Unendlich Energie von Sonne, Mond und Erde

Unendlich Energie

Planeten Erde Mond Sonne

Erneuerbare Energien, auch als regenerative Energien bezeichnet, stehen im Rahmen des menschlichen Zeithorizonts praktisch unerschöpflich zur Verfügung bzw. erneuern sich schnell. Sie grenzen sie sich von fossilen Energiequellen ab, die zwar auch durch die Kraft der Sonne entstehen, die sich aber erst über den Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren. Die Basis für die Erneuerbaren Energien bilden die drei Energiequellen

  • Kernfusion der Sonne
  • Gezeitenkraft aufgrund der Planetenbewegung
  • Geothermie des Erdkerns

Die mit Abstand ergiebigste Form ist dabei die Sonnenenergie, deren jährliches Energieangebot auf der Erde dem mehr als Zehntausendfachen des aktuellen menschlichen Energiebedarfs entspricht (3.900.000.000 PJ). Erdwärme und Gezeitenkraft liefern deutlich geringere, aber im Vergleich zum menschlichen Bedarf hohe Beiträge (Geothermie: 996.000 PJ, Gravitation 94.000 PJ). Rein physikalisch betrachtet, steht damit mehr Energie zur Verfügung (theoretisches Potential), als in absehbarer Zukunft gebraucht werden wird
Größenordnung: PJ ist die Abkürzung für Petajoule, 1 Petajoule = 1015 J = 1.000 Terajoule

 

Fusionsreaktor Sonne

Sonne

Seit etwa 60 Jahren arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure an der Entwicklung von Fusionsreaktoren, bis jetzt ohne wirklich greifbaren Erfolg für die Energiegewinnung auf der Erde.

Dabei steht mit der Sonne seit Milliarden von Jahren ein gigantischer solcher Reaktor zur Verfügung, der die Erde nach menschlichen Maßstäben mit unendlicher Energie versorgt. Mit wenigen Ausnahmen wie Kernenergie aus herkömmlichen Reaktoren, Geothermie und Gezeiten-/Wellenkraftwerke sind fast alle von Menschen genutzten Energieformen letztlich umgewandelte Sonnenenergie – genutzt als Wasserkraft, Windenergie, aus Biomasse oder mit Hilfe fossiler Brennstoffe. Alle Pflanzen decken ihren Energiebedarf über die Photosynthese, nutzen also Lichtenergie, um unter Verbrauch von Kohlendoxid Glucose herzustellen und produzieren dabei Sauerstoff. Der gesamte Sauerstoffgehalt der Luft ist auf diese Weise zustande gekommen.

Die Solarkonstante gibt Aufschluss über die Energiemenge, die wir ständig von der Sonne empfangen. Ihr Wert liegt bei E0 = 1367 W/m² . Das bedeutet, dass jede Fläche von 1 m² Größe , auf die die Sonnenstrahlen senkrecht auftreffen, ständig eine Leistung von 1367 Watt ≈ 1,367 Kilowatt in Form von Strahlungsenergie aufnimmt. (Allerdings wird dabei die Wirkung der Erdatmosphäre nicht berücksichtigt). Weicht die Richtung der Sonnenstrahlen um einen Winkel α von der Senkrechten ab, so ist diese Zahl mit dem Kosinus dieses Winkels zu multiplizieren (und verringert sich).

Die gesamte von der Erde empfangenen Strahlungsleistung erhält man durch Multiplikation mit der Fläche des Erdkreises π * r²  (r = 6370 km) zu etwa 174 Petawatt (174 000 000 000 000 kW). Zum Vergleich : im Jahr 2010 betrug der Bedarf an Primärenergie weltweit etwa 140 Petawattstunden. Die uns in einer Stunde von der Sonne gelieferte Energie übertrifft diesen Wert um fast 25%.

Eine Fläche von 1 m² Größe, die pro Jahr in Erdentfernung senkrecht von der Sonne beschienen wird, empfängt pro Jahr dann 1,367 kW * 24 * 365,35h = 12000 kWh an Energie. Auf der Erdoberfläche gibt es eine solche Fläche nicht. Der Wechsel zwischen Tag und Nacht halbiert diesen Wert schon, die Erdatmosphäre lässt selbst an klaren Tagen höchstens 75% dieser Energie bis zur Erdoberfläche vordringen, der unterschiedliche Sonnenstand während des Tages, die vorhandene Bewölkung und natürlich die geographische Breite begrenzen die zur Verfügung stehende Energiemenge deutlich.

Immerhin kommt man etwa in der Sahara auf durchschnittlich 2350 kWh/m² und in Deutschland auf 900 kWh/m² (Norddeutschland) – 1200 kWh/m² (Süddeutschland).

Ganz grob bedeutet das : Bei einem Wirkungsgrad von 10% „erntet“ man auf einer von 10 m² großen Fläche mit einer Solaranlage in Deutschland jährlich etwa 1000kWh an Sonnenenergie.

 

 

Erdwärme

Unser Erdkörper ist, idealisiert betrachtet, aus konzentrischen Kugelschalen aufgebaut, die jeweils aus Materialien deutlich unterschiedlicher Dichte bestehen. Die Kugelschale mit der geringsten Dichte liegt am weitesten außen und wird als Erdkruste bezeichnet. Die Kugelschale mit der größten Dichte liegt im Zentrum des Erdkörpers und wird Erdkern genannt.

Der heiße Erdkern besteht aus einem festen inneren ( Temperaturen bis zu 5000 °C) und einem flüssigen äußeren Kern. Darüber wölbt sich der Erdmantel (Temperatur an der Kern/Mantel-Grenze über 3000 °C). Die Erdkruste mit einer durchschnittlichen Mächtigkeit von 40 km ist die dünne äußere Haut des Planeten und unser Lebensraum. Im Inneren der Erde ist eine gigantische Menge Energie in Form von Wärme gespeichert. Rund 99% der Erdmasse sind heißer als 1.000°C und nur 0,1% weisen Temperaturen unter 100°C auf. Diese Wärme ist jedoch nicht gleichmäßig in der Erde verteilt. Sie nimmt vom heißen Erdkern zur durchschnittlich 15° C „kühlen“ Erdoberfläche hin ab. Allein die oberen 10 km der Erdkruste, also ein sehr kleiner und vergleichsweise kalter Teil der Erde, bergen mit rund 100.000.000 Exa-Joule (EJ) an Wärmeenergie das theoretische Potenzial zur mehr als 100.000fachen Deckung des gesamten aktuellen Energieverbrauchs der Erde (2009: ~500.000 PJ). Der Ursprung dieser geothermischen Energie liegt in sehr unterschiedlichen Quellen:

  • Ein großer Teil der Wärme stammt aus der Zeit der Erdentstehung vor 4,7 Mrd. Jahren. Zwischen 30 und 50% der vorhandenen Erdwärme werden als Restwärme der damaligen Prozesse angesehen (Restwärme und Akkretionswärme).
  • Mit einem Anteil von 50-70% wird der Hauptteil jedoch auf den Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente in den Gesteinen zurückgeführt. Der Zerfall ist ein andauernder Prozess und sorgt für einen stetigen Wärmenachschub.

Aus dem Innern unseres Planeten steigt also ein ständiger Strom von Energie an die Oberfläche. Die Erde strahlt täglich etwa viermal mehr Energie in den Weltraum ab, als wir Menschen derzeit an Energie verbrauchen. 30% des an die Erdoberfläche steigenden Energiestroms kommen aus dem heißen Erdkern selbst. 70% entstehen durch den ständigen Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente in Erdmantel und Erdkruste. Die enorme Hitze im Erdinnern ist der Motor für die Plattentektonik und im weiteren Sinn für fast alle dynamischen Prozesse des Erdkörpers. Sie ist auch als Erneuerbare Energie in Form der Geothermie (Erdwärme) nutzbar. Je tiefer man in das Innere der Erde vordringt, desto wärmer wird es. In Mitteleuropa nimmt die Temperatur um etwa 3 °C pro 100 Meter Tiefe zu. Die in der Erde gespeicherte Wärme ist nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich.

 

 

Gezeiten

Erde Mond

Woher kommen die Gezeiten? Der Mond zieht mit seiner Masse die Erde an, die Erde wiederum den Mond. Die Anziehungskraft des Mondes sorgt dafür, dass auf den Meeren überall das Wasser vom Mond angezogen wird. Auf der mondzugewandten Erdseite haben wir dann Flut. Diese Anziehungskraft ist so stark, dass sie sich auch auf der gegenüberliegenden Seite der Erde noch bemerkbar macht. Eigentlich sollte dann dort Ebbe sein. Es gibt aber immer zwei sich gegenüberliegende Flut-Berge und Ebbe-Täler auf der Erde, denn Erde und Mond rotieren umeinander um einen gemeinsamen Drehpunkt und diese Drehung erzeugt eine Fliehkraft. Dadurch entsteht der zweite Flutberg, weil auf der mondabgewandten Seite die Fliehkraft größer ist als die Mond-Anziehungskraft. Die Erde rotiert mit ihrer täglichen Umdrehung unter diesen Bergen und Tälern durch, daher sehen wir zweimal Ebbe und Flut am Tag. Die verschieben sich aber mit der Position des Mondes. Bei Vollmond und Neumond sind die Flutberge am höchsten (Springtide), bei Halbmond am niedrigsten (Nipptide).[1] Diese kinetische Energie aus dem Tidenhub des Meeres lässt sich mit Wasserkraftwerken direkt in elektrischen Strom umwandeln.

Gezeitenkraftwerke entnehmen also ihre Energie letztlich der Erddrehung mit Hilfe der Anziehungskraft des Mondes und der Sonne auf die Erde. Sie bremsen die Strömungsbewegung der Meere durch Gezeiten minimal ab. Das Abbremsen geschieht durch Stauung der auf- und ablaufenden Strömung und in der Folge durch die Nutzung der in dem gestauten Wasser enthaltenen potentiellen Energie durch Turbinen, die die durch sie generierte Rotationsenergie dann über elektrische Generatoren in elektrische Nutzenergie verwandeln. Im Verhältnis zur gesamten Abbremsung durch die natürliche Gezeitenreibung fällt dies nicht ins Gewicht, die Erde hat wegen ihrer hohen Masse eine sehr hohe Rotationsenergie.[1][3]

Auch Wellenkraftwerke sind eine Form kleinerer Wasserkraftwerke die die kinetische Energie auf dem Meer oder in Flussmündungen zur Gewinnung elektrischen Stromes nutzen. Im Unterschied zum Gezeitenkraftwerk wird aber nicht der Tidenhub ausgenutzt, um die Energiedifferenz zwischen Ebbe und Flut zu nutzen, sondern die kontinuierliche Wellenbewegung. Bei Wellenkraftwerken wird also im Wesentlichen die Kraft des Windes in anderer Form. Wind und Stürme werden bekanntermaßen durch die Sonne angetrieben.