Natürliche Grenzen erneuerbarer Energien

  • 23. April 2011

Mit thermodynamischen Methoden lassen sich Abschätzungen zur maximal nutzbaren Menge erneuerbarer Energien durchführen.

Während die klimaschonende Atomenergie ein Restrisiko ihrer Sicherheit erneut bestätigt, trägt die Verbrennung fossiler Brennstoffe unweigerlich zum Klimawandel bei. Alternative Energien aus natürlichen Quellen, wie Sonnen-, Wind- und Wellenenergie, sind hingegen risikoarm und werden als erneuerbar und klimafreundlich angesehen. Beide Aspekte, die Erneuerbarkeit und die Klimaverträglichkeit, wurden nun unter thermodynamischer Betrachtung des gesamten Erdsystems von Forschern des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena genauer untersucht.

Schätzungen der globalen Erzeugungsraten freier Energie.

Abb.: Schätzungen der globalen Erzeugungsraten freier Energie. (Bild: A. Kleidon, arXiv:1103.2014)

Axel Kleidon von der Max-Planck-Forschungsgruppe „Biosphärische Theorie und Modellierung“ erklärt, dass

nur die Freie Energie relevant für die Nutzung erneuerbarer Energien ist. Sie bezieht sich auf jenen Anteil einer Energieform, der genutzt werden kann, um physikalische Arbeit zu verrichten, wie zum Beispiel die Energieproduktion für die Menschheit. Kleidon und seine Gruppe konnten berechnen, dass die Fähigkeit des Erdsystems, unterschiedliche Formen Freier Energie zu erzeugen, auf ungefähr 1.000 Terawatt begrenzt ist, was nur etwa 0,6 Prozent der 160.000 Terawatt Sonnenenergie sind, die als Strahlung die Erde erreicht. Vom Menschen werden derzeit davon nur maximal 50 Terawatt genutzt.

Diese thermodynamische Sichtweise beinhaltet auch, dass verschiedene Arten erneuerbarer Energien unterschiedlich stark begrenzt sind. Wellen werden im Wesentlichen durch Wind erzeugt; Wind entsteht indirekt durch Wärmegradienten und somit letztlich aus der Sonnenenergie. Durch die schlechte Energieumwandlung der Sonnenenergie und wegen ihrer Abhängigkeiten vom Klimasystem sind die erneuerbaren Energiequellen Wind und Wellen daher nur in begrenzter Stärke produzierbar. Ein deutlich erhöhter Verbrauch dieser Energieformen, im Rechenbeispiel durch eine 1000fache Aufstockung heute existierender Anlagen, könnte nicht aufgefüllt werden und in der Folge sogar zu Rückkopplungen mit dem Klimasystem der Erde führen. Der Verbrauch der begrenzten Wind- und Wellenenergie würde dann über das Klimasystem die Regeneration dieser Energieformen zusätzlich drosseln.

Deutlich besser sieht es bei der Nutzung von Solarenergie aus. Die Photosynthese oder auch Solarkraftwerke können das Sonnenlicht direkt nutzen und erhöhen damit die Gewinnung Freier Energie innerhalb des Erdsystems. Entscheidend hierbei: nur etwa 5 % der als Freien Energie nutzbaren Sonnenenergie wird bisher vom Mensch verbraucht, es gibt also noch viel Spielraum, diese Energiequelle stärker zu nutzen.

MPI-BGC / KK

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