Sonne, Wind und Wellen - #natürliche #Grenzen #erneuerbarer #Energien

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Informationsdienst Wissenschaft - idw - Pressemitteilung
Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Dr. Eberhard Fritz, 21.04.2011 15:01

Sonne, Wind und Wellen - natürliche Grenzen erneuerbarer Energien

Am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena wurden erstmals mit Hilfe
der Thermodynamik die natürlichen Grenzen erneuerbarer Energien und die
möglichen Klimaauswirkungen bei deren Nutzung untersucht. Die Analysen
legen nahe, dass die Energie aus Wind und Wellen nur begrenzt verfügbar
sein könnte und eine großflächige Nutzung dieser Energiequellen
möglicherweise negativ auf deren Erzeugung durch das Klimasystem zurück
wirkt. Auf Sonnenenergie basierende Energieumwandlungen könnten hingegen
den zunehmenden menschlichen Energiebedarf auf der Erde langfristig und
klimafreundlich abdecken.

Die Energieversorgung stellt eine der größten Herausforderungen für die
Zukunft unserer Zivilisation dar. Während die klimaschonende Atomenergie
ein Restrisiko ihrer Sicherheit erneut bestätigt, trägt die Verbrennung
fossiler Brennstoffe unweigerlich zum Klimawandel bei. Alternative
Energien aus natürlichen Quellen, wie Sonnen-, Wind – und Wellenenergie,
sind hingegen risikoarm und werden als erneuerbar und klimafreundlich
angesehen. Beide Aspekte, die Erneuerbarkeit und die Klimaverträglichkeit,
wurden nun erstmals unter thermodynamischer Betrachtung des gesamten
Erdsystems von Forschern des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena
genauer untersucht.

Dr. Axel Kleidon, Leiter der unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe
"Biosphärische Theorie und Modellierung", beruft sich auf die anerkannten
Gesetze der Thermodynamik, einer etablierten physikalischen Theorie, um
zwischen Wärmeenergie und sogenannter "Freier Energie" zu unterscheiden.
"Nur die Freie Energie ist relevant für die Nutzung erneuerbarer
Energien", so Kleidon. Sie bezieht sich auf jenen Anteil einer
Energieform, der genutzt werden kann, um physikalische Arbeit zu
verrichten, wie zum Beispiel das Hochheben oder Beschleunigen einer Masse,
aber auch für die Energieproduktion für die Menschheit. Die natürlichen
Grenzen für die Erzeugung von Freier Energie aus natürlichen Quellen auf
der Erde wurden bisher kaum beachtet und in der aktuellen Forschung zum
Klimawandel und Erneuerbaren Energien stark vernachlässigt. Kleidon und
seine Gruppe konnten berechnen, dass die Fähigkeit des Erdsystems,
unterschiedliche Formen Freier Energie zu erzeugen, auf ungefähr 1.000
Terawatt begrenzt ist (1 Terawatt entspricht 1012 Watt und ist eine
Einheit für den Energieverbrauch). "Nur etwa 0,6 Prozent der immensen
Energiemenge von etwa 160.000 Terawatt Sonnenenergie, die als Strahlung
die Erde erreicht, kann also als Freie Energie genutzt werden", bestätigt
Kleidon die geringe Effizienz der Umwandlung von Sonnenstrahlung in Freie
Energie. Vom Menschen werden derzeit nur maximal 50 Terawatt Freier
Energie verbraucht.

Diese thermodynamische Sichtweise für die Nutzung erneuerbarer Energien
beinhaltet auch, dass verschiedene Arten erneuerbarer Energien
unterschiedlich stark begrenzt sind. Wellen werden im Wesentlichen durch
Wind erzeugt; Wind entsteht indirekt durch Wärmegradienten und somit
letztlich aus der Sonnenenergie. Durch die schlechte Energieumwandlung der
Sonnenenergie und wegen ihrer Abhängigkeiten vom Klimasystem sind die
erneuerbaren Energiequellen Wind und Wellen daher nur in begrenzter Stärke
produzierbar. Ein deutlich erhöhter Verbrauch dieser Energieformen, im
Rechenbeispiel durch eine 1000fache Aufstockung heute existierender
Anlagen, könnte nicht aufgefüllt werden und in der Folge sogar zu
Rückkopplungen mit dem Klimasystem der Erde führen. Der Verbrauch der
begrenzten Wind- und Wellenenergie würde dann über das Klimasystem die
Regeneration dieser Energieformen zusätzlich drosseln.

Deutlich besser sieht es bei der Nutzung von Solarenergie aus. Die
pflanzliche Photosynthese oder auch Solarkraftwerke können das Sonnenlicht
direkt nutzen, um Freie Energie zu produzieren. Trifft die Sonnenstrahlung
hingegen ungehindert auf die Erde und erwärmt lediglich den Boden, so ist
die Freie Energie der Sonnenergie größtenteils verschwendet. "Damit
erhöhen die Photosynthese und Solarzellen die Gewinnung Freier Energie
innerhalb des Erdsystems", erläutert Kleidon. Entscheidend hierbei: nur
etwa 5 % der als Freien Energie nutzbaren Sonnenenergie wird bisher vom
Mensch verbraucht, es gibt also noch viel Spielraum, diese Energiequelle
stärker zu nutzen.

Kontakt am Max-Planck-Institut für Biogeochemie:
Dr. Axel Kleidon
Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena
Tel.: +49 3641 576217
Fax: +49 3641 577217
Email: akleidon@bgc-jena.mpg.de

Hintergrund-Informationen:

Das Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena erforscht die Kreisläufe
essentieller Elemente, insbesondere Kohlenstoff, und ihre Wechselwirkungen
zwischen der Biosphäre, der Atmosphäre, der Geosphäre und den Ozeanen. Die
Forschungsarbeiten zielen auf die Erfassung der Stoffkreisläufe und ihre
Bedeutung für das Klimasystem im globalen Maßstab und für große
Zeitskalen. Bedingt durch die Vielseitigkeit des Fachgebietes arbeiten
Physiker, Meteorologen, Geologen, Chemiker, Biologen und Mathematiker sehr
eng zusammen. Das Institut wurde 1997 gegründet. Näheres siehe <www.bgc-
jena.mpg.de>.

Die unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe "Biosphärische Theorie und
Modellierung", die von Dr. Axel Kleidon geleitet wird, benutzt einen
thermodynamischen Ansatz zur Beschreibung von Erdsystemprozessen. Die
Forschungsarbeiten befassen sich mit erneuerbaren Energien, Biodiversität,
planetärer Ent-wicklung und Prozessen der Landoberfläche (<www.bgc-
jena.mpg.de/bgc-theory>).

Für weiterführende Informationen zum Inhalt dieser Pressemeldung finden
Sie Fragen und Antworten unter <www.bgc-jena.mpg.de/bgc-theory>. Die
Originaldaten sind veröffentlicht unter:
- L.M. Miller, F. Gans, & A. Kleidon, 2011: Estimating maximum global land
surface wind power extract-ability and associated climatic consequences;
Earth Syst. Dynam. 2. 1-12, doi: 10.5194/esd-2-1-2011.
- A. Kleidon, 2011: How does the earth system generate and maintain
thermodynamic disequilibrium and what does it imply for the future of the
planet? Philosophical Transactions of the Royal Society (eingereicht),
arXiv: 1103.2014v1.

Arten der Pressemitteilung:
Forschungsergebnisse
Wissenschaftliche Publikationen

Sachgebiete:
Geowissenschaften
Meer / Klima
Umwelt / Ökologie

Weitere Informationen finden Sie unter
http://www.bgc-jena.mpg.de - homepage des Max-Planck-Intituts für Biogeochemie
http://www.bgc-jena.mpg.de/bgc-theory - homepage der Forschungsgruppe "Biosphärische Theorie und Modellierung"; Fragen und Antworten zum Thema

Zu dieser Mitteilung finden Sie Bilder unter der WWW-Adresse:
http://idw-online.de/de/image140487
Die unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe "Biosphärische Theorie und Modellierung" am Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena.

Die gesamte Pressemitteilung inkl. Bilder erhalten Sie unter:
http://idw-online.de/de/news419675

Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung stehen unter:
http://idw-online.de/de/institution1377

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