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sb-wettbewerb
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Einleitung

Ein wichtiger Bereich der menschlichen Zivilisation ist der Gebrauch von Energie. Ursprünglich war Energie gleichbedeutend mit Nahrung. Seit dem Gebrauch des Feuers sind immer weitere Energieformen hinzugekommen, die der Mensch nutzt. Dabei ist die verfügbare Menge an Energie, besonders von Nahrung, aber auch von Brennmaterial, oft ein zumindest lokal begrenzender Faktor für die menschliche Zivilisation gewesen.

In den letzten Jahrhunderten hat der Energieverbrauch der menschlichen Zivilisation ein immer größeres Ausmaß angenommen. Nahrung für Menschen, wie für Arbeitstiere und biogene Brennstoffe wie Holz wurden dabei zunehmend von fossilen Brennstoffen als Hauptenergielieferant abgelöst. In den letzten Jahrzehnten sind dabei neben der verfügbaren Menge der Energie auch negative Auswirkungen der Energienutzung wie Luftverschmutzung, Strahlenbelastung, globale Erwärmung und der Flächenverbrauch öffentlich diskutiert worden.

Es ergibt sich die Frage, sind die Argumente von Befürwortern oder Gegnern bestimmter Formen der Energieerzeugung stichhaltig oder nicht?

Ich möchte hier aus meinen Ergebnissen die zum Flächenverbrauch der Energieformen kurz anreißen. Ich hoffe, dass sie zum Nachdenken und eigenen Überlegungen Anstoß geben, sowie zum Hinterfragen von Meinungen und Aussagen führen.

In diesem Blog-Beitrag (1) beispielsweise wurden die erneuerbaren Energien und auch die Solarenergie für ihren hohen Flächenverbrauch kritisiert. Dies ist verwunderlich, da die Solarenergie selbst, nach diesen Angaben, die Quelle ist (8), die höchste Dichte der erneuerbaren Energien hat. Auffällig ist, dass bei de Angaben zur Energiedichte nichterneuerbare Energien fehlen. Sollte man nicht zunächst die Energiedichten für alle Energieformen ausrechnen, bevor man sie miteinander vergleicht? Nur die Kernenergie soll angeblich eine Energiedichte von 1000 W/m² haben. Mir kam der Verdacht auf, dass einfach nur die Fläche der Kraftwerke und Gebäude genommen und der sonstige Flächenverbrauch nicht berücksichtigt wurde. Eine kurze Überschlagsrechnung ergab, dass allein die nach dem Unfall in Tschernobyl 1986 evakuierte und aufgegebene Fläche, darunter 8000 km² landwirtschaftlich und 7000 km² forstwirtschaftlich genutzt (2), bei etwa 2600 TWh/Jahr (~300 GW) Stromerzeugung aus Kernenergie nur eine Energiedichte von 20 W/m². Das ist deutlich niedriger und im Bereich der Energiedichten der erneuerbaren Energien. Bei fossilen Brennstoffen wird der Flächenverbrauch durch den Anstieg des Meeresspiegels nicht erwähnt.

Hier möchte ich den gesamten Flächenverbrauch der Energieformen berechnen und vergleichen und dabei auch die langfristigen Auswirkungen für zukünftige Generationen berücksichtigen. Da ich hoffe, dass die Menschheit mehr als ein paar Jahrhunderte oder Jahrtausende überlebt, werde ich dabei auch Zeiträume vergleichbar mit der Lebensdauer der Menschheit auf der Erde betrachten.

Energiebedarf

Welche Energiedichte wird eigentlich benötigt? Der Primärenergieverbrauch in Deutschland ist etwa 13500 PJ im Jahr, das entspricht 1,2 W/m². Weltweit sind es gegenwärtig 583 EJ/Jahr oder 18,5 TW bzw. 0,14 W/m² auf 133 Millionen km² eisfreie Landfläche. Der weltweite Energiebedarf wird weiter steigen. Bei über 11 Milliarden Menschen Ende dieses Jahrhunderts auf 29 TW bzw. 0,22 W/m², wenn der Pro-Kopf-Verbrauch in der Welt gleich bliebe, oder auf etwa 100 TW bzw. 0,75 W/m², wenn weltweit der heutige Pro-Kopf-Verbrauch der USA erreicht würde. Da man nicht den größten Teil der Landfläche nur für die Energiegewinnung brauchen sollte, ist eine höhere Energiedichte, über 1 W/m², notwendig.

Berechnung des Flächenverbrauchs

Flächen können auch in weit entfernt liegenden Ländern oder in der Zukunft verbraucht werden. Insbesondere beim Meeresspiegelanstieg oder der radioaktiven Belastung nach Unfällen liegt sie in der Zeit nach der Energieerzeugung. Dabei können sich selbst kleine Flächen, wenn sie über einen wesentlich längeren Zeitraum als der der Energieerzeugung verbraucht werden, sich zu einem großen Flächenbedarf summieren. Wenn z.B. ein Kraftwerk von 1 GW für die Energieerzeugung eines einzigen Jahres 10 km² für 1000 Jahre benötigt, ist der Flächenverbrauch 10000 km²/GW.

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Kommentare (23)

  1. #1 gaius
    5. Oktober 2015

    Beeindruckender Artikel! Popcorn liegt bereit …

  2. #2 rolak
    5. Oktober 2015

    Sauber ausgefummelt, die ganzen Daten!

  3. #3 phunc
    5. Oktober 2015

    Schöner Artikel, der unter anderem auch deutlich macht wie komplex dieses Thema eigentich ist. Das Wissen das hier vermittelt wird – und darüber hinaus, wenn man sich noch intensiver mit der Energieversorgung beschäftigt – sollte eigentlich auch von Politik und Wirtschaft kommuniziert und im öffentlichen Raum zur Faktenlage beigesteuert werden.

    Persönlich finde ich es echt bescheiden, wie sehr auf trivialen Argumenten herum geritten wird, deren einziger Zweck es ist, Entscheidungsträger (sowie Wähler) in die eine oder andere Richtung zu lenken, wobei der eigentliche Sinn der Debatte stets beiseite geschoben wird.

    Mittlerweile bin ich mir nicht sicher, ob es eine aufgeklärte Gesellschaft gibt, wohl eher eine verklärte, die es sich sehr einfach macht über Dinge zu urteilen und Entscheidungen zu treffen wie es grade sinnvoll scheint. Viel zu rekationär, auf Symptombehandlung fokussiert, kaum kritisch, konsum- und trendorientiert, den Kern sowie die vielen Facetten einer Problematik ignorierend. Nicht nur die Schlachtrufe (wenn es dann mal eine Demo gibt) sind plakativ, sondern auch die Denke dahinter.

    Ich hoffe aber, dass ein Artikel wie dieser dazu beitragen wird zumindest auf digitaler Ebene etwas produktivere Diskussionen führen zu können. In diesem Sinne: vielen Dank für die Aufarbeitung dieser Thematik!

  4. #4 BreitSide
    Beim Deich
    5. Oktober 2015

    Wau, eine riesige Datenflut für einen Beitrag!

    Die Dinge sind halt doch nicht ganz so einfach. Manchem werden einige Werte ziemlich sauer aufstoßen. Und das ist auch gut so.

    Ich glaub, den Beitrag verlinke ich mal auf Georg Hoffmanns “neues Dies+Das” :-)

  5. #5 Dampier
    5. Oktober 2015

    Wow, was ne Rechnerei! Hochinteressanter Ansatz. Ich konnte das jetzt auf die Schnelle nicht im Detail verifizieren 😉 aber der Artikel hat mir gefallen.

    Stattdessen wäre es heute möglich, die Energieversorgung von Deutschland mit einem Flächenverbrauch von etwa einem Zehntel (Nahrungsmittelanbau ausgenommen) der Fläche Deutschlands zu decken, also nur etwa der Fläche eines Bundeslandes. Einer Fläche, die seit mehr als 1000 Jahren nicht mehr unterschritten wurde.

    Auch wenn das möglicherweise aus deinen Daten hervorgeht, würde mich nochmal interessieren, wie das genau aussehen könnte.

  6. #6 Wizzy
    6. Oktober 2015

    Genialer Artikel! Nach Prüfung der Kalkulationen meines Erachtens wissenschaftlich veröffentlichungsreif (sofern es noch kein ähnliches Paper gibt)! Auf jeden Fall werde ich diesen Artikel überaus freudig in mein Repertoire aufnehmen, neben den Zahlen zu Kosten sowie Todes- und Krankheitsfällen je GWh nach Energieerzeugungsmethode, was bereits untersucht und publiziert wurde.

  7. #7 Crazee
    6. Oktober 2015

    Im Bezug auf die Zusammenfassung gebe ich dem Artikel recht. Den Berechnungen kann ich jetzt auf die Schnelle so nicht folgen, sie WIRKEN auf mich aber recht spekulativ (nicht dass die vorherigen Rechnungen da besser wären.

    Auf jeden Fall beeindruckend.

  8. #8 UMa
    6. Oktober 2015

    Danke für das Interesse an meinem Beitrag. Ich freue mich über eure Antworten.

    Oh ja, komplex ist das ganze Thema, auch wenn ich mich wirklich nur auf den Flächenverbrauch konzentriert habe.
    Sowohl die Begrenzung der Zeit, also der Abgabetermin und das ich ja nur neben Arbeit und Urlaub daran gearbeitet habe, als auch die maximale Zeichenzahl haben mir ganz schön zu schaffen gemacht. Das Thema ist einfach zu umfangreich, um es halbwegs vollständig in so einem Artikel zusammenfassen zu können.

    @Dampier: Auf deine Frage, wie eine Energieversorgung von Deutschland aussehen könnte, kann man natürlich unterschiedlich ausführliche Antworten geben. Ich versuche es erstmal mit einer kurzen.

    Das Grundprinzip ist natürlich, von den Energieformen, die einen hohen Flächenverbrauch haben, möglichst wenig zu verwenden, während diejenigen mit einer Energiedichte von (elektrisch) über 5 W/m² die Hauptlast tragen müssen.

    Auf fossile Brennstoffe und Biomasse (außer ohnehin anfallenden Abfällen) wird man weitgehend verzichten müssen, es sei denn man fängt das Kohlendioxid auf und speichert es (CCS). Idealerweise verwendet man so viel Biomasse, dass man insgesamt weniger Kohlendioxid emmitiert als durch die Biomasse aufgenommen wurde. Tiefe Geothermie kann man machen, solange Flächen ausgespart werden deren langfristige Absenkung ungünstig wäre und man das Kohlendioxid wieder zurück in die Erde bekommt. Wasserkraft hat einen geringen Flächenverbrauch und sollte genutzt werden, da die Enzugsgebiete für den Niederschlag ja nicht verbraucht werden. Zusammen würden diese Energieformen aber langfristig nicht Hauptlast der Energieversorgung tragen können.

    Da es noch kein einsetzbares Kernfusionkraftwerk gibt, bleiben noch Windenergie, Sonnenenergie (PV und Solarthermie), und Kernspaltung übrig. Diese müssen dann wohl zusammen mindestens 80% der Energieerzeugung stellen, damit Biomasse, fossile mit CCS, Wasserkraft und Geothermie den Rest schaffen können, ohne das zu viel Fläche verbraucht wird.
    Soweit nicht solar-, geothermisch oder anderweitig schon abgedeckt, müsste der Wärmebedarf sowie auch der Energiebedarf des Verkehrs (über Biotreibstoffe hinaus, da deren Flächenverbrauch zu hoch wäre) weitgehend direkt elektrisch oder indirekt über eine Treibstoffproduktion aus Strom abgedeckt werden.

    Die einzelnen Energieformen haben jetzt unerschiedliche Vor- und Nachteile. Windenergie an Land hat die geringste Energiedichte. Der Flächenverbrauch hängt davon ab, ob man die zwischen den Windkraftanlagen liegende Flächen mitzählt oder nicht. Die Sonnenenergie ist im Winter nur unzureichend verfügbar. Von Tag auf Nacht könnte man Strom mit Batterien oder anderen Energiespeichern noch Speichern, von Sommer auf Winter wäre das ungleich schwerer und teuerer. Kernenergie ist in Deutschland unbeliebt und die Uranreserven sehr begrenzt. Letzteres könnte man dadurch beheben, dass man Uran aus dem Meer gewinnt oder das Uran-238 besser ausnutzt oder beides. Außerdem müsste mehr radioaktiver Abfall endgelagert werden, was in einem anderen Artikel hier diskutiert werden kann. Dafür käme man aber ohne eine drastische Vergrößerung der Stromspeicher aus.

    Ok, ist jetzt doch länger geworden.

    @Florian: Der Link, der ins Astronews-Forum führen sollte, führt auf einen deiner Beiträge hier im Blog.

  9. #9 UMa
    6. Oktober 2015

    Der Link unter ‘anderen Artikel’ sollte auf diesen Verlinken:
    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2015/09/18/rein-oder-nicht-rein-der-tanz-ums-endlager/

  10. #10 Crazee
    6. Oktober 2015

    Es gibt den ersten Prototyp einer “Solarzelle”, die auch bei Wolken, Wind und Regen Strom erzeugt: http://minkorrekt.de/minkorrekt-folge-58-kaffeepruett/

  11. #11 Uli
    6. Oktober 2015

    Noch ein Detail zur deutschen Steinkohle:

    Im Ruhrgebiet wurde so viel Kohle weggebuddelt, daß weite Teile der Gegend um mehrere Meter abgesunken sind.

    Darum laufen rund um die Uhr Pumpen, damit diese Gegend nicht absäuft. Die brauchen natürlich Strom.

    Man kann also ausrechnen, wann die Energiebilanz der deutschen Steinkohle ins Negative abrutscht.

    Natürlich hatten die Menschen damals keine Wahl. Man brauchte die Kohle für die Industrie und zum Heizen. Aber so ganz langfristig gerechnet war’s doch ‘ne blöde Idee…

  12. #12 Captain E.
    6. Oktober 2015

    Allerdings ist das Grubenwasser ziemlich warm. Daher baut man jetzt mehr und mehr Geothermieanlagen zur Nutzung dieser Wärme.

    Die Pumpen sollen übrigens nach Auslaufen des Bergbaus in ihrer Leistung reduziert werden. Die alten Schächte werden dann etwas mehr voll laufen.

  13. #13 UMa
    6. Oktober 2015

    @Uli: Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren hängt vom Sauerstoffgehalt der Luft ab. Je nachdem, wie viel Energie in der Zukunft noch durch Verbrennung gewonnen wird, sei es durch Biomasse oder aus Strom erzeugten Treibstoffen wie Wasserstoff, wird die Energiebilanz der fossilen Brennstoffe nach einiger Zeit ins Negative rutschen allein wegen des Sauerstoffverbrauchs. Auch wenn die Veränderungen auf den ersten Blick gering aussehen.

    Als Alternative zur Kohle alles abzuholzen, wäre wohl auch nicht besser gewesen.

  14. #14 Captain E.
    7. Oktober 2015

    Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren hängt vom Sauerstoffgehalt der Luft ab? Das halte ich für eine gewagte These, abgesehen davon, dass der Sauerstoffgehalt auf der Erde schon ziemlich lange konstant ist. Oder meintest du den Sauerstoffgehalt im Verbrennungsraum zum Zeitpunkt der Zündung?

  15. #15 bikerdet
    7. Oktober 2015

    @ Uli :
    Das stimmt. Im Schnitt ist das Ruhrgebiet um 12m abgesunken. Was dazu führt, das große Teile des Duisburger Stadtgebietes eben diese 12m unter dem Rheinlevel liegen. Dies war der Hauptgrund, warum man den Kohleabbau unter dem Rhein verboten hat. Wäre es hier ebenfalls zu partiellen Absenkungen gekommen, wäre der Rhein einfach übergelaufen und hätte Duisburg in eine sehr große Seenlandschaft verwandelt. Die auch das ‘Centro Oberhausen’ mit eingeschlossen hätte. Das liegt nämlich auch noch einen Meter unter Rheinlevel.

    Das größte Problem hier im Ruhrgebiet war, das nach den WW2 ALLE Kohle an die Siegermächte abgeführt wurde. Für die Menschen vor Ort blieb nichts übrig. Deshalb wurden illegale und undokumentierte Stollen gegraben um die Menschen vor Ort zu versorgen. Da diese Stollen auch nicht korrekt verfüllt wurden, tuen sich hier manchmal große Löcher auf. Unter Häusern / Straßen / Plätzen. Liest/hört man ja regelmäßig in den Nachrichten.
    In meiner Heimatstadt hatten wir das Glück, das Fledermausforscher die Hohlräume entdeckt und erkundet hatten. Als es zu den ersten Tagebrüchen kam, konnten die Behörden mit deren Karten das Problem schnell (naja, Beamtenschnell) in den Griff kriegen.

    @ Captein E. : Klar, im Verbrennungsraum. Wo sonst ? Ein Turbolader macht doch nichts anderes als mehr Luft, und damit Sauerstoff, in den Brennraum zu drücken. Noch effektiver ist die ‘Lachgaseinspritzung’. Da hier der Sauerstofgehalt ~ 33% gegenüber 21% der Luft besteht. Gucks Du hier :
    https://de.wikipedia.org/wiki/Lachgaseinspritzung

    UMa hat da nämlich unrecht. Es verbrennt immer eine gleiche Menge Sauerstoff und Kraftstoff. Sowohl beim Turbolader, als auch bei der Nitroeinspritzung wird also neben dem MEHR Sauerstoff auch MEHR Kraftstoff verbraucht. Eines ohne das Andere ist wirkungslos.Somit bleibt der Wirkungsgrad immer gleich, bei den Turbovarianten wird nur mehr Treibstoff gleichzeitig umgesetzt. Mit großen Belastungen für das Material. Wir alle haben schon explodierende Motoren aus der Formel 1 / Dragsterrennen gesehen ….

  16. #16 UMa
    7. Oktober 2015

    Die Verminderung des Wirkungsgrades ergibt sich dadurch, dass bei gleicher Sauerstoffaufnahme mehr Stickstoff aufgenommen werden muss. Das führt zu einer niedrigeren Verbrennungstemperatur und höheren Verlusten im Abgas.

    Es gibt umgekehrt Versuche, den Wirkungsgrad durch Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Luft zu erhöhen. Das nennt sich Oxyfuel-Verfahren. Hier ist ein Beispiel aus der Stahlindustrie:
    http://www.lindeus.com/internet.lg.lg.usa/en/images/Energieeffizienz%20und%20minderung138_10824.pdf

  17. #17 Dampier
    7. Oktober 2015

    @Captain E.

    Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren hängt vom Sauerstoffgehalt der Luft ab? Das halte ich für eine gewagte These

    Im Hochgebirge büßen die an Leistung ein. Wenn ich mich recht erinnere, mussten wir immer den Zündzeitpunkt verstellen.

  18. #18 BreitSide
    Beim Deich
    7. Oktober 2015

    @Dampier: … bis dann die Unterdruckdose kam (bei den teureren Autos…).

  19. #19 Alderamin
    7. Oktober 2015

    @UMa

    Schöner Artikel, bis auf die zugrunde gelegte Einheit:

    Wenn z.B. ein Kraftwerk von 1 GW für die Energieerzeugung eines einzigen Jahres 10 km² für 1000 Jahre benötigt, ist der Flächenverbrauch 10000 km²/GW.

    Die Einheit wäre dann ja 10000 km²J/GW. Grundsätzlich gehe ich damit auch d’accord.

    Verlinke das aber mal bei “wasgeht”. Frank zerfetzt das voraussichtlich in der Luft. Er hat ja z.B. schon vorgerechnet, dass man die Windräder gar nicht so dicht aufstellen kann, um damit die ganze Bundesrepublik zu versorgen, weil sie sich gegenseitig den Wind wegnehmen würden.

  20. #20 UMa
    8. Oktober 2015

    @Dampier
    Im Hochgebirge ist es wieder etwas anders. Denn da hast du ja weniger Gesamtdruck und damit auch weniger Stickstoff.

  21. #21 UMa
    8. Oktober 2015

    @Alderamin:

    Die Einheit wäre dann ja 10000 km²J/GW.

    Du meinst sicher nicht J (Joule) sondern a (Jahre). Das Kraftwerk mit einer mittleren Leistung von 1 GW erzeugt in einem Jahr 1 GWa = 8766 GWh Strom. Der Flächenverbrauch ist 10 km² * 1000 a = 10000 km²a, insgesamt 10000 km²/GW. Das Jahr kürzt sich raus.
    Wenn dieses 1 GW Beispiel-Kraftwerk (mit Neubauten, da es vermutlich nicht so lange hält) über Jahrtausende betrieben wird, verbraucht es tatsächlich 10000 km² Fläche, zu gleichen Zeit.

    Du kannst gern meine Berechnung überprüfen. Über Verbesserungsvorschläge oder gar gefundene Fehler würde ich mich freuen.
    Für die Windenergiedichte ich bin mit 2 W/m² auf das gleiche Resultat gekommen, wie D. MacKay in Referenz (8).
    Im unrealistischen Fall, dass die gesamte Erdoberfläche mit Windkraftwerken zugestellt würde, würde die Energiedichte auf 0.8 W/m² sinken, siehe z.B.
    K Marvel, B Kravitz, K Caldeira: “Geophysical limits to global wind power”, Nature Climate Change, 2013
    http://www.nature.com/nclimate/journal/v3/n2/full/nclimate1683.html

  22. #22 Alderamin
    8. Oktober 2015

    @UMa

    Du meinst sicher nicht J (Joule) sondern a (Jahre)

    Natürlich. Wollte erst y (year) schreiben und dann fiel mir die Abkürzung für Lichtjahr LJ ein. Dass das J schon für Joules steht, kam mir da gerade nicht in den Sinn.

    Der Flächenverbrauch ist 10 km² * 1000 a = 10000 km²a, insgesamt 10000 km²/GW. Das Jahr kürzt sich raus.

    Ach soooo, ja dann… Vielleicht wär’s für das Verständnis trotzdem sinnvoll, das Jahr nicht herauszukürzen, sondern km²a/GWh zu rechnen. Man drückt den Hubble-Parameter ja beispielsweise auch in km/s/MPc aus, obwohl sich km und MPc rauskürzen könnten.

    Du kannst gern meine Berechnung überprüfen. Über Verbesserungsvorschläge oder gar gefundene Fehler würde ich mich freuen.

    Der Berechnung glaube ich schon, es kommt auf die Annahmen an. Soweit ich sehe, sind die aber durch Referenzen abgedeckt. Das ist jetzt nicht so mein Fachgebiet, aber Frank von “wasgeht” engagiert sich ja sehr bzgl. des Themas, deswegen der Vorschlag, ihm das mal zu präsentieren. Der Tenor in seinem Blog scheint zu sein, ohne Kernkraft geht nicht viel und erneuerbare Energien werden überschätzt.

  23. #23 Dampier
    8. Oktober 2015

    @UMa, danke für die Info, wieder was gelernt.
    Danke auch nochmal für die ausführliche ANtwort in #8!