Regenerative Energie – Was ist das?

Regenerative Energie – Was ist das? Und warum brauchen wir das?

Begriffsklärung
Um den Begriff richtig zu verstehen und richtig einordnen zu können, zerlegen wir ihn zunächst einmal in seine Bestandteile, denn als Grundlage muss man erst einmal verstehen was Energie eigentlich ist.

Energie ist eine fundamentale Größe der Naturwissenschaften und aller auf diesen basierenden angewandten Wissenschaften. Sie dient als Maß für Wirksamkeit oder Leistungsfähigkeit in natürlichen wie technischen Prozessen und wird in Joule gemessen. Für den Menschen hat sie heute vor allem in technischen Anwendungen eine zentrale Bedeutung. Energie gibt es in verschiedenen Formen: potentielle Energie, kinetische Energie, chemische Energie, elektrische Energie oder thermische Energie und noch weitere.

Wesentlich für die technischen Anwendungen sind hier zunächst die kinetische Form und die thermische Form zu sehen. Daher betrachten wir diese als erstes.

Kinetische Energie oder Bewegungsenergie beschreibt die Energie die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung enthält bzw. die Arbeit die aufgewendet werden muss um ein Objekt aus dem Ruhezustand in diese Bewegung zu versetzen, das kann man als Produkt aus der Masse des Objektes und seiner Geschwindigkeit beschreiben.

Thermische Energie oder Wärmeenergie drückt die in einem Stoff gespeicherte Wärme aus und kann als Funktion der Temperatur dargestellt werden.

Diese beiden beschriebenen Energieformen sind Objekt der Begierde in technischen Anwendungen. Die kinetische Energie begegnet uns täglich, wenn wir mit dem Auto, dem Bus oder der Bahn fahren. Sie beschreibt die Bewegung von Maschinen, vom Fahrkartenautomat über den Drucker im Büro bis hin zu Produktionsrobotern in Fabriken. Thermische Energie begegnet uns, wenn wir in der Sonne baden, unser Heim beheizen, den Herd oder Backofen anstellen oder den Grill befeuern.

Diese Energie kommt aber nicht einfach so zu uns, sondern muss „erzeugt“ werden. (Die Anführungszeichen werden wir später noch beleuchten) Für die „Erzeugung“ von Bewegungsenergie oder Wärmeenergie benötigen wir üblicherweise die anderen drei genannten Formen der Energie.

Beginnen wir mit der, den Meisten geläufigen, elektrischen Energie. Als elektrische Energie bezeichnet man Energie, die mittels Elektrizität übertragen oder in elektrischen Feldern gespeichert wird. In der Energiewirtschaft wird die übertragene elektrische Energie auch Strommenge genannt. Am ehesten begreiflich wird sie vielleicht am Beispiel des Kochfeldes oder Elektroherdes, wo elektrische Energie mithilfe von Spulen, die sich erhitzen in thermische Energie verwandelt wird. Die elektrische Energie spielt für den Menschen eine enorm wichtige Rolle, weil sie sich vergleichsweise einfach mit Hilfe von Leitungen im Stromnetz in rasanter Geschwindigkeit mit geringen Verlusten von nahezu jedem Ort an jeden anderen übertragen lässt. Und selbst dort wo es keine Netzanbindung gibt, kann man sie in Batterien oder Akkumulatoren hinbringen, so zum Beispiel in der Taschenlampe, dem Elektroauto oder Smartphone.

Die potentielle Energie oder Lageenergie beschreibt die Energie eines Objektes, die durch seine Lage in einem Kraftfeld (zum Beispiel das Schwerefeld der Erde) bestimmt wird. So beschreibt die potentielle Energie jene Energie, die ein Körper z.B. durch seine Höhenlage hat. Dies begegnet uns, wenn wir mit dem Fahrrad auf einem Berg stehen und für die Erzeugung einer Bewegung des Rades, nichts weiter tun müssen als es den Berg hinunterrollen zu lassen, Je höher der Berg dabei ist, umso weiter werden wir im flachen weiterrollen bis diese Energie aufhört uns anzutreiben. Auch wird diese Energie in Speicherkraftwerken genutzt. Hier wird Wasser mit überschüssiger elektrischer Energie in Zeiten geringen Bedarfes auf einen Berg gefördert und lagert dort mit potentieller Energie bis es dann in Zeiten hohen Bedarfs wieder den Berg hinunter fließen gelassen wird, um wieder elektrische Energie zu erzeugen.

Als chemische Energie wird die Energieform bezeichnet, die in Form einer chemischen Verbindung in einem Energieträger gespeichert ist und bei chemischen Reaktionen freigesetzt werden kann. Ein alltägliches Beispiel ist hier wieder das Automobil, in dessen Motor durch die Verbrennung (chemische Reaktion) von Kraftstoff (Energieträger mit chemischen Verbindungen in denen Energie gespeichert ist), Energie für den Motor freigesetzt wird. Auch begegnet uns die chemische Energie, wenn wir auf dem Grill oder in der Heizung chemische Verbindungen aus Energieträgern wie Holz, Holzkohle oder Heizöl verbrennen um Energie freizusetzen.

Am letzten Beispiel erkennen wir nun auch schon, dass Energie immer von einer Form in eine andere verwandelt wird. Dies zu beleuchten ist nun wichtig, um die Anführungszeichen in dem Absatz nach der kinetischen und thermischen Energie aufzuklären. Energie kann nämlich weder erzeugt noch verbraucht werden. Sie wandelt immer nur ihre Form. Verbrennen wir Kraftstoff, verwandeln wir chemische in thermische Energie. Diese thermische Energie wandelt sich dann in Bewegungsenergie der Teilchen im Brennraum eines Motors in Form von Druck der sich wiederum in Bewegungsenergie im Kolben umsetzt und so weiter. In einem geschlossenen System wird die gesamte enthaltene Energie also immer gleich sein, wenn sich auch ihre Form verändern kann. Das begreift man auch gut am Beispiel mit dem Fahrrad, das den Berg hinunterrollt und im Flachen wieder zum Stehen kommt. Die potentielle Energie der Höhenlage wird in kinetische Energie also die Bewegung den Berg herunter gewandelt. Und wenn das Rad dann im Flachen zum Stehen kommt, hat sie sich durch Reibung zum Beispiel an den Achsen und den Reifen in Wärmeenergie verwandelt, was manch einer vielleicht schon schmerzlich in Erfahrung bringen konnte, wenn er die betroffenen Teile mit bloßen Händen berührte.

Soviel für den Moment zur Energie. Betrachten wir nun den zweiten Bestandteil von regenerativer Energie, das „regenerativ“ (das wird wesentlich schneller gehen). Regenerativ geht auf den Begriff Regeneration also Erneuerung zurück. Deshalb sagt man auch erneuerbare Energie. Es bedeutet hier, dass sich die Energieform die wir für technische Anwendungen einsetzen „von selbst“ also ohne menschliches Zutun, in natürlichen Prozessen, wieder in ihre Ausgangsform zurückverwandelt und zwar in einem zeitlichen Rahmen, der für die Menschheit überschaubar bleibt. Im Unterschied zum Beispiel zu Energie aus fossilen Quellen, die sich über Zeithorizonte von Jahrmillionen erneuern und deren Erneuerung daher für die Menschheit keine Rolle spielt. Wichtig ist hierbei größere oder kleinere natürliche Kreisläufe zu sehen, verstehen und zu nutzen. Dies wird im nächsten Abschnitt wichtig zu beleuchten.

Warum wir regenerative Energie brauchen
Energie aus regenerativen Quellen wird nach der Nutzung durch den Menschen in natürlichen Prozessen wieder in die Ausgangsform zurückverwandelt. Das lässt sich gut am Beispiel von Biogas erklären. Zentrales Element für das Verständnis des Kreislaufes ist der Kohlenstoff. Kohlenstoff ist äußerst vielfältig in den möglichen chemischen Verbindungen, die er eingehen kann und ist deswegen auch eine der Grundlagen für das Leben auf der Erde. Mensch und Tier wie auch Pflanzen und alle übrigen Lebensformen bestehen aus Kohlenstoffverbindungen (nüchtern chemisch betrachtet). In der Biogasanlage passiert nun quasi das Gleiche wie im Magen von Säugetieren. Mithilfe von Enzymen und Mikroorganismen werden Kohlenstoffverbindungen aus Pflanzen oder dem Fleisch anderer Tiere zersetzt. Im Unterschied zum Säugetier ist der Prozess hierbei nicht auf die Freisetzung von Nährstoffen sondern die Freisetzung von Methan (auch Hauptbestandteil von Erdgas) optimiert. (Das ist bei Säugetieren ein eher unangenehmer Nebeneffekt, der sich durch oftmals lautstarkes Freisetzen von Gasen aus dem Darm zeigt.)

Das in der Biogasanlage entstehende Methan kann nun in Blockheizkraftwerken als Kraftstoff eingesetzt werden. Dabei wird das Methan zunächst in einem Motor verbrannt und chemische Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt die den Motor antreibt. Jedoch nicht vollständig. Ein weit größerer Anteil wird in Wärmeenergie umgesetzt. (Das Verhältnis der gewonnen kinetischen Energie, dem primären Ziel der Umwandlung,  zur eingesetzten chemischen Energie bezeichnet man dabei übrigens als Wirkungsgrad.) Die kinetische Energie des Motors wird auf einen Generator übertragen. Ein Generator ist eine denkbar einfache technische Gerätschaft die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt die in das Netz gespeist wird. Der Clou bei einem Blockheizkraftwerk ist nun, dass auch die Wärmeenergie in Form von Abwärme des Motors auf ein flüssiges Medium (üblicherweise Kühlwasser) übertragen und nutzbar gemacht wird.

Wichtig für das Verständnis der Regenration oder Erneuerung der Energie ist nun dem Kohlenstoff weiter zu folgen. In Form von Methan wurde er im Blockheizkraftwerk eingesetzt und verlässt es nun in seiner oxidierten Form (also einer Verbindung mit Sauerstoff) Kohlendioxid. Kohlendioxid ist bei Raumtemperatur gasförmig und ein natürlicher Bestandteil der Atmosphäre. Wie aber hoffentlich mittlerweile Jeder weiß, ist Kohlendioxid in der Atmosphäre hauptverantwortlich für den Klimawandel.

Kohlendioxid in der Atmosphäre dient Pflanzen als Hauptnährstoff. Pflanzen nehmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf und spalten es mithilfe von thermischer Energie (aus der Sonneneinstrahlung) in seine Bestandteile Kohlenstoff und Sauerstoff. Den Sauerstoff setzen Pflanzen wieder in die Atmosphäre frei. Aus dem Kohlenstoff bilden sie ihre Biomasse. (Pflanzen wandeln also thermische in chemische Energie) Diese Biomasse dient nun wieder Säugetieren oder Biogasanlagen als Nährstoff und der Kreislauf ist geschlossen. Solange diese Prozesse nicht einseitig aus dem Ruder laufen befinden sich also der Kohlenstoff in der Atmosphäre und in der Biomasse in einem schwankenden aber permanenten Gleichgewicht und die Atmosphäre verändert sich nicht. Auf dieser Grundlage findet kein Klimawandel statt und hierin begründet sich die Wichtigkeit der regenerativen Energien, was wir noch genauer betrachten werden.

Dazu schauen wir auf die fossilen Energieträger und was bei ihrer Umwandlung geschieht. Bleiben wir beim Methan in Form von Erdgas (kein reines Methan, aber überwiegend daraus bestehend). Erdgas entsteht oft durch die gleichen geologischen Prozesse, die auch zur Entstehung von Erdöl führen. Erdöl und Erdgas kommen daher nicht selten zusammen in einer Lagerstätte vor. Dieses Erdgas entsteht in geologischen Zeiträumen  aus Massen von abgestorbenen und abgesunkenen im Meer lebenden Kleinstlebewesen (zum Beispiel einzellige Algen), die zunächst unter sauerstofffreien Bedingungen am Meeresboden in einen Faulschlamm  umgewandelt werden. Im Laufe von Jahrmillionen kann dieser durch Absenkung  in tiefere Regionen der oberen Erdkruste versenkt und dort hohen Drücken und vor allem hohen Temperaturen ausgesetzt werden, die für die Umwandlung der organischen Substanzen in Erdgas sorgen.

Verbrennt man nun das Methan aus Erdgas zu Kohlendioxid, wird es von Algen aufgenommen, die damit das Gleiche tun wie die Pflanzen mit dem Methan aus Biogas. Die Algen sterben ab und sinken zum Meeresboden und es wird wiederum Jahrmillionen dauern bis der Kohlenstoff in den Algen (aus dem Kohlendioxid in der Atmosphäre gewonnen) wieder zu Erdgas wird. Der Kreislauf ist also unverhältnismäßig langwieriger in seinem Durchlauf.

Daraus kann man ableiten, dass das Erdgas also eine Art Speicher für atmosphärisches Kohlendioxid aus Jahrmillionen der Erdgeschichte ist. In diesen erdhistorischen Zeitaltern war die Atmosphäre jedoch noch stärker kohlendioxidhaltig als wir sie heute kennen. Setzen wir das Kohlendioxid aus dem Erdgas wieder frei, werden wir auch die Atmosphäre dieser Zeitalter wieder herstellen.

Um nun zu verstehen warum dies zu einem Klimawandel führt, muss man wissen, dass Kohlendioxid als Treibhausgas wirkt bzw. einen Treibhauseffekt bewirkt. So ist Kohlendioxid für Sonneneinstrahlung nahezu vollständig durchlässig. Sonneneinstrahlung wird auf der Erde in Wärmeenergie umgewandelt, die in Form von Infrarotstrahlung auch wieder abgestrahlt wird. Für Infrarotstrahlung ist Kohlendioxid jedoch nahezu undurchlässig. Diese Fakten sorgen also dafür, dass die Erde mit treibhausgashaltiger Atmosphäre wärmer ist als ohne, was zunächst einmal gut ist, weil es auf der Erde sonst deutlich zu kalt für Leben wäre. Erhöht der Mensch aber nun den Anteil von Treibhausgasen wie Kohlendioxid in der Atmosphäre, verstärkt sich der Treibhauseffekt und das Klima erwärmt sich. Die Erde darf nämlich nicht als geschlossenes System betrachtet werden. Es wird ständig Energie durch Sonneinstrahlung in das System Erde eingetragen. Auch wird von der Erde ständig wieder Energie ins Weltall abgestrahlt und es stellt sich ein Gleichgewicht ein. Das Kohlendioxid, welches aus unterirdischen Lagerstätten bei der Verwertung von Erdgas, Erdöl und fossiler Kohle freigesetzt wird, verschiebt dieses Gleichgewicht indem es die Abstrahlung von Wärme beeinträchtig, während die Einstrahlung von der Sonne nahezu immer die gleiche ist.

Dieser menschgemachte Klimawandel beeinflusst nun alle natürlichen Prozesse und damit das gesamte Leben auf der Erde. In extremer Form führt dies letztlich zur Ausrottung ganzer Arten und Gattungen und wird auch vor dem Menschen nicht Halt machen. Und selbst, wenn es nicht zum Äußersten kommen sollte, werden wir doch mit umso stärkeren Problemen und Beeinträchtigungen rechnen müssen, wenn wir dem Klimawandel nicht entgegensetzen, was wir können.

Und einer unserer stärksten Verbündeten in diesem Kampf ist der Einsatz regenerativer Energien!

Alexander Hauer