Thema 9: Wie grün ist die Energiewende? - Lösungen

(A) und (B) Weltkarte mit Transportwegen der Rohstoffe:

eigene Darstellung

(A) Zeichnung eines Windrades unter Angabe der verwendeten Rohstoffe:

eigene Darstellung

(B) Steckbrief Windenergie:

Wirkungsgrad:

• theoretisch maximal mögliche Wirkungsgrad 59,3 % (Betzsches Gesetz)

• moderne Windenergieanlagen: 45 % - 50 %

Wirkungsweise:

• Der Rotor der Anlage wandelt die Bewegungsenergie des Windes zunächst in mechanische Rotationsenergie um, welche ein Generator in elektrische Energie umwandelt.

Aufbau:

• Fundament (Betonkasten, Stahlpfeiler oder Bucketfundament, schwimmendes Fundament)

• Turm und Mast (abgespannte Masten, Gittertürme, Stahlrohrtürme, Betontürme, Hybrid-Türme)

• Maschinenhaus (Triebstrang, Stirnradgetriebe, Planetengetriebe, Kupplung, Bremse, Generator, Kühlung)

• Rotor (Rotornabe, Rotorblatt, Blattwinkelverstellung)

Anteil der Energie in Deutschland:

• Seit Anfang der 1990er-Jahre mehrere Zehntausend Windenergieanlagen in Deutschland installiert

• 2019 22,8 % (rund 122 TWh)

• 2020 25,6 % (rund 128,5 TWh)

Vorteile:

• Windräder haben sich nach drei bis sieben Monaten energetisch amortisiert (Anlage hat nach der Zeit so viel Energie produziert, wie für Herstellung, Betrieb und Entsorgung benötigt werden)

• Rohstoffe unbegrenzt verfügbar

• Repowering möglich (Ersetzen leistungsschwächerer Windräder, durch Leistungsstarke ohne zusätzliche Flächen in Anspruch zu nehmen)

• Offshore-Windenergie nutzbar ohne Einschränkungen der Wohnflächen (im Meer)

• kurz- und mittelfristig das kostengünstigste Ausbaupotenzial im Bereich der erneuerbaren Energien

Nachteile:

• Licht- & Lärmemission

• geringe Gefahr von Eiswurf durch Windenergieanlagen –> Mittlerweile Rotorenheizung vorgesehen

• Beeinträchtigung von Natur und Landschaft vermeiden

Zukünftige Entwicklung dieser Energiegewinnungsform:

• Ziel 65% erneuerbarer Energien am Stromverbrauch im Jahr 2030

Reichweite der Rohstoffe:

• unbegrenzt verfügbar

(A) Funktionsweise einer Brennstoffzelle:

• Bei der Standardbrennstoffzelle PEM wird gasförmiger Wasserstoff (H2) als Brennstoff mit Sauerstoff (O2) aus der Luft zu reinem Wasser umgesetzt.

• Als weitere Reaktionsprodukte in der Zelle entstehen Elektrizität und Wärme.

• Die Pole einer einzelnen Brennstoffzelle sind die wasserstoffführende Anodenplatte (der negative (-)-Pol) und die Kathodenplatte (der positive (+) -Pol) für die Zuführung der Reaktionsluft.

• Dazwischen ist ein weiteres Kühl-Flussfeld für die Abführung der Reaktionswärme eingebunden.

• Die wenige μm dicke Elektrolytmembran hat die Aufgabe die beiden Gasräume (H2 und O2) zu trennen. Sie ist weitgehend gasdicht und elektrisch isolierend, kann aber sehr effizient Protonen und Wasser transportieren. 

• Auf beiden Seiten der Membran befinden sich dünne Schichten eines Katalysators, welche die Reaktionen von Sauerstoff und Wasserstoff, bei den in der Brennstoffzelle herrschenden niedrigen Temperaturen, ermöglichen. 

• Auf der Anodenseite werden Protonen (H+) und Elektronen (e–) getrennt. Während die Protonen auf dem direkten Weg durch die Polymerelektrolytmembran zur Kathodenseite gelangen, werden die Elektronen durch einen externen Stromkreis gezwungen. Dadurch entsteht ein elektrisches Potential, die Elektronen können auf ihrem Weg (elektrische) Arbeit leisten.

• Auf der Kathodenseite wiederum reagieren die Protonen zusammen mit den Elektronen bei geschlossenem Stromkreis mit dem Sauerstoff aus der Luft zu reinem Wasser. Da die Reaktion exotherm ist, wird weiterhin die Reaktionsabwärme frei, die thermisch genutzt werden kann.

Skizze:

Eigene Darstellung 

(B)

Erneuerbare Energien sind bisher nicht effizient speicherbar. Wenn zu viel Energie erzeugt wird (durch viel Wind oder Sonne) könnte die Energie genutzt werden, um eine Brennstoffzelle zu betreiben. Diese wiederum würde die Energie dann speicherbar machen, und somit die Energielücken schließen. Außerdem werden im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, Kohlekraftwerken und Kernkraftwerken keine giftigen, radioaktiven oder klimaschädigenden Nebenprodukte erzeugt und ausgestoßen. Wenn der verwendete Wasserstoff aus regenerativen Quellen stammt, zum Beispiel durch Elektrolyse von Wasser mit Strom aus Wind- oder Sonnenenergie, ist diese Technologie vollkommen CO2-neutral.

(A) Schaubild:

eigene Darstellung

(B) Tabelle: