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Die Deckung des zukünftigen Energiebedarfs mit effizienteren, schadstoffärmeren und sicheren Energietechniken hat mittelfristig höchste Priorität. Verbrauchernahe Energiekonzepte, eingebunden in die regionale und überregionale Energieversorgungsstruktur werden wesentliche Elemente. Damit werden wichtige Beiträge zur ressourcen- und umweltschonenden Energieversorgung unter Ausnutzung lokaler - auch erneuerbarer - Energiequellen geleistet. Für die überregionale großräumige Energieversorgung ergeben sich zusätzliche Aufgaben, vom Lastausgleich größerer Mengen fluktuierender Energie bis zum Transport erneuerbarer Energie über große Entfernungen. Solare Dish-, Parabolrinnen- und Turmkraftwerke haben in sonnenreichen Ländern ein großes technisch-wirtschaftliches Einsatz- und CO2-Reduktionspotential, insbesondere im Mittelmeerraum. Die solarthermischen Stromkosten müssen jedoch noch um den Faktor 2 reduziert werden Zur Einführung solarer Energie im Kraftwerkmaßstab bietet sich die Kopplung mit effizienten und schadstoffarmen fossilen Energietechniken (z.B. GuD, solare Reformierung von Erdgas) an. Dish-Stirling-Systeme mit 10-50 kWe Einheitsleistung sind für die autarke, netzferne Energieversorgung in sonnenreichen Ländern z.T. bereits konkurrenzfähig mit Dieselgeneratoren. Dabei können hybride Dish-Systeme, z.B. mit Biomasse-Zusatzfeuerung gesicherte Leistung und hohe Arbeitsverfügbarkeit gewährleisten.
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.
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.
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.
Schlußwort
(1995)
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.
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.
Vorwort
(1995)
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.
Wärmerohre sind äußerst effiziente passive Wärmeübertragungselemente, die bei kleiner treibender Temperaturdifferenz große Wärmestromdichten transportieren können. Sie haben verschiedenartige Anwendungen gefunden, zum Temperaturausgleich und zum Forttransport der Wärmedissipation in Satelliten, zum Kühlen und Isothermalisieren elektronischer Bauteile und Schaltungen und von elektrischen Komponenten und Geräten, zur isothermen Beheizung oder Kühlung chemischer Reaktoren, zur Realisierung isothermer Hohlräume in der Ofentechnik oder für Strahlungsnormale, u.v.a.m. Neben der Elektronik-Kühlung ist das wichtigste Anwendungsgebiet der Einsatz von Wärmerohr-Wärmetauschern zur Wärmerückgewinnung aus stoffgebundenen Abwärme- Strömen, in erster Linie heißen Gasen, zum Zweck der Heizwärme- oder Prozeßwärmeerzeugung. Die Funktionsweise der wesentlichen Typen von Wärmerohren, Wärmerohr mit Kapillarstruktur und schwerkraftunterstütztes Wärmerohr ohne Kapillarstruktur, wird besprochen. Die Leistungsgrenzen schwerkraftunterstützter Wärmerohre werden dargestellt. Verschiedene technische Anwendungen werden diskutiert. Im Vordergrund steht dabei der Einsatz von Wärmerohren in Wärmerohr-Wärmetauschern zu Abfallenergienutzung.
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.