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Wärmenetze
(1995)
Wärmenetze sind in das Bestreben, Energie- und Stoffwandlungskaskade optimal miteinander zu verknüpfen, einzuordnen. Sie sind in vielen Fällen die wirtschaftlichste Lösung auf dem Weg zu abprodukt- und abwärmefreien Technologien. Bei der Systemgestaltung muß dabei allerdings der Zusammenhang zwischen den Teilsysteme berücksichtigt werden. Das Entwurfsproblem im engeren Sinne besteht in einer kostenoptimalen Kopplung von abzukühlenden (warmen) und aufzuwärmenden (kalten) Strömen. Die Art der Zielfunktion führt dabei im allgemeinen zu einer maximalen regenerativen Wärmenutzung mit minimaler äußerer Wärmezu- und -abfuhr. Die Grundtendenz des optimalen Entwurfes ist durch die globale Realisierung des Gegenstromprinzipes geprägt. Der in vielen Wärmenetzen auftretende Engpaß durch die geforderten Temperaturen „pinch" begrenzt die regenerative Wärmenutzung und kann durch den Einsatz von Kreisprozessen oder gezielten Änderungen im Stoffwandlungssystem beeinflußt werden. Die Kopplung an das äußere System und dessen Gestaltung bedarf gleichfalls einer Optimierung. Die „grand composite curve" veranschaulicht die dabei anzustrebenden Verhältnisse. Einige Teilprobleme, wie Steuerbarkeit und Flexibilität von Wärmenetzen bedürfen weiterer Untersuchungen. Während für die Optimierung der Regeneration thermodynamische Methoden sehr anschaulich und leistungsfähig sind, scheint hier der Einsatz von wissensbasierten Algorithmen und Strukturparametermethoden aussichtsreich. In diesem Zusammenhang besteht ein Forschungs- und Entwicklungsbedarf besonders in Richtung der Anwendung auf Mehrproduktenanlagen und Batch-Prozesse.
Wärmetransformation
(1995)
Die Aufwertung von Abwärme durch Wärmetransformation kann sowohl mit Hilfe von Arbeit oder Antriebswärme als auch durch Nutzung eines Teils der Abwärme selbst erfolgen. Zu diesem Zwecke steht eine Vielzahl von industriell erprobten Kreisprozessen zur Verfügung. Mechanisch angetriebene Wärmetransformationsprozesse sind auf Grund des Wirkungsgrades der Elektroenergieerzeugung der Wärmeversorgung durch Wärme-Kraft-Kopplung und durch wärmeangetriebene Transformationsprozesse, meist bereits thermodynamisch unterlegen. Das gilt besonders für den Fall, daß durch den Wärmepumpeneinsatz zusätzlich thermodynamische Verluste bei der Wärmeversorgung vermieden werden können. Trotz dieser prinzipiellen Aspekte ist die Auswahl eines geeigneten Transformationsprozesses maßgeblich von den Betriebsbedingungen der abwärmeerzeugenden Anlage und von der Wärmeverund -entsorgungssituation im Umfeld der Anlage abhängig. Besonders günstige Einsatzbedingungen liegen dann vor, wenn neben der Abwärmenutzung weitere technologische oder umwelttechnische Zielstellungen erfüllt werden können. Wie untersuchte industrielle Beispiele zeigen, ergeben sich auch bei den gegenwärtigen Energiepreisen unter günstigen technologischen Randbedingungen selbst aus ausschließlich energetischen Gründen ökonomisch sinnvolle Einsatzmöglichkeiten für Wärmetransformationsprozesse, d.h. Rückflußdauern von 1-5 Jahren.
Unter Technikfolgenabschätzung (TA) versteht man eine Methode zur Identifikation potentieller Auswirkungen von Technikeinsatz sowie zur Bewertung dieser Auswirkungen. Zwei wesentliche Probleme der TA bestehen in der Berücksichtigung von Unsicherheiten und der Integration divergierender Ansichten von Fachleuten und politischen Entscheidungsträgern. Dies gilt besonders für Energiesysteme. Diese haben die Gesellschaft polarisiert, und mit einzelnen Energiesystemen verbindet man feste Meinungsmuster. Daher sollte die TA zunächst die Bewertungskriterien politischer Entscheidungsträger erheben, um auf dieser Basis mögliche Konsequenzen wissenschaftlich abschätzen zu können. Im Anschluß daran gilt es, einen Diskurs zu organisieren, um die identifizierten Konsequenzen zu bewerten. Ein solcher Diskurs muß unterscheiden zwischen der Erarbeitung von Kriterien, der Identifikation und Quantifizierung der Auswirkungen sowie der Bewertung dieser Auswirkungen im Hinblick auf ihre Wünschbarkeit.
Rechtsregeln über die Nutzung von Abwärme finden sich in der Bundesrepublik Deutschland im Energierecht wie auch im Immissionsschutzrecht. Ersteres zielt auf die Schonung der Energiereserven ab. Hier gibt es bisher nur eine punktuelle Regelung zur Abwärmenutzung in Gebäuden. Das Immissionsschutzrecht will die Umweltbelastung verringern. Es interessiert sich für Abwärme, weil deren Reduzierung oder Nutzung den Bedarf an immissionsträchtiger Energieerzeugung insbesondere durch fossile Brennstoffe verringert. In diesem Bereich hat die Regierung einen Regelungsauftrag des Gesetzgebers bisher noch nicht erfüllt. Nur im Teilbereich der Abfallverbrennung gibt es eine Regelung, über eine umfassende Rechtsverordnung wird noch zwischen Bund und Ländern gestritten. Die Konzeption der Bundesregierung lautet dabei: Energieersparnis durch Abwärmenutzung ist bedingt und begrenzt durch den Umweltschutz. Dies dient dann mittelbar auch der Schonung der Energiereserve. Alle bisherigen Teilregelungen und auch der Gesamtentwurf zeigen jedoch bereits schon ein gemeinsames Charakteristikum: Abwärmenutzung und -Vermeidung als Pflicht steht unter der Bedingung, daß sich die erforderlichen Maßnahmen in der Zeit der Nutzung einer Anlage wieder amortisieren und damit zumindest kostenneutral sind. Auch der Entwurf einer Wärmenutzungsverordnung zeigt, daß Energiesparen durch Abwärmenutzung nur dann verlangt wird, wenn sie sich betriebswirtschaftlich rentiert oder jedenfalls zu keinen Verlusten führt. Die Amortisationsmöglichkeit bestimmt auch den Umfang der Pflicht zu Energiesparmaßnahmen. Nationale oder gar internationale Interessen an einer sparsamen Energieverwendung spielen keine selbständige Rolle. Eine Internalisierung externer Kosten über die Emissionsvermeidung hinaus ist nicht vorgesehen, obwohl auch verhältnismäßige Belastungen von Verursachern für Zwecke des Umweltschutzes und der Energieersparnis verfassungsrechtlich durchaus zulässig wären. Genaue Aussagen könnte man hier aber nur in konkreten Einzelfällen machen. Solche Regelungen sind aber ersichtlich momentan weder existent noch geplant.
Die ganzheitliche Bilanzierung stellt ein wichtiges Instrument zur Beurteilung von Energiewandlungsketten und Energiesystemen dar. Ziel einer derartigen Analyse ist die Bewertung von unterschiedlichen Systemen, die den gleichen Nutzen erbringen, um zusätzliche Entscheidungshilfen für oder gegen deren Einsatz zur Verfügung zu stellen. Dazu ist u. a. eine möglichst vollständige Bilanzierung aller Energie- und Stoffströme erforderlich, die ursächlich mit Herstellung, Betrieb und Entsorgung aller benötigten Anlagen und Betriebsmittel verbunden sind. Im folgenden Beitrag werden zunächst die Grundlagen der ganzheitlichen Bilanzierung erläutert. Am Beispiel der Bilanzierung klimarelevanter Gase bei der Bereitstellung von elektrischer Energie aus Steinkohle wird die methodische Vorgehensweise anschließend konkretisiert. Darauf aufbauend werden im Rahmen eines Vergleichs von Stromerzeugungssystemen erste Ergebnisse solcher ganzheitlicher Bilanzierungen vorgestellt und die dabei auftretenden Probleme diskutiert. Hier werden exemplarisch der Materialaufwand, der Energieaufwand, die Emissionen, der Flächenbedarf und die Kosten für die jeweiligen Systeme bestimmt und miteinander verglichen. Abschließend wird ein Gesamtvergleich anhand einer definierten Versorgungsaufgabe mit vorgegebener Versorgungssicherheit durchgeführt.
Vorschläge und Diskussionen über die Nutzung von Abwärme und vor allem von Kraftwerksabwärme haben heute eine besondere Bedeutung. Dabei werden aber - ganz abgesehen von den ökonomischen Fragen - die ausschließlich technischen Probleme oft falsch eingeschätzt und interpretiert. Das erklärt sich zum einen Teil schon aus der Unkenntnis der definitorischen Abgrenzung der Begriffe. Deshalb wird im folgenden ein Begriffs- und Definitionsschema angesprochen, das eine einheitliche systematische Betrachtung von energetischen Prozessen ermöglichen soll unter Einfluß der Gesichtspunkte, die für eine Nutzung von Abfallenergien notwendig sind. Wegen der zahlreichen Wechselwirkungen und Verknüpfungen zwischen Energieumwandlung und -anwendung ist es zwingend notwendig, beide Bereiche gemeinsam in einer ganzheitlichen Schau zu betrachten. Das bietet sich ohnehin an, da in beiden Bereichen eine einheitliche Schematisierung der Energieströme möglich ist. Der eigentliche Unterschied besteht in den verschiedenen Zielen der technischen Prozesse, um derentwillen Energie eingesetzt wird. Technische Prozesse im Energiesektor haben das Ziel, Primärenergieträger zu gewinnen und aufzubereiten oder Sekundärenergieträger zu erzeugen bzw. Primärenergieträger in solche umzuwandeln. Die jeweilige Art und Sorte der von diesen Prozessen als gewünschtes Ergebnis gelieferten Energieträger ist Zielenergie im Sinne dieser Prozesse.
Die Energiefrage stellt sich längst nicht mehr allein als ein technologisches oder ökonomisches Problem dar. Heute in angemessener Weise über das Energieproblem sprechen, bedeutet zugleich über die ethische Frage der Verantwortbarkeit der für seine Lösung eingeschlagenen Wege sprechen. Zunehmend gewinnen Überlegungen genuin ethischer Art an Gewicht und rücken ins Zentrum der Diskussion. Freilich sind mittlerweile auch hier Tendenzen zur Instrumentalisierung gerade von ethischen Aussagen unverkennbar. Diese werden meist aus ihrem Gesamtkontext herausgelöst und je nach Inhalt zur Untermauerung der jeweiligen bereits vorgefaßten Meinung herangezogen. Ethik erscheint so nicht selten entweder in der Rolle einer Bußpredigerin einer verderbten Gegenwart, als Prophetin einer heilen Zukunft oder schlicht als Verteidigerin des Status Quo. Solchem Mißbrauch gilt es zu wehren, wenn man die Rolle und die Aufgabenstellung der Ethik zu bestimmen sucht, die dieser im Diskurs über eine verantwortbare Energieversorgung der Zukunft zukommt. Eines gleich vorweg: Ethik - wie sie hier verstanden wird - ist nicht aufgeordnete Vorentscheidung. Ethik bietet vielmehr Hilfestellungen, damit jeder einzelne, aber gerade auch jede besondere Verantwortungsträgerin bzw. jeder besondere Verantwortungsträger in rechtfertigungsfähiger und damit verantwortlicher Weise ihre Entscheidungen treffen können.
Vor dem Hintergrund der Diskussionen um die Folgen des anthropogenen Treibhauseffekts werden im folgenden die Perspektiven einer energetischen Nutzung von Abfällen organischen Ursprungs in Deutschland als eine Möglichkeit zu deren Entsorgung analysiert. Organische Abfälle fallen dabei in der Land- und Forstwirtschaft, der Industrie und den Haushalten an (u. a. Alt- und Restholz, Stroh, Gras, Laub, Dung, Klärschlamm, organischer Müll). Zusätzlich dazu kommen nicht unter den Begriff Abfall fallende „Nebenprodukte", die zwar eine dem Abfall entsprechende Produktpalette umfassen, deren Gewinnung aber noch vom Produktionszweck umfaßt wird. Für solche organischen Abfälle und Nebenprodukte werden im folgenden die technischen Potentiale dargestellt, die Kosten analysiert und darauf aufbauend die wirtschaftlichen Potentiale diskutiert. Auch wird auf die Erschließungspotentiale im Rahmen einer Wenn-Dann-Betrachtung eingegangen.
Die Anwendung der Naturgesetze auf das verhaltenslenkende Gehirn widerspricht auf den ersten Blick der Freiheit des menschlichen Willens. Entsprechendes gilt für die Anwendung der Allmacht Gottes auf alle Vorgänge einschliesslich des menschlichen Verhaltens. Bei einem zweiten Blick auf diese scheinbar so konsequenten Gedankengänge erkennt man aber Verstrickungen in Selbstbezüglichkeiten, die jeweils Mehrdeutigkeiten und Grenzen unseres möglichen Wissens implizieren. Diese zeigten sich schon in Gödels Grenzen mathematisch-logischer Entscheidbarkeit ebenso wie in Heisenbergs Unbestimmtheitsgesetzen der Quantenphysik. Entsprechende Grenzen könnte es für eine vollständige physikalisch begründete Theorie unseres Bewußtseins und damit auch des menschlichen Willens geben - schliesslich würde sie Bewußtsein von Bewußtsein implizieren. In der theologischen Gedankenlinie wiederum kann sich die Allmacht Gottes auch auf die Allmacht selbst richten, indem sie eine weise naturgesetzliche Ordnung ohne ständige göttliche Eingriffe begr ündet und darin den Menschen als Freien will - so etwa sahen es freiheitsfreundliche unter den Theologen wie Eriugena und Cusanus. Mein Essay weist darauf hin, dass selbst bei so verschiedenen Denkweisen wie den naturwissenschaftlichen und theologischen jeweils analoge Selbstbezüglichkeiten auftreten, die unsere Erkenntnis begrenzen.
Biological evolution and technological innovation, while differing in many respects, also share common features. In particular, the implementation of a new technology in the market is analogous to the spreading of a new genetic trait in a population. Technological innovation may occur either through the accumulation of quantitative changes, as in the development of the ocean clipper, or it may be initiated by a new combination of features or subsystems, as in the case of steamships. Other examples of the latter type are electric networks that combine the generation, distribution, and use of electricity, and containerized transportation that combines standardized containers, logistics, and ships. Biological evolution proceeds, phenotypically, in many small steps, but at the genetic level novel features may arise not only through the accumulation of many small, common mutational changes, but also when distinct, relatively rare genetic changes are followed by many further mutations. New evolutionary directions may be initiated by, in particular, some rare combinations of regulatory sections within the genome. The combinatorial type of mechanism may not be a logical prerequisite for biological innovation, but it can be efficient, especially when novel features arise out of already highly developed systems. Such is the case with the evolution of general, widely applicable capabilities of the human brain. Hypothetical examples include the evolution of strategic thought, which encompasses multiple self-representations, cognition-based empathy, meta-levels of abstraction, and symbolic language. These capabilities of biologically modern man may have been initiated, perhaps some 150 000 years ago, by one or few accidental but distinct combinations of modules and subroutines of gene regulation which are involved in the generation of the neural network in the cerebral cortex. This hypothesis concurs with current insights into the molecular biology of the combinatorial and hierarchical facets of gene regulation that underlie brain development. A theory of innovation encompassing technological as well as biological development cannot per se dictate alternative explanations of biological evolution, but it may help in adding weight and directing attention to notions outside the mainstream, such as the hypothesis that few distinct genetic changes were crucial for the evolution of modern man.