal so viel wie ein Afrikaner.
• Asiaten, Süd- und Mittelamerikaner verbrauchen gut 20 % weniger als der Weltdurchschnitt (60 Gigajoule/Jahr).

Zusammengefasst leben zwei Drittel der Menschen mit wesentlich weniger Energie pro Kopf im Vergleich mit dem besser gestellten Drittel der Menschen. Zusätzlich muss man festhalten, dass in dieser Statistik speziell den Asiaten ein hoher Anteil an Energie angerechnet wird, die jedoch von Europäern und Nordamerikanern konsumiert wird. Das kommt daher, dass Asien viele, auch Energie intensive, Produkte für die westlichen Länder produziert (Stahl, Aluminimum, Sonnenkollektoren, Elektronik, Baustoffe, …) und die dafür erforderliche Energie den Herstellungsländern zugeordnet wird.  

Viele dieser Länder liegen im Gegensatz zu den westlichen Ländern, die in gemässigten Zonen liegen, in klimatisch anspruchsvolleren Zonen (sehr hohe und/oder tiefe Temperaturen). Um ihren Lebensstandard zu verbessern, werden sie in Zukunft mehr Energie fordern, einerseits für Heizung oder Kühlung, anderseits auch teilweise für die Wasserherstellung durch energieintensives Meerwasser-Entsalzen.

Energieverbrauch pro Einwohner pro Jahr

Sekundärenergie – Ist-Zustand

Sekundärenergie ist Energie, die aus einer Primärenergie generiert wird. Die wichtigste ist die elektrische Energie (Strom).

Die nachfolgenden zwei Grafiken zeigen, dass Kohle und Gas die globale Stromerzeugung dominiert. All die erneuerbaren Energien (Wind, Sonne, Geothermik, und andere) liegen bei immer noch unter 10 % der globalen Stromerzeugung und haben bis jetzt hauptsächlich das teure Öl bei der Stromerzeugung ersetzt.

Globale Stromerzeugung nach Primärenergie-Träger.

Erneuerbare Energie

Zuerst nochmals eine Gesamtübersicht über die Herkunft der Primärenergie

Nach der Darstellung der doch noch «moderaten» Produktion von erneuerbarer Energie, ein Blick in mehr Details in die schnell wachsenden Bereiche PV Sonnenkollektoren (Photovoltaik), Solare Warmwasseraufbereitung, Windenergie und Geothermik.

Sonnenkollektoren PV Energie
– Installierte Leistungen nach Ländern in 2018 und geplant bis 2023

China hat erst 2012 zögerlich mit PV Energie begonnen, verfügt aber heute schon über ein Drittel der installierten Weltenergie und wird in den nächsten Jahren den Vorsprung beibehalten.

Noch dominanter ist China bei den Anlagen für die Warmwassererzeugung durch Sonnenkollektoren. 75% der weltweit installierten Leistung von 472 GWthermisch sind in China installiert. Siehe nächste Grafik.

Auch bei der Windenergie liegt China weit vor den USA und Deutschland. Die Schweiz ist in diesem Bereich ein «No-Body», mit total 38 installierten Windrädern oder 75 MW

Installierte Leistungen in MW

In China wird Wind- und Sonnenenergie im Nordwesten produziert und hauptsächlich im Zentrum oder im Osten benötigt. Die Übertragung erfolgt in 1'000'000 Volt Wechselstromleitungen UHVAC oder in 800'000 bzw. 1'100'000 Volt UHVDC Ultra-Hoch-Gleichstrom-Übertragung. Gleichstromübertragung ergibt weniger Verluste ab einer Übertragungslänge von rund 800 km. In Europa wird die höchste Übertragungsleitung mit 380'000 Volt Wechselstrom betrieben. Wann Deutschland das Nord-Südtrassee bekommt steht in den Sternen!

Geothermik ist noch ein Mauerblümchen. Es scheint, dass möglicherweise durch Bohrungen ausgelöste Erderschütterungen vor einem grösseren Ausbau abschrecken. Wie die folgende Aufstellung zeigt, haben offenbar Länder, die sich an periodische Erbeben gewöhnt sind, weniger Probleme damit und sind führend in der geothermischen Energieerzeugung.

Hier geht es zu Teil 2 des Artikels

Neueste Kommentare