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Erneuerbare Energien |
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Die Sicherstellung unserer Energieversorgung hängt heute im wesentlichen vom Ausbau der erneuerbaren oder "unerschöpflichen" Energien ab. |
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Unerschöpfliche Energiequellen haben die Eigenschaft, dass sie erneuerbar sind, d.h. sie werden in irgendeiner Form durch die Sonne oder die Erde laufend neu "zur Verfügung" gestellt. Alle - mit Ausnahme der Wasserkraft - bescheren uns jedoch wesentlich weniger nutzbare Energie pro Zeiteinheit und Flächeneinheit als die fossilen Energieträger Öl, Gas und Kohle oder die Kernbrennstoffe. Obwohl ihr Potential, d.h. die theoretisch verfügbare Menge, den Energiebedarf der Menschheit um ein Mehrfaches decken könnte, stehen ihrer Nutzung ökologische und wirtschaftliche Schwierigkeiten im Wege. Welche Rolle erneuerbare Energien in der weiteren Zukunft spielen werden, hängt von zahlreichen Faktoren ab, deren Einfluss heute noch nicht einzuschätzen ist. Eine grosse Anzahl Anlagen wird nötig sein, um die neuen unerschöpflichen Energieformen volkswirtschaftlich effizient nutzen zu können. Trotzdem lohnt es sich, die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet voranzutreiben. An der Universität Freiburg arbeiten verschiedene Wissenschafter und Forschergruppen in irgend einer Weise im Bereich erneuerbarer Energien, sei es im Hinblick auf den Einsatz von Wasserstoffmotoren und Windrotoranlagen oder auf die Anwendung chemischer Energiespeicherungsprozesse. Vom Feuer zu den moderen Energieträgern Der Planet Erde existiert seit einigen Milliarden Jahren, Lebensformen darauf seit einigen 100 Millionen Jahren, und seit der "Geburt" des Menschen sind einige Hunderttausend Jahre verflossen. In seiner Frühgeschichte bezog dieser, wie die Tiere, seine Lebensenergie im wesentlichen aus der Nahrung als Endprodukt der pflanzlichen Photosynthese. Die Beherrschung des Feuers eröffnete ihm Zugang zum erneuerbaren Energieträger Holz, was eine kontrollierbare, den Tages- und Jahreszeiten angepasste Produktion von Wärme und Licht erlaubte. Wasserräder, Windmühlen und tierische Kraft wurden ebenfalls schon früh als Quellen für mechanische Energie, dh. Arbeit genutzt. Die Erfindung der Dampfmaschine um die Mitte des l8. Jahrhunderts machte dann mechanische Energie in grossem Massstab zugänglich: die industrielle Revolution setzte ein. Sie erhielt einen zweiten Schub gegen Ende des l9. Jahrhunderts mit der Beherrschung der elektrischen Energie, welche überwiegend aus thermisch erzeugter mechanischer Primärenergie generiert wurde. Voraussetzung dafür war der Grosseinsatz fossiler, nicht erneuerbarer Brennstoffe - zuerst Kohle, dann Erdöl/Erdgas. Um das Ende des 19. Jahrhunderts wurde der traditionelle Energieträger Holz durch die Kohle überholt und um die Mitte des 20. Jahrhunderts diese wiederum durch Erdöl/Erdgas. Letztere dienen auch als Rohstoff für die chemisch-industrielle Herstellung von Materialien des täglichen Lebens sowie als Brennstoffe für den Wärmebedarf und als Treibstoffe für verschiedene Transportmittel. Die mittlerweile auf Hunderte von Millionen angewachsene Zahl von Motorfahrzeugen - mit einer grösseren Wachstumsrate als jene der Menschheit - verbraucht die Hälfte des geförderten Erdöls. Heute, am Ende des 20. Jahrhunderts, erfährt die industrielle Revolution einen dritten Schub: Die Menschheit tritt ins elektronische Zeitalter ein, begleitet von einem steigenden Bedarf an elektrischer Energie. Sie bildet die Voraussetzung für unseren modernen Lebensstandard, sie ist so vielseitig einsetzbar wie keine andere Energieform. Ueberproportionaler Anstieg des Energieverbrauches In knapp 200 Jahren hat sich also die Lebensweise der Menschen grundlegend verändert. Gleichzeitig stieg ihre Zahl gewaltig: Während diese früher auf einige Hundert Millionen geschätzt wird, besteht in nächster Zukunft die Aussicht auf eine Bevölkerung von zehn Milliarden. Diese Verhältnisse sind einerseits mit der Erschliessung der genannten Energiequellen verknüpft. Andererseits steigt der Energieverbrauch überproportional zum Bevölkerungszuwachs, weil dieser vorwiegend in den Entwicklungsländern stattfindet, wo im Zuge der erst aufkommenden Industrialisierung und Urbanisierung auch die grösste Bedarfszunahme an fossilen Energieträgern auf Kosten des traditionellen Energiestoffes Holz anfällt. Immer mehr Menschen streben einen immer höheren Lebensstandard an, was eine immer höhere Energieproduktionsrate verlangt. Im Jahre 1973 wurde die heile Energiewelt durch den Erdöl-Preisschock erschüttert. Im Zuge der Nachbeben wurde breiten Kreisen bewusst, dass verschiedene Energieträger vielleicht noch während der Lebenszeit heutiger Menschen versiegen werden. Gleichzeitig wuchs die Erkenntnis, dass die Abfallprodukte der gängigen Energieproduktion die Biosphäre schwerwiegend und mit noch nicht absehbaren Konsequenzen belasten. Stichworte wie: Waldsterben, saurer Regen, Smog, Ozonmangel in der Stratosphäre, Ozonüberfluss auf der Erdoberfläche, Treibhauseffekt, Temperaturanstieg, Gewässer- und Luftverschmutzung, radioaktive Verseuchung, beschleunigtes Aussterben von tierischen und pflanzlichen Lebensformen und anderes mehr beunruhigen seither zunehmend. Wohl am bedrohlichsten, weil am schwierigsten anzugehen, ist die globale Klimaveränderung. Aehnlich bedrohlich ist nur noch das aktuelle militärische Konfliktpotential, welches in letzter Analyse in den schwindenden Energierohstoffen liegt. Zerstören wir uns selbst ? Das irdische Leben hängt von verschiedenen natürlichen Kreisläufen und ineinandergreifenden Regelsystemen ab, welche sich seit Urzeiten eingespielt und ausbalanciert haben. Solche Leistungen der Natur sind durch moderne Technologien weder zu ersetzen, noch können sie aktuellen Bedürfnissen einfach angepasst werden. Seit kurzem ist die menschliche Zivilisation zu einer neuen globalen ökologischen Kraft geworden. Führt die Schaffung angenehmer Daseinsbedingungen zur Vernichtung ihrer Existenzgrundlagen? Wird es in absehbarer Zeit erstmals geschehen, dass Lebewesen, die die Natur hervorgebracht hat, nicht von ihr selbst wieder zurückgenommen werden, sondern sich selbst zerstören? Die Frage nach einer tragbaren Energiezukunft der Menschheit ist brennend geworden. Benötigte Energieformen Benötigt wird Energie zu verschiedenen Zwecken und somit in verschiedenen Formen. Die drei wichtigsten sind: - Wärme von niedriger Temperatur für Wasser- und Raumheizung - Elektrischer Strom - Chemische Energieträger Sie können beim Verbraucher schliesslich auch in anderer Form durch Umwandlungsprozesse Anwendung finden, was namentlich für die mechanische Energie gilt. Damit mag diese Unterteilung unnütz erscheinen, doch zwei Gründe machen sie trotzdem wichtig: Wirkungsgrad von Umformungen Die Gesetze der Thermodynamik verlangen zwar Energiekonstanz im Zuge von Umformungen, nicht aber vollständige Umformbarkeit. Grundsätzlich ist von "geordneten" und von "ungeordneten" Energieformen auszugehen. Erstere sind vergleichbar mit der Fallenergie eines Holzstücks, in welchem sich alle konstituierenden Moleküle geordnet, d.h. gleichsinnig nach unten bewegen. Letztere entsprechen der Schwingungsenergie der Moleküle in diesem Holzstück. Sie sind "ungeordnet", weil sowohl in Ruhe wie auch im Zuge des gerichteten Falls ungerichtete atomare Schwingungen in diesen Molekülen stattfinden. Deren Auslenkung ist abhängig von der Temperatur, womit der Bezug zur Wärmeenergie aufgezeigt ist. Der zweite Hauptsatz der Thermody-namik verbietet eine 100%ige Umformbarkeit von "ungeordneter" in "geordnete" Energie, also von Wärmeenergie in elektrische oder mechanische Energie. Das umgekehrte ist grundsätzlich mit 100% Wirkungsgrad möglich. Im Energie-Umformungsprozess: Kohleverbrennung - überhitzter Wasserdampf - Dampfturbine - Stromgenerator - elektrischer Strom ist nur ein Drittel der in der Kohle gespeicherten primären Wärmeenergie als elektrische Sekundärenergie nutzbar. Der Rest fällt als Abwärme an; sie führt zu einer Belastung der Kühlmedien Luft oder Wasser. Andere Verlustquellen, so die Reibung, erniedrigen zusätzlich den Wirkungsgrad. Speicherung der drei Energieformen Wärmeenergie kann nur für zeitlich beschränkte Perioden gespeichert werden, etwa in isolierten Behältern. Elektrische Energie kann bis heute praktisch nur in kleinen Mengen gespeichert werden. Eine indirekte Speicherung gelingt z.B. als mechanische Energie durch Hochpumpen von Wasser in Stauseen; sie ist von grossen Verlusten begleitet. Nur chemische Energieträger beinhalten eine zeitlich praktisch unbeschränkte Speicherkapazität. Gleiches gilt zwar auch für physikalische, d.h. nukleare Energieträger; ihr Einsatz geschieht aber immer via primäre Wärmeproduktion und ist also im Falle von gewünschten "geordneten" Sekundärenergieformen mit niedrigem Wirkungsgrad und Belastung der Kühlmedien behaftet. Die individuelle Nutzung der nuklearen Energiespeicher, z.B. in Fahrzeugen, ist schliesslich aus Sicherheitsgründen ausgeschlossen. Es folgt, dass ein ausreichendes Angebot an chemischen Energieträgern von grösster Wichtigkeit für den energetischen Fortbetrieb der menschlichen Gesellschaft ist. Irdische Energiequellen Fossile Brennstoffe Diese wurden in der Erdvergangenheit aus abgestorbener Biomasse akkumuliert; der Grossteil (ca. 80%) des heutigen Weltenergiebedarfs wird durch sie bestritten. Wie oben angeführt, geht einerseits ihr Vorrat zur Neige, und andererseits führen die Abfallprodukte ihrer Nutzung zu einer schwerwiegenden Belastung der Biosphäre. Nukleare Energieträger Die Entwicklungen der Physik nach der Jahrhundertwende lieferten die wissenschaftlichen Grundlagen zu ihrer Nutzung; ca. 5% des heutigen Energiebedarfs wird so abgedeckt. Die Kernkraft ist eine etablierte Technologie. Trotzdem sind ihrer Ausbreitung Grenzen gesetzt: - Die Vorräte spaltbaren Materials sind auch begrenzt. Brüter-Reaktoren können zwar ihre Verfügbarkeit zeitlich ausdehnen, wobei im Zuge der Wiederaufarbeitung bereits benutzter Brennelemente aber kurzfristig grosse Mengen von radioaktivem Abfall anfallen. Endlager dafür stehen noch nicht zur Verfügung. - Die Entwicklung von Fusionsreaktoren ist zwar in vollem Gange. Dieser Prozess stützt sich auf den praktisch unbegrenzt vorliegenden Rohstoff Wasser; er würde also das Problem der schwindenden Energieträger auf einen Schlag lösen. Technische Schwierigkeiten lassen aber einen Einsatz dieses Verfahrens nicht vor Mitte des nächsten Jahrhunderts erwarten. Im übrigen ist auch dieses Verfahren in heutiger Sicht nicht "sauber", d.h. radioaktivitätsfrei. - Neben diesen materiellen Fragen ist die Nukleartechnik mit einem schwerwiegenden gesellschaftlichen Akzeptanzproblem behaftet, ausgelöst durch Reaktorunfälle wie Harrisburg und speziell Tschernobyl. Diese haben gezeigt, dass die Frage nach dem "Restrisiko" nicht mehr in der traditionellen probabilistischen Sprache wie für andere Risiken angegangen werden kann, da im Katastrophenfall globale Konsequenzen resultieren. Das bisher gängige Argument einer "geringen Wahrscheinlichkeit" muss künftig zugunsten einer sozusagen deterministischen Gewährleistung der Schadenbegrenzung für jeden Störfall weichen, was leichter gesagt als getan ist. Gleiches gilt für die Sicherheit der Endlager nuklearer Abfälle. Schliesslich beunruhigt die Tatsache, dass eine Beherrschung der friedlichen Nuklearenergie gleichzeitig die Produktion von Nuklearwaffen ermöglicht - ein Konfliktpotential, welches erstmals im Golfkrieg breit bewusst geworden ist. Geothermische Energie Sie betrifft die im Erdinnern gespeicherte Wärmeenergie, welche nur an wenigen vorteilhaften Orten nahe der Erdoberfläche angezapft werden kann. Ihr gegenwärtiger wie zukünftiger globaler Beitrag ist deshalb ökonomisch als vergleichsweise unbedeutend einzuschätzen. Ausserirdische Energiequellen Gezeitenenergie Sie resultiert aus dem Zusammenspiel der Erdrotation mit der Gravitationswechselwirkung zwischen Erde und Mond (und in einem geringeren Masse mit der Sonne). Sie ist nur lokal nutzbar und bietet ebenfalls keine globale Alternative. Sonnenenergie Alle übrigen bekannten Energieträger leiten sich von der praktisch unversiegenden Einstrahlung der Sonne ab. Ihre Licht- und Wärmestrahlung sind einerseits Formen von Primärenergie und andererseits Quellen von Sekundärenergie dank der Photosynthese der Pflanzen (Nahrung, Biomasse), der Wasserkreisläufe, der Winde und der Temperaturgradienten in den Meeren. Direkte Wärmeeinstrahlung wird schon seit langem genutzt, so zur Salzgewinnung, zur Trink- und Warmwasserbereitung, sowie als Raumheizung. Ländern in Zonen hoher Sonneneinstrahlung, so z.B. Israel, gelingt auf diesem Wege heute, einen hohen Prozentsatz ihrer Warmwasserproduktion zu gewährleisten. Die Nichtkonstanz der Einstrahlung über die Tages- und Jahreszyklen, sowie deren Abhängigkeit von geographischer Breite und von Klimafaktoren setzen aber natürliche Nutzungsschranken. Wärmeenergie ist auch nicht längere Zeit speicherbar, die Umlagerung der so gespeicherten Sonnenenergie ist von der Sommer- in die Winterzeit nicht möglich. Biomasse Von einiger Bedeutung ist die Nutzung von erneuer- und speicherbarer Biomasse und Wasserkraft (ca. 15% des Weltenergiebedarfs). Die Biomasse wird direkt verbrannt oder über Fermentationsprozesse in brennbare chemische Treibstoffe (Alkohole) umgewandelt. Das Kohlendioxidproblem (CO2) ist dabei entschärft, denn die Verbrennung der Biomasse setzt nur jene Menge CO2 frei, welche im Zuge ihres Anbaus gebunden wurde. Die Energieausbeute der zugrundeliegenden natürlichen Photosynthese ist aber sehr bescheiden. Des weiteren fallen energiekonsumierende Begleitarbeiten wie Düngung, Bewässerung, Ernte und ggf. Fermentationsprozesse an. Dies und der hohe Bedarf an Anbauflächen setzen Nutzungsschranken. Wasserkraft Ein überaus sympathischer Energieträger ist die Wasserkraft. Einerseits speicherbar, andererseits mit hohem Wirkungsgrad in "geordnete" mechanische und elektrische Energie freisetzbar, ist sie weitgehend umweltverträglich, da ihre Nutzung - im Gegensatz zu Verbrennungs- und nuklearen Kräften - nicht in den atomaren und molekularen Aufbau der Biosphäre eingreift. Ihr Energiepotential ist leider bescheiden: Verbrennungs- und nukleare Speicher beinhalten ca. sechs, bzw. zwölf Grössenordnungen mehr Energie pro eingesetztem Atom oder Molekül. Ueberdies ist ihr Einsatz von regionalen Faktoren abhängig. Schliesslich: Ihr Ausbau stösst auf Opposition wegen der Veränderung der natürlichen Umgebung, des Mikroklimas und der Grundwasserführung, des Verlusts von Landflächen und der Gefahr von Dammbruchkatastrophen. Zwischenbilanz Die obigen Ausführungen zeigen, dass die heute gängigen Energieträger mittelfristig ausgehen. Noch schwerer wiegt, dass sich kurzfristig einerseits die Kapazität der Biosphäre zur Verkraftung der Abfallprodukte, und andererseits die Toleranz der Menschheit gegenüber der Nuklearkraft erschöpfen werden. Nur eine bessere Nutzung der langfristig zur Verfügung stehenden Sonnenstrahlung bietet in heutiger Sicht einen gangbaren Ausweg, namentlich im Hinblick auf speicherbare chemische Energieträger. Nutzung der Sonnenenergie Die Sonneneinstrahlung auf die Erde ist notwendig zur Aufrechterhaltung aller natürlichen Prozesse, so der Lebensprozesse: - Die Erde ist wärmer als ihre Umgebung und strahlt somit stetig Wärme in den Weltraum ab. Ihre Temperatur wird aufrechterhalten durch den Energienachschub der Sonneneinstrahlung. - Alle natürlichen Prozesse wandeln Energie "geordneter" in solche "ungeordneter" Form um. Die Sonneneinstrahlung ersetzt also nicht nur den Wärmestrahlungsverlust, sondern als eine "geordnete" Energieform auch diesen Ordnungsverlust. Nur so kann das Leben aufrechterhalten werden. Angebot an Solarenergie Die auf die Erdoberfläche einfallende Solarstrahlung übersteigt den heutigen Energiebedarf der Menschheit um ca. vier Zehnerpotenzen. Setzt man einen zukünftigen Mehrbedarf um den Faktor 10 an, so verbleibt immer noch ein Ueberschuss um den Faktor 1000 - mehr als genug für unabsehbare Zeiten. Diese Rechnung berücksichtigt allerdings keine Verlustfaktoren, die im folgenden genannt werden. Sammlung der Solarenergie Die global verstreut einfallende Energie muss mittels Kollektoren gesammelt werden. Nur einige Prozente der Erdoberfläche können so genutzt werden, womit der berechnete Überschussfaktor viel zu hoch ist. Ebenfalls fällt die Energie diskontinuierlich und regional stark verschieden ein. Eine globale Verteilung sowie eine Nutzung nach Bedarf erfordert also die Sammlung und Umwandlung der Sonnenstrahlung in eine mobile, speicherbare Form. Diese Forderung ist gleichwertig mit jener nach neuen chemischen Energieträgern. Neue chemische Energieträger Im Vordergrund des Interesses steht zurzeit die Produktion von Wasserstoff (H2) durch Solarspaltung des Wassers (H2O) in seine Komponenten: Die energieliefernde Rückreaktion H2 + 1/2 O2 ÆH2O ist gut kontrollierbar und setzt Wasser als einziges Abfallprodukt frei, falls reiner Sauerstoff (O2) angeboten wird. Praktisch müsste wohl der Sauerstoff der Luft verwendet werden; dabei sind je nach den Prozessbedingungen auch Reaktionen mit dem Stickstoff (N2, 80% Gehalt) zu erwarten, womit belastende Abfälle entstünden. Ebenfalls ist nicht ganz klar, wie gewaltige Mengen von H2 global umverteilt und namentlich ökonomisch und sicher zwischengelagert werden könnten. Falls dies mit flüssigem H2 (Siedepunkt: -253° C) geschähe, würden erhebliche technische und energiekonsumierende Anlagen benötigt. Evtl. könnte H2 direkt am Ort der Produktion mit andern verbreiteten oder dort ebenfalls solarproduzierten Stoffen zur Reaktion gebracht werden, um einen leichter handhabbaren Energieträger zu erhalten. (Über die Speichermöglichkeit von H2 via Adsorption in Festkörpern berichtet ein spezieller Artikel in diesem Heft.) Schliesslich: Die eingangs genannte Reaktion wird auch "Knallgas-Reaktion" genannt, wenn sie sich der Kontrolle entzieht, was auf Sicherheitsprobleme beim Umgang mit H2 hinweist. Obiges führt zum Gedanken, anstatt einer primären Spaltung des Wassers seine solargetriebene Direktreaktion mit anderen verbreiteten Stoffen anzuvisieren, so mit dem Stickstoff als Hauptkomponente der Luft zu Ammoniak (NH3) - einem giftigen Gas. Günstiger wäre die Produktion eines flüssigen Energieträgers, etwa des Methanols (CH3OH), mit Hilfe von Kohlendioxid (CO2). Sicherheits- und namentlich Speicherprobleme wären dabei entschärft. Ein neues Problem taucht auf: Die Erdatmosphäre enthält zwar gewaltige Mengen von CO2, aber mit einer Konzentration von nur Hundertstelprozenten neben den anderen Gasen N2 und O2. Durch Brennen von Kalkgesteinen (vgl. Zementindustrie) könnten aber praktisch unbeschränkte Mengen von reinem CO2 erschlossen werden; ein klassischer Energieträger würde hierzu sozusagen "Starthilfe" leisten. Kohlendioxid könnte auch durch Rezyklierung aus Verbrennungsprozessen angesammelt werden. Verschiedene Kreise glauben denn auch mit einer gewissen Berechtigung, dass Wasser, Kalk und Sonnenenergie die vielversprechendsten Rohstoffe zur Produktion neuer chemischer Energieträger sind. Herstellung der neuen Energieträger Für Wasserstoff (H2) bietet sich zuerst der indirekte Weg über die photovoltaische Stromerzeugung mittels Photozellen und die anschliessende Wasserelektrolyse an. Elektrischer Strom aus Siliziumzellen findet schon heute breite Anwendung (Taschenrechner, Uhren, Telephon und Licht an abgelegenen Orten, Raumfahrt etc.). Es ist abgeschätzt worden, dass die Bedeckung von einigen Prozenten der Wüstengebiete der Erde mit Siliziumzellen ausreichen würde, den heutigen Treibstoffbedarf aus Wasserstoff zu befriedigen. Die photovoltaische Produktion von elektrischem Strom ist schon als "Königsweg" der Solarenergiegewinnung bezeichnet worden: Keine Abfälle, keine beweglichen Teile, wenig Wartung, hohe Betriebssicherheit und lange Lebenszeit der Materialien. Diese Bezeichnung beinhaltet aber auch einen Hinweis auf die Kosten der entsprechenden Anlagen, und die nachfolgende Elektrolyse ist von bekannten Problemen mit Elektrodenprozessen begleitet. Gleiches, und noch andere ungelöste Fragen gelten für die sog. photoelektrochemische Erzeugung von Wasserstoff. Elegant wäre die Produktion neuer Energieträger auf direktem Weg und unter Umgehung von Elektrodenprozessen, was also einer Simulation der Photosynthese entspräche. Voraussetzungen wären eine einfachere Reaktionsführung, ein höherer Wirkungsgrad und eine längere Lebensdauer der Reaktoren (länger als jene eines Pflanzenblatts!). Diese Ansprüche erscheinen zuerst vermessen angesichts des im Zuge von Jahrmillionen optimierten natürlichen Prozesses, doch muss berücksichtigt werden, dass die Entwicklung der Pflanzen nie die Unterstützung der in Masse und Ansprüchen überbordenden, nach neuen Energiequellen ringenden Menschheit zum Ziel hatte. Forschungen zu diesem eleganten Weg sind weltweit im Gange; sie können hier nicht im Detail geschildert werden. Allen Ansätzen ist ein durch Sonnenlicht aktivierter Transfer von negativen Ladungsträgern (Elektronen) gemeinsam, wie dies in der natürlichen Photosynthese geschieht. Aspekte dieses auch für andere Gebiete der Chemie fundamentalen Ladungstransfers (z.B. Photographie, Photokopierprozesse, Härtung von Kunststoffen etc.) werden ebenfalls an der Chemiesektion der Universität Freiburg untersucht. Optimierung des Ladungstransfer-Prozesses Der oben skizzierte Weg bedingt primär die Absorption der Energie des Sonnenlichts durch ein Molekül M1, das dabei angeregt wird. Nur spezifische Wellenlängen (d.h. spezifische Energien) des Solarspektrums sind dafür nutzbar; sowohl allfällige Überschussenergie bei der Absorption höherenergetischer Strahlung, wie eine zu niedrige Strahlungsenergie gehen verloren. Diese Verlustfaktoren reduzieren den Wirkungsgrad der Solarnutzung. Ebenfalls steht der thermodynamische Wirkungsgrad der Solarstrahlung zur Debatte: Muss dieser für photochemische Reaktionen in Analogie zu Wärmekraftmaschinen berechnet werden? Diese Fragen gelten auch für die natürliche Photosynthese. Hat die Solarstrahlung schliesslich ein Molekül M1 angeregt und M1* erzeugt (*bedeutet "angeregt", "energiereich"), so findet unter geeigneten Bedingungen ein Ladungstransfer-Prozess mit einem zweiten Molekül M2 statt und zwei elektrisch entgegengesetzt geladene Teilchen entstehen: M1* + M2 Þ Þ Þ M1+ + M2- Eigenschaften der individuellen Moleküle M1 und M2, des Gesamtsystems M1/M2 und seines Einbettungs-Mediums, sowie die Distanz und relative Orientierung zwischen den beiden Reaktionspartnern bestimmen die Geschwindigkeit des Ladungstransfers. Eine hohe Geschwindigkeit ist erforderlich, weil sonst M1* seine Anregungsenergie auf andere Weise los wird - ein Schlag ins Wasser! Die hervorragenden Strukturbedingungen, welche die Natur in langer Auslese gefunden hat, erlauben Elektronenübertragungen in der Zeit von Billionstelsekunden für die M1/M2-Paare eines Pflanzenblatts (M1 ist dabei das bekannte Chlorophyll). In künstlichen Systemen haben nicht alle M1/M2 - Paare zum richtigen Zeitpunkt eine richtige Anordung (Organisationsproblem), was die Effizienz des Ladungstransfers erniedrigt. Forschungsanstrengungen zur Optimierung der Reaktanden-Organisation sind deshalb hochaktuell. Modellsysteme für M1 sowie Messeinrichtungen zur Erfolgsabschätzung des Vorwärtstransfers wurden auch in Freiburg entwickelt. Hat nun erfolgreich ein Vorwärts-Ladungstransfer stattgefunden, so tritt ein nachfolgender schwerwiegender Verlustfaktor ins Bild: der schnelle Rück-Ladungstransfer M1 + + M2 - Þ Þ Þ M1 + M2 Da M1+ und M2- als Zwischenprodukte für Folgereaktionen zur abschliessenden Speicherung der Solarenergie dienen sollen, muss dieser Rücktransfer als erneuter Schlag ins Wasser angesehen werden. Seine Effizienzfaktoren sind z.T. ähnlich wie jene des Vorwärtstransfers. Verschiedene Forschungsanstrengungen der Chemiesektion Freiburg widmen sich dieser Problematik; zu Faktoren wie Elektronenspin- und Energierestriktionen, zu Fragen des Einbettungs-Mediums, sowie zu Organisationsfragen ("Käfigeffekt"), wurden international beachtete Beiträge geleistet. Zusammenfassung und Ausblick Die Beiträge dieses Heftes behandeln das gewaltige Problem einer auf Dauer genügenden und sicheren Energieversorgung der Menschheit. Diese ist erst seit kurzem fähig, einerseits universelle Zusammenhänge zu erkennen und andrerseits die Auswirkungen ihres Tuns auf ihren Lebensraum quantitativ zu erfassen. So ist sie also erst seit kurzem in der Lage, das Menetekel an der Wand zu lesen, welches Folgen voraussagt, die mit jenen von langfristigen geologischen Prozessen vergleichbar sind. Das Dasein der Menschheit wird weiterhin von der Energiezufuhr abhängen, aber nur in einem gesunden ökologischen Gesamtsystem wird sie überhaupt weiterexistieren können. Häuptling Seattle sagte: "Alle Dinge sind miteinander verbunden. Was die Erde befällt, befällt auch die Söhne der Erde". Stabilisierung des Energieverbrauches Einige der vorliegenden Beiträge betreffen wissenschaftlich-technologische Punkte. So müssen Verluste bei der Nutzung heutiger Energieträger verringert, ihr Abfallproblem entschärft und ihre Sicherheitsfaktoren verbessert werden - dies namentlich auf dem Nuklear-Sektor. Einer Eindämmung des CO2-Problems wäre durch Wiederaufforstungen und Neuanpflanzungen zu begegnen. Nicht zu unterschätzen ist die Effizienz-Optimierung der energiekonsumierenden Bauten, Anlagen und Geräte im Hinblick auf eine Stabilisierung des Energieverbrauchs. Solche Massnahmen könnten in die Regional- und Stadtplanung eingebunden werden, so wie heute an verschiedenen Orten vor einem Hausbau ein Parkplatz (!) nachgewiesen werden muss. In diese Rubrik gehört eigentlich auch die Eindämmung der Bevölkerungsexplosion: Sie ist vermutlich leichter zu erzielen, als eine übergrosse Zahl von Menschen mit Energie und anderen Lebensmitteln zu versorgen. Gemeinsame Anstrengungen Einige der Beiträge betreffen die Entwicklung neuartiger Energiequellen, welche parallel zum oben gesagten voranzutreiben ist. Für speicherbare chemische Energieträger ist von kohlenstoff- zu wasserstoffreichen Stoffen überzugehen. Ein progressiver Ersatz der heutigen Stoffe durch solche aus der "simulierten Photosynthese" würde gleichzeitig die Umweltkosten der ersteren zum Verschwinden bringen, was in Kosten-Nutzenrechnungen zu berücksichtigen wäre. Die Industrie ist aufgerufen, ihre Fachleute zur Behandlung von Energiefragen einzusetzen. Doch zusätzliche Anstrengungen in Wissenschaft und Technik allein genügen nicht, ja sie können überhaupt erst mit der Unterstützung einer Politik aufgenommen werden, welche sich nicht mehr nur taktisch den aktuellen Problemen anpasst, sondern den brennenden Zukunftsfragen durch eine strategische Neuordnung vorausschauend begegnen will. Die Politik ist aufgerufen, global gültige Richtlinien zu erlassen, was internationale Zusammenarbeit voraussetzt. Die Probleme sind auch global verflochten; beispielsweise achten Emissionen keine Landesgrenzen! Einstein erkannte schon 1948: "Der Mensch muss einsehen, dass seine Geschicke mit denen seiner Mitmenschen in allen Teilen der Welt untrennbar verknüpft sind". Namentlich ist eine engere Zusammenarbeit mit der Dritten Welt anzustreben, damit für den dort zukünftig ansteigenden Energiekonsum bereits optimierte Verfahren zum Zuge kommen können; andernfalls würden nämlich die in den Industrieländern erzielten Verbesserungen global gesehen gerade wieder negativ aufgewogen. Dies alles bedingt, dass die Finanzpolitik von einem auf Jahresabschlüsse fixierten Blickwinkel auf einen langfristigen Horizont überwechseln muss. Diese Sicht würde auch gefordert für materielle Anreize zu energiepositiven Massnahmen, denn nur so können die Produzenten und Konsumenten zum Handeln bewegt werden. Schliesslich ist das Verursacherprinzip durchzusetzen: Der Nutzniesser einer Energiequelle muss die vollen Kosten (inkl. ökologisch bedingte) tragen. Ein neuartiges Mass ähnlich dem Bruttosozialprodukt, das die nationale Energie- und Ökologieeffizienz wiederspiegelt, könnte das Bewusstsein der Bevölkerung für diese Fragen fördern. Ausbildung und Verständnis Das letztgenannte ragt nun "last but not least" in die Erziehungspolitik ein. Die Bevölkerung muss besser für naturwissenschaftliche Zusammenhänge sensibilisiert werden, damit sie die anstehenden Probleme verstehen kann und die notwendigen Investitionen unterstützen will - dies namentlich im Hinblick auf die Ausbildung von kommenden Generationen von Fachleuten zur Lösung jener Fragen, welche wir heute noch nicht zu lösen vermögen. Sie mag damit auch besser verstehen, dass fortan die Handlungsweise, sowie die Einstellung jedes einzelnen gegenüber seiner Heimat Erde zählen. "Gott machte die Erde den Menschen untertan, doch nicht, damit sie sein Werk zerstören!"
Prof. Edwin Haselbach Prof. Paul Suppan Institut für physikalische Chemie
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Universitas Friburgensis novembre 92 |
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