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Nachhaltige Energie

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Teil einer Serie über
Nachhaltige Energie
Windkraftanlagen bei Vendsyssel, Dänemark (2004)
Überblick
  • Nachhaltige Energie
  • Kohlenstoffneutraler Kraftstoff
  • Ausstieg aus fossilen Brennstoffen
Energieeinsparung
  • KWK
  • Effizienter Energieverbrauch
  • Energiespeicher
  • Grünes Gebäude
  • Wärmepumpe
  • CO2-arme Energie
  • Mikroerzeugung
  • Passives Solargebäude-Design
Erneuerbare Energie
  • Biotreibstoff
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  • Wasserkraft
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  • Welle
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Nachhaltiger Verkehr
  • Elektrisches Fahrzeug
  • Grünes Fahrzeug
  • Plug-in-Hybrid
  • Windkraftanlage-icon.svg Portal für erneuerbare Energien
  • Aegopodium podagraria1 ies.jpg Umweltportal

Nachhaltige Energie ist die Praxis, Energie so zu nutzen, dass "die Bedürfnisse der Gegenwart erfüllt werden, ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu beeinträchtigen, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen". [1] [2]

Die nachhaltige Deckung des weltweiten Bedarfs an Strom, Heizung, Kühlung und Strom für den Verkehr wird allgemein als eine der größten Herausforderungen für die Menschheit im 21. Jahrhundert angesehen. Weltweit haben fast eine Milliarde Menschen keinen Zugang zu Elektrizität , und rund 3 Milliarden Menschen sind zum Kochen auf rauchige Brennstoffe wie Holz, Holzkohle oder Tierdung angewiesen. Diese und fossile Brennstoffe tragen maßgeblich zur Luftverschmutzung bei , die jährlich schätzungsweise 7 Millionen Todesfälle verursacht. Die Erzeugung und der Verbrauch von Energie verursachen über 70% der vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen .

Vorgeschlagene Wege zur Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5 ° C beschreiben die rasche Umsetzung emissionsarmer Methoden zur Stromerzeugung und eine Verlagerung hin zu einer stärkeren Nutzung von Elektrizität in Sektoren wie dem Verkehr. Die Wege umfassen auch Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs; und Verwendung von klimaneutralen Brennstoffen wie Wasserstoff, der durch erneuerbaren Strom oder mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung erzeugt wird . [3] Um diese Ziele zu erreichen, sind staatliche Maßnahmen erforderlich, darunter CO2-Preise , energiespezifische Maßnahmen und der Ausstieg aus Subventionen für fossile Brennstoffe .

In Bezug auf Methoden zur Energieerzeugung wird der Begriff "nachhaltige Energie" häufig synonym mit dem Begriff " erneuerbare Energie " verwendet. Im Allgemeinen werden erneuerbare Energiequellen wie Solar- , Wind- und Wasserkraft allgemein als nachhaltig angesehen. Bestimmte Projekte im Bereich erneuerbare Energien wie die Rodung von Wäldern zur Herstellung von Biokraftstoffen können jedoch im Vergleich zur Nutzung fossiler Brennstoffe zu ähnlichen oder sogar noch schlimmeren Umweltschäden führen. Die Kernenergie ist eine emissionsfreie Quelle, und während ihre Nachhaltigkeit diskutiert wird, [4] [5] die Europäische Unionhat es als Teil eines kohlenstoffarmen Energierückgrats bis 2050 ausgewählt. [6]

Mäßige Mengen an Wind- und Sonnenenergie, die intermittierende Energiequellen sind, können ohne zusätzliche Infrastruktur wie Netzenergiespeicher in das Stromnetz integriert werden . Diese Quellen erzeugten 2018 7,5% des weltweiten Stroms [7], ein Anteil, der schnell gewachsen ist. Ab 2019 werden die Kosten für Wind, Sonne und Batterien voraussichtlich weiter sinken.

Definitionen

Gebäude in der Solarsiedlung Schlierberg sind mit Solarmodulen auf dem Dach ausgestattet und auf maximale Energieeffizienz ausgelegt. Dadurch produzieren sie mehr Energie als sie verbrauchen.

Das Konzept der nachhaltigen Entwicklung wurde von der Weltkommission für Umwelt und Entwicklung in ihrem 1987 erschienenen Buch Unsere gemeinsame Zukunft beschrieben . [1] Die heute weit verbreitete Definition von "Nachhaltigkeit" lautete: "Nachhaltige Entwicklung sollte den Bedürfnissen der Gegenwart entsprechen, ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu beeinträchtigen, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen." [1]

In ihrem Buch beschrieb die Kommission vier Schlüsselelemente der Nachhaltigkeit in Bezug auf Energie: die Fähigkeit, die Energieversorgung zu erhöhen, um den wachsenden menschlichen Bedürfnissen gerecht zu werden, Energieeffizienz und -erhaltung, öffentliche Gesundheit und Sicherheit sowie "Schutz der Biosphäre und Prävention von." lokalere Formen der Verschmutzung. " [8] Seitdem wurden verschiedene Definitionen für nachhaltige Energie angeboten, die auch auf den drei Säulen der nachhaltigen Entwicklung beruhen, nämlich Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft.

  • Zu den Umweltkriterien zählen Treibhausgasemissionen , Auswirkungen auf die biologische Vielfalt sowie die Erzeugung gefährlicher Abfälle und toxischer Emissionen.
  • Zu den wirtschaftlichen Kriterien zählen die Energiekosten, die Frage, ob Energie mit hoher Zuverlässigkeit an Benutzer geliefert wird, und die Auswirkungen auf die mit der Energieerzeugung verbundenen Arbeitsplätze.
  • Zu den soziokulturellen Kriterien gehören die Verhinderung von Kriegen um die Energieversorgung ( Energiesicherheit ) und die langfristige Verfügbarkeit von Energie.

Das Organisationsprinzip für Nachhaltigkeit ist die nachhaltige Entwicklung , die die vier miteinander verbundenen Bereiche umfasst: Ökologie, Ökonomie, Politik und Kultur. [9]

Aktueller Status

Die Bereitstellung nachhaltiger Energie wird allgemein als eine der größten Herausforderungen für die Menschheit im 21. Jahrhundert angesehen, sowohl hinsichtlich der Erfüllung der Bedürfnisse der Gegenwart als auch hinsichtlich der Auswirkungen auf zukünftige Generationen. [10] [11] Bill Gates sagte im Jahr 2011:

Wenn Sie mir die Wahl geben würden, die nächsten 10 Präsidenten auszuwählen oder sicherzustellen, dass Energie umweltfreundlich und ein Viertel so teuer ist, würde ich die Energiesache auswählen. [12]

Weltweit haben fast eine Milliarde Menschen keinen Zugang zu Elektrizität, und über 2,5 Milliarden Menschen verlassen sich beim Kochen auf schmutzige Brennstoffe. [13] Die Luftverschmutzung , die hauptsächlich durch die Verbrennung von Kraftstoff verursacht wird, tötet jedes Jahr schätzungsweise 7 Millionen Menschen. [14] Die Ziele der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung fordern "Zugang zu erschwinglicher, zuverlässiger, nachhaltiger und moderner Energie für alle" bis 2030. [15]

Energieerzeugung und -verbrauch tragen maßgeblich zum Klimawandel bei und sind ab 2014 für 72% der jährlichen vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Die Erzeugung von Strom und Wärme trägt 31% zu den vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen bei, der Energieverbrauch im Verkehr trägt dazu bei 15% und der Energieverbrauch in Fertigung und Bau trägt 12% bei. Weitere 5% werden durch Prozesse im Zusammenhang mit der Produktion fossiler Brennstoffe und 8% durch verschiedene andere Formen der Brennstoffverbrennung freigesetzt. [16] [17] Ab 2015 werden 80% der weltweiten Primärenergie aus fossilen Brennstoffen erzeugt. [18]

In Entwicklungsländern verlassen sich über 2,5 Milliarden Menschen auf traditionelle Kochherde [13] und offenes Feuer, um Biomasse oder Kohle zum Heizen und Kochen zu verbrennen. Diese Praxis verursacht schädliche lokale Luftverschmutzung und erhöht die Brandgefahr, was zu geschätzten 4,3 Millionen Todesfällen pro Jahr führt. [19] Darüber hinaus können schwerwiegende lokale Umweltschäden, einschließlich Wüstenbildung , durch übermäßiges Ernten von Holz und anderen brennbaren Materialien verursacht werden. [20] Die Förderung der Verwendung sauberer Brennstoffe und effizienterer Technologien zum Kochen ist daher eine der Hauptprioritäten der Initiative der Vereinten Nationen für nachhaltige Energie für alle . Ab 2019 Bemühungen um DesignSaubere Kochherde , die kostengünstig, mit nachhaltigen Energiequellen betrieben und für die Benutzer akzeptabel sind, waren größtenteils enttäuschend. [19]

Vorgeschlagene Wege zur Eindämmung des Klimawandels

Bangui Windpark auf den Philippinen .
Arbeiter bauen in Malawi eine Solarpanel-Array-Struktur

Die Kosten-Nutzen-Analyse wurde von einer Vielzahl von Spezialisten und Agenturen durchgeführt, um den besten Weg zur Dekarbonisierung der Energieversorgung der Welt zu finden. [21] [22] Der IPCC- Sonderbericht 2018 über die globale Erwärmung von 1,5 ° C besagt, dass zur Begrenzung der Erwärmung auf 1,5 ° C und zur Vermeidung der schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels "globale vom Menschen verursachte Nettoemissionen von CO"
2müsste bis 2030 gegenüber 2010 um etwa 45% fallen und um 2050 den Netto-Nullpunkt erreichen. "Im Rahmen dieses Berichts überprüfte die IPCC-Arbeitsgruppe zur Eindämmung des Klimawandels eine Reihe zuvor veröffentlichter Papiere, in denen Wege beschrieben werden (dh Szenarien und Portfolios von Minderungsoptionen) zur Stabilisierung des Klimasystems durch Änderungen in den Bereichen Energie, Landnutzung, Landwirtschaft und anderen Bereichen.

Die Wege, die mit der Begrenzung der Warnung auf ungefähr 1,5 ° C vereinbar sind, beschreiben einen raschen Übergang zur Stromerzeugung durch emissionsärmere Methoden und die zunehmende Verwendung von Elektrizität anstelle anderer Brennstoffe in Sektoren wie dem Verkehr. [23] Diese Pfade weisen die folgenden Merkmale auf (sofern nicht anders angegeben, sind die folgenden Werte der Median über alle Pfade):

  • Erneuerbare Energien: Der Anteil der durch erneuerbare Energien gelieferten Primärenergie steigt von 15% im Jahr 2020 auf 60% im Jahr 2050. [24] Der Anteil der durch Biomasse gelieferten Primärenergie steigt von 10% auf 27% [25], wobei wirksam kontrolliert wird, ob Die Landnutzung ändert sich beim Anbau von Biomasse. [26] Der Anteil von Wind und Sonne steigt von 1,8% auf 21%. [25]
  • Kernenergie: Der Anteil der durch Kernenergie gelieferten Primärenergie steigt von 2,1% im Jahr 2020 auf 4% im Jahr 2050. Die meisten Wege beschreiben eine Zunahme der Nutzung der Kernenergie, einige beschreiben jedoch eine Abnahme. Der Grund für die vielfältigen Möglichkeiten liegt darin, dass der Einsatz von Kernenergie "durch gesellschaftliche Präferenzen eingeschränkt werden kann". [27]
  • Kohle und Öl: Zwischen 2020 und 2050 sinkt der Anteil der Primärenergie aus Kohle von 26% auf 5% und der Anteil aus Öl von 35% auf 13%. [25]
  • Erdgas: Auf den meisten Wegen nimmt der Anteil der durch Erdgas gelieferten Primärenergie ab, auf einigen Wegen jedoch. Unter Verwendung der Medianwerte über alle Pfade sinkt der Anteil der Primärenergie aus Erdgas von 23% im Jahr 2020 auf 13% im Jahr 2050. [25]
  • Kohlenstoffabscheidung und -speicherung: Wege beschreiben eine stärkere Nutzung der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung für Bioenergie und Energie aus fossilen Brennstoffen. [27]
  • Elektrifizierung: Im Jahr 2020 werden rund 20% des Endenergieverbrauchs durch Strom bereitgestellt. Bis 2050 hat sich dieser Anteil auf den meisten Wegen mehr als verdoppelt. [28]
  • Energieeinsparung: Wege beschreiben Methoden zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Reduzierung des Energiebedarfs in allen Sektoren (Industrie, Gebäude und Verkehr). Mit diesen Maßnahmen zeigen die Wege, dass der Energieverbrauch zwischen 2010 und 2030 in etwa gleich bleibt und bis 2050 leicht zunimmt. [29]

Erneuerbare Energiequellen

Anstieg des Verbrauchs erneuerbarer Energien von 1965 bis 2016

In Bezug auf Energiequellen werden die Begriffe "nachhaltige Energie" und "erneuerbare Energie" häufig synonym verwendet, jedoch werfen bestimmte Projekte für erneuerbare Energien manchmal erhebliche Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit auf. Technologien für erneuerbare Energien tragen wesentlich zu nachhaltiger Energie bei, da sie im Allgemeinen zur weltweiten Energiesicherheit beitragen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern, wodurch die Treibhausgasemissionen verringert werden. [30]

Solarenergie

11 MW Solarkraftwerk in der Nähe von Serpa, Portugal

Im Jahr 2018 lieferte Solarenergie rund 3% des weltweiten Stroms. [7] Bei der Solarstromerzeugung werden Photovoltaikzellen verwendet , um Licht in elektrischen Strom umzuwandeln. Photovoltaikmodule können in Gebäude integriert oder in an das Stromnetz angeschlossenen Photovoltaikkraftwerken eingesetzt werden . Sie sind besonders nützlich, um abgelegene Gebiete mit Strom zu versorgen . Obwohl im Allgemeinen eine Garantie von 25 Jahren besteht, wird behauptet, dass ein durchschnittliches Solarmodul 40 Jahre hält [31] und fast alles davon recycelt werden kann. [32]

Derzeit können Photovoltaikmodule (PV) nur etwa 24% des Sonnenlichts, das sie trifft, in Elektrizität umwandeln. [33] Bei dieser Geschwindigkeit birgt die Solarenergie noch viele Herausforderungen für eine umfassende Implementierung. Bei der Senkung der Herstellungskosten und der Steigerung der Photovoltaik-Effizienz wurden jedoch stetige Fortschritte erzielt. Im Jahr 2008 entwickelten Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine Methode zur Speicherung von Sonnenenergie, bei der Wasserstoff aus Wasser erzeugt wird. [34] Diese Forschung zielt darauf ab, das Hindernis zu beseitigen, dem die solare Entwicklung bei der Speicherung von Energie zur Nutzung während der Nachtstunden gegenübersteht, wenn die Sonne nicht scheint.

Große nationale und regionale Forschungsprojekte zur künstlichen Photosynthese entwerfen Nanotechnologie Systeme -Basis , die Solarenergie zu Split Wasser in Wasserstoff Brennstoff verwenden [35] und ein Vorschlag für ein globale Künstliche Photosynthese Projekt vorgenommen. [36]

Die Forschung im Bereich der weltraumgestützten Solarenergie wird fortgesetzt. Dabei handelt es sich um ein Konzept, bei dem Sonnenkollektoren in den Weltraum gebracht werden und die von ihnen aufgenommene Energie als Mikrowellen zur Erde zurückgesendet wird. In China wird eine Testanlage für die Technologie gebaut. [37]

Das 1939 erbaute Solarhaus Nr. 1 des MIT nutzte den saisonalen Wärmespeicher (STES) für die ganzjährige Heizung.

Solarheizung

Skizze eines Parabolrinnensammlers

Solarheizsysteme bestehen im Allgemeinen aus Solarthermiekollektoren, einem Fluidsystem, um die Wärme vom Kollektor zu seinem Verwendungsort zu transportieren, und einem Speicher oder Tank zur Wärmespeicherung und anschließenden Verwendung. Die Systeme können zum Erhitzen von Brauchwarmwasser, Schwimmbadwasser oder zur Raumheizung verwendet werden. [38] Die Wärme kann auch für industrielle Anwendungen oder als Energieeintrag für andere Zwecke wie Kühlgeräte verwendet werden. [39] In vielen Klimazonen kann eine Solaranlage einen sehr hohen Prozentsatz (20 bis 80%) der Warmwasserenergie liefern. Wärme kann durch thermische Energiespeichertechnologien gespeichert werden. Beispielsweise kann die Sommerwärme für die Winterheizung gespeichert werden. Ähnliche Prinzipien werden verwendet, um Winterkälte für Sommerklimaanlagen zu speichern.

Windkraft

Windkraft: weltweit installierte Kapazität [40]

Im Jahr 2018 lieferte die Windenergie rund 6% der weltweiten Stromversorgung. [7] In einigen Bereichen kann es jedoch aus ästhetischen oder ökologischen Gründen schwierig sein, Windkraftanlagen zu platzieren. [30] Ein großer Windpark kann aus mehreren hundert einzelnen Windturbinen bestehen und eine ausgedehnte Fläche von Hunderten von Quadratmeilen abdecken. Das Land zwischen den Turbinen kann jedoch für landwirtschaftliche oder andere Zwecke genutzt werden. Ein Windpark kann sich auch vor der Küste befinden.

Nach etwa 20 Jahren müssen Windturbinenblätter durch größere Blätter ersetzt werden, und es wird weiter geforscht, wie sie am besten recycelt werden können und wie Blätter hergestellt werden können, die einfacher zu recyceln sind. [41]

Wasserkraft

Wasserkraftwerke sind eine der am weitesten verbreiteten Quellen für nachhaltige Energie.

Unter den erneuerbaren Energiequellen haben Wasserkraftwerke den Vorteil einer langen Lebensdauer - viele bestehende Anlagen sind seit mehr als 100 Jahren in Betrieb. Wasserkraftwerke sind außerdem sauber, haben nur geringe Emissionen und können Schwankungen bei Wind- und Sonnenenergie ausgleichen. [42] Kritikpunkte an großen Wasserkraftwerken sind: Verlagerung von Menschen, die dort leben, wo die Stauseen geplant sind, und Freisetzung von Treibhausgasen während des Baus und der Überflutung des Stausees. [43]

Es wurde jedoch festgestellt, dass hohe Emissionen nur mit flachen Stauseen in warmen (tropischen) Gebieten verbunden sind, und die jüngsten Innovationen in der Wasserkraftturbinentechnologie ermöglichen die effiziente Entwicklung von Wasserkraftprojekten mit geringem Einfluss auf den Flusslauf . [44] Im Allgemeinen verursachen Wasserkraftwerke viel geringere Lebenszyklusemissionen als andere Arten der Erzeugung.

Im Jahr 2015 lieferte die Wasserkraft 16% des weltweiten Stroms, nach einem Höchststand von fast 20% Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts. [45] In Kanada wurden 60% des Stroms und in Brasilien fast 80% des Stroms erzeugt. [45] Ab 2017 wurde der Bau neuer Wasserkraftwerke in den meisten Ländern außer China seit 1980 eingestellt oder verlangsamt. [45]

Biomasse

Zuckerrohrplantage zur Herstellung von Ethanol in Brasilien
Ein KWK-Kraftwerk, das mit Holz über 30.000 Haushalte in Frankreich mit Strom versorgt

Biomasse ist biologisches Material, das von lebenden oder kürzlich lebenden Organismen stammt. Als Energiequelle kann Biomasse entweder zur Wärmeerzeugung und zur Stromerzeugung verbrannt oder in moderne Biokraftstoffe wie Biodiesel und Ethanol umgewandelt werden .

Biomasse ist äußerst vielseitig und eine der am häufigsten genutzten erneuerbaren Energiequellen. Es ist in vielen Ländern erhältlich, was es attraktiv macht, um die Abhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen zu verringern. Wenn die Produktion von Biomasse gut gesteuert wird, können die Kohlenstoffemissionen durch die Aufnahme von Kohlendioxid durch die Pflanzen während ihrer Lebensdauer erheblich ausgeglichen werden. Diese "Kohlenstoffverschuldung" kann jedoch zu spät zurückgezahlt oder (insbesondere in den USA) nicht ordnungsgemäß berücksichtigt werden. [46] Wenn die Biomassequelle landwirtschaftliche oder kommunale Abfälle sind, bietet die Verbrennung oder Umwandlung in Biogas auch eine Möglichkeit, diese Abfälle zu entsorgen. [47] Die Bioenergieproduktion kann mit der Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff kombiniert werdenEs ist jedoch zweifelhaft, dass dies schnell genug skaliert werden kann, um ein System ohne Kohlenstoff oder mit negativem Kohlenstoff zu schaffen. [48]

Wenn Biomasse aus Pflanzen wie Baumplantagen gewonnen wird, kann der Anbau dieser Pflanzen natürliche Ökosysteme verdrängen , Böden abbauen und Wasserressourcen und synthetische Düngemittel verbrauchen. [47] [49] In einigen Fällen können diese Auswirkungen tatsächlich zu höheren Gesamtkohlenstoffemissionen führen als bei der Verwendung von Kraftstoffen auf Erdölbasis. [49] [50]

Biokraftstoffe

Biokraftstoffe sind Kraftstoffe wie Ethanol , die aus verschiedenen Arten von Biomasse wie Mais oder Zuckerrüben hergestellt werden. Biokraftstoffe sind normalerweise flüssig und werden zum Antrieb des Transports verwendet. Oft werden sie mit flüssigen fossilen Brennstoffen wie Benzin, Diesel oder Kerosin gemischt. Ab 2020 , die nachhaltige Biokraftstoff wird diskutiert .

Zellulose-Ethanol hat viele Vorteile gegenüber herkömmlichem Ethanol auf Maisbasis. Es nimmt die Lebensmittelversorgung nicht weg oder steht in direktem Konflikt mit ihr, da es aus Holz, Gräsern oder nicht essbaren Pflanzenteilen hergestellt wird. [51] Darüber hinaus haben einige Studien gezeigt, dass Ethanol auf Zellulosebasis möglicherweise kostengünstiger und wirtschaftlicher ist als Ethanol auf Maisbasis. [52] Ab 2018 waren die Bemühungen zur Kommerzialisierung der Produktion von Ethanol auf Zellulosebasis größtenteils enttäuschend, aber die neuen kommerziellen Bemühungen werden fortgesetzt. [53] [54]

Die Nutzung von Ackerland für den Anbau von Kraftstoff kann dazu führen, dass weniger Land für den Anbau von Nahrungsmitteln zur Verfügung steht . Da die Photosynthese von Natur aus ineffizient ist und Pflanzen auch erhebliche Mengen an Energie zum Ernten, Trocknen und Transportieren benötigen, ist die pro Landflächeneinheit erzeugte Energiemenge im Bereich von 0,25 W / m 2 bis 1,2 W / m sehr gering 2 . [55] In den USA hat Ethanol auf Maisbasis seit 2011 weniger als 10% des Motorbenzinverbrauchs ersetzt, jedoch rund 40% der jährlichen Maisernte des Landes verbraucht. [49] In Malaysia und Indonesien hat die Rodung von Wäldern zur Herstellung von Palmöl für Biodiesel dazu geführtschwerwiegende soziale und ökologische Auswirkungen , da diese Wälder kritische Kohlenstoffsenken und Lebensräume für gefährdete Arten sind. [56] Im Jahr 2015 entsprach die jährliche weltweite Produktion flüssiger Biokraftstoffe 1,8% der aus Rohöl gewonnenen Energie. [45] Es wurde vorgeschlagen, dass aufgrund der begrenzten Mengen, die nachhaltig produziert werden können, alles Biokraftstoff für die Luftfahrt sein sollte : Im Gegensatz zu anderen Transportmitteln kann die Langstreckenluftfahrt nicht mit Batterien, Wasserstoff, Ammoniak oder Brennstoffzellen betrieben werden. [57]

Geothermie

Eines von vielen Kraftwerken in The Geysers , einem geothermischen Kraftfeld in Nordkalifornien mit einer Gesamtleistung von über 750 MW.

Geothermie wird durch Nutzung der in der Erde erzeugten und gespeicherten Wärmeenergie erzeugt. Es entsteht durch den radioaktiven Zerfall eines Isotops aus Kalium und anderen Elementen in der Erdkruste. [58] Geothermische Energie kann durch Bohren in den Boden gewonnen werden, ähnlich wie bei der Ölexploration, und wird dann von einer Wärmeübertragungsflüssigkeit (z. B. Wasser, Salzlösung oder Dampf) transportiert. [58] Geothermische Systeme, die hauptsächlich von Wasser dominiert werden, können dem System größere Vorteile bringen und mehr Strom erzeugen. [59]Innerhalb dieser von Flüssigkeiten dominierten Systeme gibt es mögliche Bedenken hinsichtlich des Absinkens und der Kontamination der Grundwasserressourcen. Daher ist in diesen Systemen ein Schutz der Grundwasserressourcen erforderlich. Dies bedeutet, dass in flüssigkeitsdominierten geothermischen Reservoirsystemen eine sorgfältige Produktion und Konstruktion von Reservoirs erforderlich ist. [59] Geothermie gilt als nachhaltig, da diese Wärmeenergie ständig nachgefüllt wird. [60]

Geothermie kann zur Stromerzeugung und zum Heizen genutzt werden. Zu den verwendeten Technologien gehören Trockendampfkraftwerke, Flash-Dampfkraftwerke und Binärzykluskraftwerke. Ab 2010 wird die geothermische Stromerzeugung in 24 Ländern genutzt [61], während in 70 Ländern geothermische Wärme erzeugt wird. [62] internationalen Märkte wuchsen in den drei Jahren bis 2015 mit einer durchschnittlichen jährlichen Rate von 5 Prozent. [63]

Geothermie gilt als nachhaltige , erneuerbare Energiequelle, da die Wärmeextraktion im Vergleich zum Wärmegehalt der Erde gering ist . [64] Die Treibhausgasemissionen von geothermischen Elektrizitätswerken betragen durchschnittlich 45 Gramm Kohlendioxid pro Kilowattstunde Strom oder weniger als 5 Prozent der Emissionen herkömmlicher Kohlekraftwerke. [62]

Meeresenergie

Meeresenergie ist hauptsächlich Gezeitenkraft und Wellenkraft . Ab 2020 sind in Frankreich und China einige kleine Gezeitenkraftwerke in Betrieb [65], und die Ingenieure versuchen weiterhin, Wellenkraftgeräte robuster gegen Stürme zu machen. [66]

Nicht erneuerbare Energiequellen

Atomkraft

Stromerzeugungsbedingte CO 2 -Emissionen in Frankreich ab 27. Mai 2020 mit einer Gesamt-CO 2 -Intensität von 52 gCO2eq / kWh.
Stromerzeugungsbedingte CO 2 -Emissionen in Frankreich ab 27. Mai 2020 mit einer Gesamt-CO 2 -Intensität von 52 gCO 2 Äq / kWh. Quelle: electricmap.org

Die Nachhaltigkeit der auf Kernspaltung basierenden Kernenergie wird diskutiert, da die heute weit verbreitete Technologie abgebautes Uranerz verbraucht, das eine nicht erneuerbare Ressource ist. Da jedoch die Menge an Kernenergie pro Brennstoffeinheit millionenfach größer ist als die chemische Energie eines anderen Brennstoffs, sind die bei der Kernspaltung verwendeten Brennstoffmengen proportional geringer. Aufgrund des relativ geringen Brennstoffverbrauchs, der hohen Recyclingrate abgebrannter Brennelemente (bis zu 96%) und der enormen Reserven kann die Kernenergie in einer Größenordnung von Hunderten von Jahren als praktisch nachhaltig angesehen werden. [67]

Kernkraftwerke werden seit den 1950er Jahren eingesetzt, um eine emissionsfreie , stetige Stromversorgung zu erzeugen , ohne lokale Luftverschmutzung zu verursachen . Im Jahr 2012 erzeugten Kernkraftwerke in 30 Ländern 11% des weltweiten Stroms. [68] Nach Ansicht des IPCC handelt es sich bei der Kernenergie um eine kohlenstoffarme Energiequelle mit Treibhausgasemissionen im Lebenszyklus (einschließlich Abbau und Verarbeitung von Uran ), die den Emissionen aus erneuerbaren Energiequellen ähneln. [69] Ab 2020 liefert die Kernenergie 50% des kohlenstoffarmen Stroms der Europäischen Union und 26% der gesamten Energieerzeugung in Europa. [70]

Stromerzeugungsbedingte CO 2 -Emissionen in Deutschland ab 27. Mai 2020 mit einer CO2-Gesamtintensität von 257 gCO2eq / kWh.
Stromerzeugungsbezogene CO
2Emissionen in Deutschland ab 27. Mai 2020 mit Gesamt- CO
2Intensität von 257 gCO2eq / kWh. Quelle: electricmap.org

Die Anti-Atom-Bewegung hat seit 1993 zu einem Rückgang des Beitrags der Kernenergie zur globalen Stromversorgung geführt. [71] Die öffentliche Unterstützung für die Kernenergie ist aus Sicherheitsgründen häufig gering, [72] jedoch für jede Einheit von Kernenergie ist weitaus sicherer als Energie aus fossilen Brennstoffen. [73] Traditionelle Umweltgruppen wie Greenpeace und der Sierra Club lehnen jede Nutzung der Kernenergie ab. [74] Zu den Personen, die Atomkraft als grüne Energiequelle beschrieben haben, gehören Stewart Brand , [74] George Monbiot , [75] Bill Gates ,[76] James Lovelock [77] und Direktor von Greenpeace UK (2001-2007) Stephen Tindale . [78]

2018 wurde die Kernenergie von der Europäischen Union als Teil des kohlenstoffarmen europäischen Stromnetzes ausgewählt. [6]

Zukünftige Designs

Neuere Kernreaktorkonstruktionen sind in der Lage, Energie aus nuklearen Abfällen zu gewinnen, bis diese nicht mehr (oder dramatisch weniger) gefährlich sind, und verfügen über Konstruktionsmerkmale, die die Möglichkeit eines nuklearen Unfalls erheblich minimieren. Diese Konstruktionen (zum Beispiel der Salzschmelze-Reaktor ) müssen noch kommerzialisiert werden. Einige andere Reaktoren, wie der Integral Fast Reactor , können Atommüll durch einen Prozess "verbrennen", der als Kerntransmutation bekannt ist . Kernkraftwerke können durch den Einsatz von nuklearer Wiederaufbereitung und neueren Anlagen wie z. B. Schnellzüchteranlagen mehr oder weniger von ihrem Problem der nuklearen Abfälle befreit werden.

Thorium ist ein spaltbares Material, das in der Kernkraft auf Thoriumbasis verwendet wird . Der Thoriumbrennstoffkreislauf bietet gegenüber einem Uranbrennstoffkreislauf mehrere potenzielle Vorteile , darunter eine größere Häufigkeit , überlegene physikalische und nukleare Eigenschaften, eine bessere Beständigkeit gegen die Verbreitung von Atomwaffen [79] [80] [81] und eine verringerte Plutonium- und Actinidproduktion . [81] Daher wird es manchmal als nachhaltig bezeichnet. [82] Die Sicherheitsbewertung bereits in Betrieb befindlicher Kernkraftwerke zur Verlängerung ihrer Lebensdauer von möglicherweise bis zu 80 Jahren [83] wird fortgesetzt.[84] Unabhängig von früheren Unfällen bleibt die Kernenergie im Vergleich zu anderen Quellen die sicherste verfügbare Energiequelle pro Energieeinheit. [85]

Fusion

Eine potenzielle Energiequelle ist die Kernfusion (im Gegensatz zur heute verwendeten Kernspaltung ). Es ist die Reaktion, die in Sternen, einschließlich der Sonne, existiert. Derzeit im Bau befindliche Fusionsreaktoren ( ITER ) werden aufgrund fehlender Kettenreaktionen voraussichtlich von Natur aus sicher sein und keinen langlebigen Atommüll produzieren. [86] Der Brennstoff für Kernfusionsreaktoren ist Deuterium , Lithium und Tritium . [87]

Kohlenstoffabscheidung und -speicherung

Theoretisch können die Treibhausgasemissionen von Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen und Biomasse durch Kohlenstoffabscheidung und -speicherung erheblich reduziert werden , obwohl dieser Prozess teuer ist. Laut dem Zwischenstaatlichen Gremium für Klimawandel umfasst der kostengünstigste Weg zur Erreichung des 2 ° C-Ziels den massiven Einsatz einer bestimmten Art von Technologie für negative Emissionen, die als Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -bindung (BECCS) bezeichnet wird. [88] Um dieses Ziel durch BECCS zu erreichen, sind jedoch mehr Ressourcen erforderlich, als derzeit weltweit verfügbar sind. Zum Beispiel, um 10 Milliarden Tonnen CO 2 pro Jahr (GtCO 2) zu gewinnen/ y) würde Biomasse aus 40 Prozent des derzeitigen Ackerlandes der Welt benötigen. [89]

Verwalten intermittierender Energiequellen

In einem Pumpspeicherkraftwerk wird Wasser bergauf gepumpt. Die Stromerzeugung übersteigt den Bedarf. Das Wasser wird später freigesetzt, um Wasserkraft zu erzeugen .

Solar und Wind sind variable erneuerbare Energiequellen (VRE), die je nach Wetter und Tageszeit zeitweise Strom liefern. Durch die Kombination dieser Quellen kann die Gesamtunterbrechung verringert werden. [90] [91]

Die meisten Stromnetze wurden für nicht intermittierende Energiequellen wie Kohlekraftwerke gebaut. Laut der Internationalen Energieagentur : "Flexibilität des Stromversorgungssystems ist über eine Reihe von Zeiträumen hinweg erforderlich, und verschiedene Flexibilitätshardwarelösungen und Lösungen für Betriebspraktiken bieten zeitskalenspezifische Funktionen." [92] Die Hälfte des weltweiten Stroms muss bis 2030 aus Wind und Sonne bestehen, um den weltweiten Temperaturanstieg bis 2050 auf deutlich unter 2 ° C zu begrenzen. [93] Da größere Mengen an Sonnen- und Windenergie in das Netz integriert werden, Es wird notwendig, Änderungen am Gesamtsystem vorzunehmen, um sicherzustellen, dass das Stromangebot an die Nachfrage angepasst wird. Diese Änderungen können Folgendes umfassen:

  • Nutzung von Wasserkraft, Erdgasanlagen oder anderen fossilen Brennstoffen oder Kernkraftwerken zur Erzeugung von Notstrom
  • Verwenden von Netzenergiespeichern , um überschüssige Sonnen- und Windenergie zu speichern und bei Bedarf freizugeben. Die am häufigsten verwendete Speichermethode ist die Pumpspeicher-Wasserkraft , die nur an Orten möglich ist, die sich neben einem großen Hügel oder einer tiefen unterirdischen Mine befinden. Batterien sind weit verbreitet. Andere Speichertechnologien wie Power-to-Gas wurden in begrenzten Situationen eingesetzt. [94]
  • Stromhandel mit anderen Standorten in einem regionalen Netz oder über Fernübertragungsleitungen
  • Reduzierung des Strombedarfs zu bestimmten Zeiten durch Energiebedarfsmanagement und Nutzung intelligenter Netze .
  • Der Energiemarkt oder genauer gesagt der Strommarkt ändert sich, damit die Flexibilität der Stromversorgung besser bezahlt wird [95] [96]

Ab 2019 stellen die Kosten und die Logistik der Energiespeicherung für große Ballungszentren eine erhebliche Herausforderung dar, obwohl die Kosten für Batteriesysteme dramatisch gesunken sind. [97] Eine Studie aus dem Jahr 2019 ergab beispielsweise, dass die Energiespeicherkapazität von 11 GW auf 11 GW erhöht werden muss, damit Solar- und Windenergie die gesamte Erzeugung fossiler Brennstoffe für eine Woche extremer Kälte im Osten und Mittleren Westen der USA ersetzen diese Zeit zwischen 230 GW und 280 GW, je nachdem, wie viel Atomkraft ausfällt. [97]

Pumpspeicher sowie Last nach Kohle-, fossilen Gas- und Kernkraftwerken sind ab 2020 die am weitesten verbreiteten Techniken zum Ausgleich intermittierender Energiequellen.

Ab 2020 in der Europäischen Union dieser hat die sich de facto Standard in Ländern, die entschieden heruntergefahren ihre emissionsfreie Kernkraftwerke wie Deutschland. [98] [99] [100] [101] Diese Praxis hat zu einer Debatte zwischen Deutschland geführt, das erhebliche Investitionen in die Einfuhr fossiler Gase getätigt hat , dessen CO jedoch gescheitert ist
2Emissionsminderungsziele [102] und Frankreich, dessen Energiemix größtenteils aus Kernenergie besteht und dessen durchschnittliche CO2-Emissionen aus dem Energiesektor 5x geringer sind als in Deutschland. [103] [104]

Energieeffizienz

Um in Richtung Energie-Nachhaltigkeit zu gelangen, müssen nicht nur die Art und Weise, wie Energie bereitgestellt wird, sondern auch die Art und Weise, wie sie genutzt wird, geändert werden. Eine Reduzierung des Energiebedarfs für die Lieferung verschiedener Waren oder Dienstleistungen ist von wesentlicher Bedeutung. Verbesserungsmöglichkeiten auf der Nachfrageseite der Energiegleichung sind ebenso vielfältig und vielfältig wie auf der Angebotsseite und bieten häufig erhebliche wirtschaftliche Vorteile. [105]

Effizienz verlangsamt das Wachstum der Energienachfrage, sodass durch die steigende Versorgung mit sauberer Energie der Verbrauch fossiler Brennstoffe erheblich gesenkt werden kann. Eine kürzlich durchgeführte historische Analyse hat gezeigt, dass die Geschwindigkeit der Verbesserung der Energieeffizienz im Allgemeinen durch die Wachstumsrate der Energienachfrage übertroffen wurde, die auf das anhaltende Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum zurückzuführen ist . Infolgedessen haben trotz Energieeffizienzgewinnen der Gesamtenergieverbrauch und die damit verbundenen Kohlenstoffemissionen weiter zugenommen. Angesichts der thermodynamischen und praktischen Grenzen der Verbesserung der Energieeffizienz ist es daher wichtig, das Wachstum des Energiebedarfs zu verlangsamen. [106]Wenn die Versorgung mit sauberer Energie jedoch nicht schnell online geht, wird das verlangsamte Nachfragewachstum nur die Gesamtemissionen senken. Eine Reduzierung des Kohlenstoffgehalts von Energiequellen ist ebenfalls erforderlich. Jede ernsthafte Vision einer nachhaltigen Energiewirtschaft erfordert daher Verpflichtungen sowohl für erneuerbare Energien als auch für Effizienz. [107]

Trends

Bis 2019 liefern fossile Brennstoffe immer noch über 80% des weltweiten Energieverbrauchs, und obwohl der Energieverbrauch pro Person in den 2020er Jahren voraussichtlich seinen Höhepunkt erreichen wird, steigt der Einsatz nachhaltiger Energie nicht schnell genug, um das 2-Grad-Ziel des Pariser Abkommens zu erreichen. [108]

Ab 2019 variieren die Prognosen für die 400 GW Kernkraftkapazität, die 2018 10% des weltweiten Stroms lieferte, von einem Rückgang um 8% bis zu einem Anstieg um 25% bis 2030. [109]

Im Jahr 2020 warnte die Internationale Energieagentur, dass die durch den Ausbruch des Coronavirus verursachten wirtschaftlichen Turbulenzen Unternehmen daran hindern oder verzögern könnten, in grüne Energie zu investieren. [110] [111] [112] Der Ausbruch könnte möglicherweise zu einer Verlangsamung der weltweiten Energiewende führen, wenn keine Maßnahmen ergriffen werden. [113]

Brennstoffumstellung von Kohle auf Erdgas

Im Durchschnitt für eine gegebene Energieeinheit erzeugt, die Treibhausgasemissionen von Erdgas sind um die Hälfte der Emissionen von Kohle , wenn zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden, und etwa zwei Drittel der Ausstoß von Kohle , wenn zur Erzeugung Wärme verwendet: Jedoch reduzieren Methan Lecks ist Imperativ. [114] Erdgas verursacht auch deutlich weniger Luftverschmutzung als Kohle. Der Bau von Gaskraftwerken und Gaspipelines wird daher gefördert, um die Emissionen zu reduzieren und den Kohleverbrauch einzustellen. Diese Praxis ist jedoch umstritten. Gegner argumentieren, dass die Entwicklung der Erdgasinfrastruktur jahrzehntelange Kohlenstoffbindung und gestrandete Vermögenswerte schaffen wirdund dass erneuerbare Energien bei vergleichbaren Kosten weitaus weniger Emissionen verursachen. [115] Die Treibhausgasemissionen von Erdgas im Lebenszyklus betragen etwa das 40-fache der Emissionen von Wind- und Kernenergie.

Elektrifizierung

Trotz fortgesetzter Elektrifizierung könnten fossile Brennstoffe bis 2040 immer noch mehr als zwei Drittel der Weltenergie liefern. [108]

Energiepolitik der Regierung

Wenn man die Trends beim weltweiten Energieverbrauch vergleicht, zeigt die grüne Linie das Wachstum erneuerbarer Energien bis 2015 [116].

Laut IPCC sind sowohl explizite CO2-Preise als auch ergänzende energiespezifische Maßnahmen notwendige Mechanismen, um die globale Erwärmung auf 1,5 ° C zu begrenzen. [117]

Energiespezifische Programme und Vorschriften waren in der Vergangenheit die Hauptstütze der Bemühungen zur Reduzierung der Emissionen fossiler Brennstoffe. [118] Zu den erfolgreichen Fällen zählen der Bau von Kernreaktoren in Frankreich in den 1970er und 1980er Jahren sowie Brennstoffeffizienzstandards in den USA, durch die Milliarden Barrel Öl eingespart wurden. [118] Weitere Beispiele für energiespezifische Maßnahmen sind Energieeffizienzanforderungen in Bauvorschriften, das Verbot neuer Kohlekraftwerke, Leistungsstandards für Elektrogeräte und die Unterstützung der Nutzung von Elektrofahrzeugen . [119] [117] Dennoch bleiben Subventionen für fossile Brennstoffe ein wesentliches Hindernis für den Übergang zu einem sauberen Energiesystem. [120]

Kohlenstoffsteuern sind ein wirksames Mittel, um die Bewegung in Richtung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft zu fördern , und bieten gleichzeitig eine Einnahmequelle, mit der andere Steuern gesenkt werden können [121] oder einkommensschwachen Haushalten geholfen werden kann, sich höhere Energiekosten zu leisten. [122] Die Kohlendioxidsteuern sind in einigen Ländern stark politisch zurückgedrängt worden, während energiespezifische Maßnahmen tendenziell politisch sicherer sind. [118] Laut OECD kann der Klimawandel nicht ohne Kohlenstoffsteuern auf Energie eingedämmt werden, aber 70% der energiebezogenen CO2-Emissionen wurden 2018 überhaupt nicht besteuert. [123] Einige Studien schätzen, dass eine Kohlenstoffsteuer mit einer energiespezifischen kombiniert wird Politik wäre kostengünstiger als eine Kohlenstoffsteuer allein.[117]

Nachhaltige Energieforschung

Es gibt zahlreiche Organisationen im akademischen, föderalen und kommerziellen Sektor, die umfangreiche fortgeschrittene Forschung auf dem Gebiet der nachhaltigen Energie betreiben. Die wissenschaftliche Produktion für nachhaltige Energiesysteme steigt exponentiell von etwa 500 englischen Zeitschriftenartikeln nur über erneuerbare Energien im Jahr 1992 auf fast 9.000 Artikel im Jahr 2011. [124]

Wasserstoff

Wasserstoff ist ein emissionsfreier Kraftstoff, der durch Elektrolyse hergestellt werden kann, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Wasserstoff kann in einem nachhaltigen Energiesystem eine Rolle spielen, wenn der zur Erzeugung verwendete Strom aus nachhaltigen Quellen wie Wind oder Sonne erzeugt wird. Wasserstoff kann erzeugt werden, wenn ein Überschuss an intermittierendem erneuerbarem Strom vorhanden ist, der dann gespeichert und zur Erzeugung von Wärme oder zur Wiedererzeugung von Strom verwendet wird. Wasserstoff kann per Schiff [125] oder über Pipelines verteilt werden. Bis zu 20% können in Erdgaspipelines eingemischt werden, ohne dass Pipelines oder Geräte gewechselt werden müssen [126]. Da Wasserstoff jedoch so leicht ist, würden nur 7% der Emissionen eingespart. [127] Ab 2020Derzeit laufen Versuche, ein Erdgasnetz auf 100% Wasserstoff umzustellen [128] , um die Emissionen aus der Erdgasheizung in Wohngebieten und in der Industrie zu verringern oder zu eliminieren. [129] Es kann verwendet werden, um Fahrzeuge mit Wasserstoffbrennstoffzellen anzutreiben . [130] Da es einen geringen Energie- / Volumengehalt aufweist, ist es in wasserstoffbetriebenen Schiffen oder schweren Straßenfahrzeugen [131] einfacher zu verwenden als in Autos und Flugzeugen.

Ab 2018 wird nur sehr wenig der weltweiten Wasserstoffversorgung aus nachhaltigen Quellen erzeugt. Fast der gesamte Wasserstoff wird durch Dampfmethanreformierung (SMR) erzeugt, was zu hohen Treibhausgasemissionen führt, aber derzeit billiger ist als die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse. Obwohl ein Teil des Kohlenstoffs aus SMR gewonnen werden könnte, kann der Prozess nachhaltiger gestaltet werden, indem eine autotherme Reformierung mit Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung eingesetzt wird, um den größten Teil des emittierten Kohlendioxids zu entfernen. [129]

Siehe auch

  • Umweltauswirkungen der Energiewirtschaft
  • Veräußerung fossiler Brennstoffe
  • Lebenszyklus-Treibhausgasemissionen von Energiequellen
  • Initiative „ Nachhaltige Energie für alle “

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