WINNIPEG – Präsident Barack Obama hat eine Energierevolution in der weltgrößten Wirtschaftsnation versprochen, bei der erneuerbare Energiequellen und „grüne“ Technologien Amerikas Abhängigkeit – und letztendlich die Abhängigkeit der Welt – von herkömmlichen Kraftstoffen brechen sollen. Der Nutzen für die Umwelt sowie die strategischen und wirtschaftlichen Vorteile – darunter der niedrigere Verbrauch von CO2-abgebenden Brennstoffen, die geringere Abhängigkeit von politisch unbeständigen Öl- und Gasexporteuren und die Schaffung von Millionen gut bezahlter Arbeitsplätze – sind unbestritten. Doch wie realistisch ist diese Vision?
Es gibt nur eine Art Primärenergie (Energieformen, die in natürlichen Ressourcen vorliegen), die den ersten Hochkulturen des Nahen Ostens und Ostasiens und all ihren vorindustriellen Nachfolgern nicht bekannt war: Isotope der schweren Elemente, deren Kernspaltung seit den späten 1950er Jahren genutzt wird, um Hitze zu generieren, die ihrerseits Dampf für moderne Turbogeneratoren zur Stromerzeugung produziert. Jede andere Energiequelle ist seit Jahrtausenden bekannt, und die meisten wurden von den vormodernen Kulturen nutzbar gemacht.
Der grundlegende Unterschied zwischen traditioneller und moderner Energienutzung besteht nicht im Zugang zu neuen oder besseren Energiequellen, sondern in der Erfindung und im Masseneinsatz effizienter, erschwinglicher, verlässlicher und bequemer „Kraftmaschinen“ – Geräte, die primäre Energien in mechanische Kraft, Elektrizität oder Hitze verwandeln. Man kann die Geschichte gewinnbringend in Zeitalter einteilen, die anhand der vorherrschenden Kraftmaschinen definiert sind.
Die längste Spanne (von den ersten Hominiden bis zur Domestizierung von Zugtieren) besteht aus dem Zeitalter, als die menschlichen Muskeln die einzige Kraftmaschine darstellten. Dann kamen Zugtiere hinzu, und nach und nach wurden die tierischen Kraftmaschinen mit mechanischen Kraftmaschinen ergänzt, z.amp#160;B. mit Segeln und Rädern, die natürliche Energieflüsse einfangen.
Ein grundlegender Bruch mit diesem Jahrtausende alten Muster fand erst mit der großflächigen Einführung der ersten praktischen mechanischen Kraftmaschine statt, welche die bei der Brennstoffverbrennung entstehende Hitze umwandeln konnte – James Watts verbesserte Dampfmaschine, die in den 80er Jahren des achtzehntenamp#160;Jahrhunderts entworfen wurde. Effizientere Versionen dieser Kraftmaschine haben die Modernisierung der westlichen Welt bis ins erste Jahrzehnt des zwanzigsten Jahrhunderts hinein dominiert.
In den 30er Jahren des neunzehnten Jahrhunderts besiegelten die ersten Wasserturbinen das Ende der Wasserradära. Die nächsten beiden wichtigen Meilensteine wurden in den 80er Jahren desselben Jahrhunderts gesetzt: mit der Erfindung des benzinbetriebenen Otto-Verbrennungsmotors von Benz, Daimler und Maybach und mit der Patentierung von Charles Parsons’ Dampfturbine. In den 90er Jahren des neunzehnten Jahrhunderts wurde Rudolf Diesels von Natur aus effizientere Version des mit Flüssigtreibstoff betriebenen Verbrennungsmotors eingeführt.
Dieser Abfolge ist lediglich eine weitere Kraftmaschine hinzuzufügen. Die Gasturbine wurde zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts entworfen, doch wurden ihre ersten funktionsfähigen Prototypen (sowohl stationär als auch für Flüge) erst in den 30er Jahren eingeführt und fanden in den 50ern rasche Verbreitung.
Die heutzutage allgegenwärtige mechanische Kraftmaschine – die in nahezu einer Milliarde Straßen- und Geländefahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen und zahllosen Maschinen und Werkzeugen installiert ist – ist der benzinbetriebene Verbrennungsmotor, der im Wesentlichen seit den 1880er Jahren unverändert geblieben ist. Die wirtschaftliche Globalisierung wäre unmöglich gewesen ohne die Dieselmotoren, die gewaltige Tanker mit unverarbeitetem und verflüssigtem Erdgas, Massenfrachtschiffe mit Eisenerz und Getreide und riesige Containerschiffe antreiben: Einige von ihnen verfügen über eine Gesamtleistung von fast 100 MW, aber ihre grundlegende Konstruktion wurde innerhalb von zwei Jahrzehnten erarbeitet, in denen Diesel seinen endgültigen Motorprototyp von 1897 testete.
Ein Großteil der Elektrizität weltweit wird von Dampfturbinen in Kraftwerken, die fossile Brennstoffe verbrennen, und Kernkraftwerken erzeugt; und abgesehen von dem wesentlich größeren Leistungsvermögen und höheren Effizienzgraden würde Parsons in ihnen jedes Schlüsselmerkmal seiner Erfindung wiederfinden, die jetzt über 120amp#160;Jahre alt ist. Zudem wären Interkontinentalflüge eine noch größere Strapaze ohne Gasturbinen, die in den 1930er Jahren von Frank Whittle (der über Turbofans – die heute vorherrschende gewerbliche Konstruktion – nachdachte, noch bevor er das erste Turbostahltriebwerk baute) und Joachim Pabst von Ohain erfunden wurden.
Diese Tatsachen lassen drei offensichtliche, jedoch unterbewertete Schlussfolgerungen über die mechanischen Kraftmaschinen zu, welche die Grundlage für unseren wirtschaftlichen Fortschritt bilden. Erstens: Aufgrund ihrer großen Anzahl und der dazugehörigen (häufig teuren und umfassenden) Infrastruktur sind Kraftmaschinen bemerkenswert träge. Seitdem die verschiedenen Kraftmaschinen vor über einem Jahrhundert (Wasserturbinen, Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren) oder vor über 50amp#160;Jahren (Gasturbinen) erstmalig auf den Markt gebracht wurden, gab es wenige echte Innovationen.
Zweitens: Jeder Übergang zu neuen Kraftmaschinen ist schon an sich eine längere Angelegenheit, bis zu deren Umsetzung Jahrzehnte vergehen. Selbst heute gibt es wenige Anzeichen dafür, dass Dampfturbinen in den nächsten Jahrzehnten nicht weiterhin den Großteil unserer Elektrizität erzeugen oder dass Gasturbinen in näherer Zukunft ersetzt würden. Die jüngeren Entwicklungen belegen, dass selbst in der Automobilbranche Verbrennungsmotoren nicht so schnell den Elektromotoren oder Brennstoffzellen weichen werden, wie viele Enthusiasten gehofft haben.
Und schließlich wird es umso länger dauern, einen Ersatz für eine Kraftmaschine zu finden, je großflächiger diese eingesetzt wird. Vor einem Jahrhundert nutzte die Welt Kohle und eine relativ geringe Ölmenge in Höhe von 0,7 TW, im Jahre 2008 dagegen fließen etablierte kommerzielle Energien – fossile Brennstoffe und Primärelektrizität (Wasser und Kernkraft) – mit einer Leistung von knapp 15 TW. Offensichtlich begrenzt dieser Maßstab die Geschwindigkeit, mit der neue Kraftmaschinen eingeführt werden können, um einen bedeutsamen Anteil der alten Geräte zu ersetzen.
Wenn z.amp#160;B. 20amp#160;% der Elektrizität weltweit mit Windturbinen erzeugt werden sollen, so müssten wir, wenn wir ihre naturgegeben geringe Auslastung von etwa 25amp#160;% (im Vergleich zu 75amp#160;% bei Wärmekraftwerken mit Dampfturbinen) einbeziehen, eine neue Kapazität von ca. 1,25 TW mit diesen Maschinen schaffen. Selbst mit großen 3-MW-Turbinen wären dazu über 400.000 neue große Türme und gigantische Rotoren mit drei Flügeln notwendig. Das ist eine Aufgabe für viele Jahrzehnte.
WINNIPEG – Präsident Barack Obama hat eine Energierevolution in der weltgrößten Wirtschaftsnation versprochen, bei der erneuerbare Energiequellen und „grüne“ Technologien Amerikas Abhängigkeit – und letztendlich die Abhängigkeit der Welt – von herkömmlichen Kraftstoffen brechen sollen. Der Nutzen für die Umwelt sowie die strategischen und wirtschaftlichen Vorteile – darunter der niedrigere Verbrauch von CO2-abgebenden Brennstoffen, die geringere Abhängigkeit von politisch unbeständigen Öl- und Gasexporteuren und die Schaffung von Millionen gut bezahlter Arbeitsplätze – sind unbestritten. Doch wie realistisch ist diese Vision?
Es gibt nur eine Art Primärenergie (Energieformen, die in natürlichen Ressourcen vorliegen), die den ersten Hochkulturen des Nahen Ostens und Ostasiens und all ihren vorindustriellen Nachfolgern nicht bekannt war: Isotope der schweren Elemente, deren Kernspaltung seit den späten 1950er Jahren genutzt wird, um Hitze zu generieren, die ihrerseits Dampf für moderne Turbogeneratoren zur Stromerzeugung produziert. Jede andere Energiequelle ist seit Jahrtausenden bekannt, und die meisten wurden von den vormodernen Kulturen nutzbar gemacht.
Der grundlegende Unterschied zwischen traditioneller und moderner Energienutzung besteht nicht im Zugang zu neuen oder besseren Energiequellen, sondern in der Erfindung und im Masseneinsatz effizienter, erschwinglicher, verlässlicher und bequemer „Kraftmaschinen“ – Geräte, die primäre Energien in mechanische Kraft, Elektrizität oder Hitze verwandeln. Man kann die Geschichte gewinnbringend in Zeitalter einteilen, die anhand der vorherrschenden Kraftmaschinen definiert sind.
Die längste Spanne (von den ersten Hominiden bis zur Domestizierung von Zugtieren) besteht aus dem Zeitalter, als die menschlichen Muskeln die einzige Kraftmaschine darstellten. Dann kamen Zugtiere hinzu, und nach und nach wurden die tierischen Kraftmaschinen mit mechanischen Kraftmaschinen ergänzt, z.amp#160;B. mit Segeln und Rädern, die natürliche Energieflüsse einfangen.
Ein grundlegender Bruch mit diesem Jahrtausende alten Muster fand erst mit der großflächigen Einführung der ersten praktischen mechanischen Kraftmaschine statt, welche die bei der Brennstoffverbrennung entstehende Hitze umwandeln konnte – James Watts verbesserte Dampfmaschine, die in den 80er Jahren des achtzehntenamp#160;Jahrhunderts entworfen wurde. Effizientere Versionen dieser Kraftmaschine haben die Modernisierung der westlichen Welt bis ins erste Jahrzehnt des zwanzigsten Jahrhunderts hinein dominiert.
In den 30er Jahren des neunzehnten Jahrhunderts besiegelten die ersten Wasserturbinen das Ende der Wasserradära. Die nächsten beiden wichtigen Meilensteine wurden in den 80er Jahren desselben Jahrhunderts gesetzt: mit der Erfindung des benzinbetriebenen Otto-Verbrennungsmotors von Benz, Daimler und Maybach und mit der Patentierung von Charles Parsons’ Dampfturbine. In den 90er Jahren des neunzehnten Jahrhunderts wurde Rudolf Diesels von Natur aus effizientere Version des mit Flüssigtreibstoff betriebenen Verbrennungsmotors eingeführt.
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Dieser Abfolge ist lediglich eine weitere Kraftmaschine hinzuzufügen. Die Gasturbine wurde zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts entworfen, doch wurden ihre ersten funktionsfähigen Prototypen (sowohl stationär als auch für Flüge) erst in den 30er Jahren eingeführt und fanden in den 50ern rasche Verbreitung.
Die heutzutage allgegenwärtige mechanische Kraftmaschine – die in nahezu einer Milliarde Straßen- und Geländefahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen und zahllosen Maschinen und Werkzeugen installiert ist – ist der benzinbetriebene Verbrennungsmotor, der im Wesentlichen seit den 1880er Jahren unverändert geblieben ist. Die wirtschaftliche Globalisierung wäre unmöglich gewesen ohne die Dieselmotoren, die gewaltige Tanker mit unverarbeitetem und verflüssigtem Erdgas, Massenfrachtschiffe mit Eisenerz und Getreide und riesige Containerschiffe antreiben: Einige von ihnen verfügen über eine Gesamtleistung von fast 100 MW, aber ihre grundlegende Konstruktion wurde innerhalb von zwei Jahrzehnten erarbeitet, in denen Diesel seinen endgültigen Motorprototyp von 1897 testete.
Ein Großteil der Elektrizität weltweit wird von Dampfturbinen in Kraftwerken, die fossile Brennstoffe verbrennen, und Kernkraftwerken erzeugt; und abgesehen von dem wesentlich größeren Leistungsvermögen und höheren Effizienzgraden würde Parsons in ihnen jedes Schlüsselmerkmal seiner Erfindung wiederfinden, die jetzt über 120amp#160;Jahre alt ist. Zudem wären Interkontinentalflüge eine noch größere Strapaze ohne Gasturbinen, die in den 1930er Jahren von Frank Whittle (der über Turbofans – die heute vorherrschende gewerbliche Konstruktion – nachdachte, noch bevor er das erste Turbostahltriebwerk baute) und Joachim Pabst von Ohain erfunden wurden.
Diese Tatsachen lassen drei offensichtliche, jedoch unterbewertete Schlussfolgerungen über die mechanischen Kraftmaschinen zu, welche die Grundlage für unseren wirtschaftlichen Fortschritt bilden. Erstens: Aufgrund ihrer großen Anzahl und der dazugehörigen (häufig teuren und umfassenden) Infrastruktur sind Kraftmaschinen bemerkenswert träge. Seitdem die verschiedenen Kraftmaschinen vor über einem Jahrhundert (Wasserturbinen, Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren) oder vor über 50amp#160;Jahren (Gasturbinen) erstmalig auf den Markt gebracht wurden, gab es wenige echte Innovationen.
Zweitens: Jeder Übergang zu neuen Kraftmaschinen ist schon an sich eine längere Angelegenheit, bis zu deren Umsetzung Jahrzehnte vergehen. Selbst heute gibt es wenige Anzeichen dafür, dass Dampfturbinen in den nächsten Jahrzehnten nicht weiterhin den Großteil unserer Elektrizität erzeugen oder dass Gasturbinen in näherer Zukunft ersetzt würden. Die jüngeren Entwicklungen belegen, dass selbst in der Automobilbranche Verbrennungsmotoren nicht so schnell den Elektromotoren oder Brennstoffzellen weichen werden, wie viele Enthusiasten gehofft haben.
Und schließlich wird es umso länger dauern, einen Ersatz für eine Kraftmaschine zu finden, je großflächiger diese eingesetzt wird. Vor einem Jahrhundert nutzte die Welt Kohle und eine relativ geringe Ölmenge in Höhe von 0,7 TW, im Jahre 2008 dagegen fließen etablierte kommerzielle Energien – fossile Brennstoffe und Primärelektrizität (Wasser und Kernkraft) – mit einer Leistung von knapp 15 TW. Offensichtlich begrenzt dieser Maßstab die Geschwindigkeit, mit der neue Kraftmaschinen eingeführt werden können, um einen bedeutsamen Anteil der alten Geräte zu ersetzen.
Wenn z.amp#160;B. 20amp#160;% der Elektrizität weltweit mit Windturbinen erzeugt werden sollen, so müssten wir, wenn wir ihre naturgegeben geringe Auslastung von etwa 25amp#160;% (im Vergleich zu 75amp#160;% bei Wärmekraftwerken mit Dampfturbinen) einbeziehen, eine neue Kapazität von ca. 1,25 TW mit diesen Maschinen schaffen. Selbst mit großen 3-MW-Turbinen wären dazu über 400.000 neue große Türme und gigantische Rotoren mit drei Flügeln notwendig. Das ist eine Aufgabe für viele Jahrzehnte.