“Erneuerbare Energien – einfach nachgerechnet” – unser Beitrag zum MINT Festival der @UniJena am Donnerstag.  Hier gibt’s weitere Infos und Links. #moMINTmal21 @MPI_BGC

Wieviel erneuerbare Energie gibt es eigentlich? Reicht sie für die Energiewende in Deutschland?  Die Antworten liefern einfache, physikalisch-basierte Abschätzungen, bei der das Erdsystem im Mittelpunkt steht sowie die Umwandlungen von der Energie im Sonnenlicht in andere Formen. Und dabei steht etwas Physik, genauer gesagt, die Thermodynamik im Mittelpunkt. Das Ergebnis ist nicht ganz so, wie man es vielleicht erwarten würde. Nämlich, dass es zwar jede Menge erneuerbare Energie gibt, aber auch, dass die Nutzung der Solarenergie mit großem Abstand auf Platz 1 liegt, und nicht die Windenergie. Selbst im nicht ganz so sonnigen, aber oft windigen Deutschland. 

Ein Kraftwerk ist ein Beispiel für wie aus Wärme nutzbare Energie erzeugt wird. Mit den gleichen physikalischen Regeln erzeugt die Erde erneuerbare Energien. Dies ist der Ausgangspunkt, um zu verstehen und abzuschätzen, wieviel erneuerbare Energie es eigentlich gibt. Bildquelle Erde: NASA.

Wie, und wieviel, Energie erzeugt nun die Erde? Der Ausgangspunkt dazu bildet die Thermodynamik. Thermodynamik hört sich oft erstmal abschreckend an – Lehrbücher sind ja gut gefüllt mit komplexer Mathematik. Aber es wird gar nicht viel davon gebraucht, eigentlich nur der erste und zweite Hauptsatz, der Regeln für Energieumwandlungen setzt. Diese Regeln sagen aus, dass bei jeder Umwandlung die Gesamtenergie erhalten bleiben muss, und dass Energie sich zunehmend verteilt, was durch den Begriff der Entropie beschrieben wird. Kombiniert führen diese beide Regeln zu einer harten Schranke, wieviel Energie umgewandelt werden kann, wohlbekannt als der Carnot’sche Wirkungsgrad. Das ist wie in einem Kraftwerk. Dort setzt Verbrennung Wärme frei, ein Teil erzeugt Abwärme, ein anderer wird in nutzbare Energie in Form von Strom umgewandelt. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt hierbei aus, dass die Wärmeerzeugung, die Abwärme und die erzeugte elektrische Energie sich bilanzieren. Der zweite Hauptsatz sagt aus, dass insgesamt die Entropie bei der Umwandlung nicht abnehmen kann. Und da die erzeugte elektrische Energie sogenannte freie Energie ist, also Arbeit verrichten kann und keine Entropie hat, muss die Abwärme dafür sorgen, dass der zweite Hauptsatz noch passt. Zusammen setzt das dann die maximale Effizienz, mit der ein Kraftwerk arbeiten kann. Die liegt typischerweise bei etwa 60%, auch wenn typische Kohlekraftwerke eher bei 35 – 40% arbeiten.

Dieser Ansatz trifft auch auf die Erde zu, wir betrachten also das Kraftwerk Erde. Hier wird Wärme durch die Absorption von Sonnenlicht dem System zugefügt, welches in Auftrieb, Luftbewegung, und damit verbundene Energieformen umgewandelt wird. Aber auch Wechselwirkungen, mit denen Prozesse im Erdsystem sich gegenseitig beeinflussen, spielen eine wichtige Rolle, da sie die Stärke von Energieumwandlungen beeinflussen. Diese kann man mit einfachen Rechnungen erfassen und gelangt so zu Abschätzungen, wieviel erneuerbare Energie das Erdsystem erzeugt. Und kann dann daraus ableiten, was dies für die Energiewende bedeutet. Und ja, die Abschätzungen sind einfach gehalten – ich halte das für ganz wichtig, da es Transparenz und Verständnis schafft. Man kann das Ganze auch wesentlich komplizierter machen, und denkt, man würde es viel besser machen. Aber letztendlich limitiert die Thermodynamik und die Energiebilanzen des Erdsystems, und diese starke Limitierung kann man eben auch einfach und transparent beschreiben.

Neugierig geworden? Mehr dazu gibt es in dem VortragErneuerbare Energien – einfach nachgerechnet am Donnerstag, 14. September 2021, um 14:15 in Hörsaal der Uni Jena am Ernst-Abbe Platz, live (auch im stream, und anschliessend auf dem YouTube Kanal der Uni Jena), ganz am Ende des Programms.

Hier noch die Links zu den im Vortrag verwendeten Quellen und Zitaten:

Tiefergehende Informationen und wie man dies alles berechnen kann gibt es auch in der Vorlesung “Erneuerbare Energien im Erdsystem”, ab dem Wintersemester WS2021/22 wieder im Programm an der Uni Jena (Modul CGF-Ex-01 oder MUGM001, Veranstaltungsnummer 166306).

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