Menschliches Leben beruht auf der Nutzung von natürlich bereitgestellten Stoffen und Energien. Diese sind nicht einfach nur „da“, sondern bestehen aus Prozessen, in denen vieles miteinander zusammenhängt und die durch Rückkopplungen untereinander aufrechterhalten werden. Wie stark alle Faktoren des Lebens miteinander wechselwirken, zeigen u.a. AutorInnen, welche den Planeten Erde selbst als lebendigen Organismus betrachten und ihn deshalb „Gaia“ nennen (Lovelock 1982).

Das Problem damit ist, dass der Optimismus, den das „Gaia“-Konzept zu begründen hofft, sich lediglich auf den Planeten Erde bezieht. Der Planet selbst und natürliche ökologische Prozesse auf ihm wird es tatsächlich immer weiter geben – die Frage ist nur, ob Menschen darauf gut leben können, oder ob sich Gaia dieses „Schmarotzers“ entledigt…

Lange dachte man, dass die ökologischen Veränderungen durch menschliche Aktivitäten wie Rodungen usw. nur regionale Auswirkungen gehabt haben. Inzwischen wird vermutet, dass vor allem die Entstehung der Landwirtschaft vor ca. 8000 Jahren einen Beitrag an der Stabilisierung des Klimas im sog. Holozän geleistet hat. Derzeit geht es gerade um die Zerstörung dieser Stabilität, die für die Lebensgrundlagen der Zivilisation grundlegend ist.

In unseren „Energiethesen“ haben wir als „Zukunftswerkstatt Jena“ bereits früher nicht nur auf einzelne Faktoren wie die CO2-Emissionen geschaut, sondern uns für die Gesamtbilanz bezüglich der Energieflüsse um den Planeten interessiert. Da die Steigerung der Arbeitsproduktivität bisher stark auf wachsender Energie-„Erzeugung“ basierte, wollten wir wissen, wie weit diese Energie-„Erzeugung“ überhaupt noch gehen darf, wenn diese Energieflüsse nicht in gefährlicher Weise gestört werden sollen. Vielleicht würde ja die Kernfusion doch in einigen Jahrzehnten funktionieren. Sollten wir darauf hoffen können, oder es befürchten müssen? Was geschieht, wenn große Mengen von Energie in historisch sehr kurzer Zeit in die Atmosphäre eingebracht werden, die sich letztlich auch direkt, d.h. nicht nur über den Umweg der Treibhausgase, als Wärmequellen erweisen?

Wir fanden bisher nur wenig nutzbare Vorarbeiten aus der Wissenschaft (z.B. Pelte 2000), weil der Fokus verständlicherweise derzeit auf die Treibhausgase gelegt wird.

Axel Kleidon vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena untersuchte in den letzten Jahren die Thermodynamik des Erdsystems genauer. Er fragt sich, wie stark sie durch die Nutzung von sog. erneuerbaren Energiequellen „angezapft“ wird. Bereits 2011 machte er auf negative Auswirkungen der Windkraftnutzung und dementsprechende Nutzungsgrenzen aufmerksam. Inzwischen gibt es umfassendere Studien, welche die Erde als thermodynamisches System, welches Leistung erzeugt, betrachtet. Wir erinnern uns kurz an Physik: Der physikalische Begriff Arbeit beschreibt die Veränderung von Energie. Wenn etwa etwas hochgehoben wird, so verändert sich seine potentielle Energie. Bei der Leistung kommt noch der Zeitfaktor hinzu: Leistung ist die Arbeit pro Zeit.

Energieflüsse im System Erde

Die oben schon angesprochenen vielfältigen Wechselwirkungen auf der Erde sind mit energetischen Flüssen verbunden. Ökologische Untersuchungen müssen unbedingt auch genau berücksichtigen, welche Art von geologischen, atmosphärischen, biologischen und ggf. technischen Objekten wie miteinander wechselwirken. Aber all diese Wechselwirkungen verändern auch Energieflüsse und auf dieser Ebene setzen die thermodynamischen Studien an. Denn das Fehlen von Energie begrenzt alle davon abhängigen Prozesse und ist deshalb ein wichtiger limitierender Faktor.

Die Dynamik ihrer Atmosphäre und der Biosphäre beruht darauf, dass eine bestimmte Art Energie aus dem Kosmos (vor allem der Sonne) aufgenommen wird und dann auch wieder zurückgestrahlt wird. Während des „Durchgangs“ durch die Atmos- und die Biosphäre der Erde wird Energie „verbraucht“, d.h. genutzt. Dies zeigt sich nicht in einer Abnahme der Menge von Energie die ankommt und wieder emittiert wird, sondern in einer qualitativen Veränderungen. Man kann deshalb die Erde auch als „Kraftwerk, das aus Solarstrahlung andere Formen von Energie erzeugt“ (Kleidon 2013: 1) bezeichnen.

Bei jeder Energieumwandlung, auch innerhalb der natürlichen Wechselwirkungen, wird ein Teil der Energie in Wärme verwandelt und ist dadurch 1. nicht mehr nutzbar und kann 2. selbst schädliche Auswirkungen haben. Die Wärmebewegung ist eine „ungeordnetere“ Form von Energie als die vorherige, aus der sie entstand. Zwar wird für jedes als geschlossen annehmbare System die Energie erhalten, aber die Form der Energie verändert sich durch Umwandlungen so, dass sie „ungeordneter“ wird, wodurch die physikalische Größe „Entropie“ steigt. Die Umwandlung von Sonnen- in Windenergie verliert z.B. Reibungen, durch Umwandlung in Wellenenergie, in Verdunstungsenergie usw. so viel, dass von eingestrahlten 175 000 TW letztlich nur noch 1 000 TW als Windenergie ankommen (Kleidon 2013: 3). Nur die sog. „freie Energie“ kann noch weiter in Arbeit (Energieveränderung) umgesetzt werden.

Auf dem Weg dieser Energieumwandlungen werden durch die Energieinputs verschiedene Bewegungsprozesse „angetrieben“. So wärmt sich die Erdoberfläche durch die Absorption von Sonnenstrahlung auf. Das dadurch entstehende Temperaturgefälle führt, neben Wärmeverlusten, zu atmosphärischen Konvektionsbewegungen. Diese werden, wieder verbunden mit  Verlusten, weiter gegeben an Wasserbewegungen, die sich letztlich auch in geochemischen Kreisläufen bemerkbar machen. Die dabei entstehenden Wärmeverluste werden quasi in der „Gegen“-Richtung zurückgegeben und werden schließlich wieder an die Erdumgebung gestrahlt. Diese und die entsprechenden Energieflüsse aus den innerirdischen Quellen werden in der folgenden Abbildung (aus Kleidon 2012: 140) dargestellt:

Erneuerbare Energien

Wie wir oben schon sahen, nutzen auch die erneuerbaren Energien natürliche Energieformen und wandeln sie in für uns nutzbare (z.B. elektrische) um. Die natürlichen Energiequellen scheinen unendlich, aber auch sie sind endlich (solar: 175 000 TW, Erdwärme: < 50 TW, Gezeiten: 5 TW) und sie können nicht vollständig abgeschöpft werden, weil sie wichtige Funktionen bei der Aufrechterhaltung von atmosphärischen und biosphärischen Prozessen haben… Die folgende Abbildung (aus Kleidon 2012: 141) zeigt die Energieumsatzraten im Erdsystem mit den dadurch entstehenden Quellen für erneuerbare Energien:

Dabei sind aber noch nicht alle Verluste enthalten, so z.B. nicht die Reflexion von 30% der solaren Einstrahlung von 175 000 TW (siehe hierzu Kleidon et al. 2016) bzw. der Reibungsverlust der Wellenenergie. Diese Verluste berücksichtigt folgende Darstellung aus Kleidon 2014:

Die ergiebigste Energienutzung besteht demnach einerseits in der direkt nutzbaren  Solarenergie und der Nutzung der durch Photosynthese umgewandelten Energie. Die Photosynthese ist ein photochemischer Prozess, bei dem keine physikalischen Wärmeverluste auftreten.

In einer neueren Arbeit werden die nutzbaren Potentiale speziell für die Solarindustrie abgeschätzt (Kleidon et al. 2016). Durch konzentrierte Solarthermie könnten demnach etwa 11 600 TW und durch Photovoltaik 16 300 TW genutzt werden. Bei allen weiteren Umwandlungen der Solarenergie, etwa in Biokraftstoffe, erzeugt wiederum Umwandlungsverluste, so dass die direkte Nutzung die wirtschaftlichste Form wäre.

Das Potential der Nutzung als erneuerbare Energien aus der  Sonnenstrahlung gibt folgende Abbildung (aus Kleidon et al. 2016: 17) an:

Um den derzeitigen Bedarf an Primärenergie zu erfüllen, müsste das Potential an Windenergie zu 14,9% ausgenutzt werden, bei Solarenergie sind es nur 0,09%. Gegen die Windenergie spricht auch noch, dass ihre Nutzung (neben anderen Umweltwirkungen) zu Veränderungen des klimatischen Systems führen würde (Miller et al. 2011).

Rolle der menschlichen Nutzung von Energie

Für die menschlichen Bedürfnisse werden etwa 8-42 TW Energie in der Landwirtschaft aus der Photosyntheseleistung genutzt und weitere 17 TW für die Industrie als vorwiegend aus fossilen Energiequellen (Kleidon 2012: 142). Die Nutzung von Energie durch Menschen liegt also durchaus im Bereich von Werten aus natürlichen Energieflüssen. Das bedeutet erstens, dass auch die nutzbaren erneuerbaren Energiequellen, wenn sie nicht vollständig direkt aus der solaren Energie stammen, im Vergleich zum Bedarf nicht unendlich groß sind und dass zweitens die menschliche Nutzung die Energieflüsse innerhalb des natürlichen Bereichs merklich reduzieren. Für die Windenergie wird eingeschätzt, dass bei einer Nutzung von 10% der maximal nutzbaren Leistung „bereits ein großskaliger Effekt in der Atmosphäre erkennbar sein“ (ebd.: 143) sollte. Dietrich Pelte sieht sogar für die Photovoltaik einen „relativen Eingriff in die Umwelt“, der ihre Nutzungspotential deutlich einschränkt (Pelte 2013).

Was geschieht, wenn in Zukunft immer mehr dieser natürlichen sich durch Solarstrahlung erneuernden Energieformen abgeschöpft werden? Angenommen, die natürliche Leistung der Erde bleibt gleich, so wird durch einen wachsenden menschlichen Nutzungsanteil (in der leicht veränderten Darstellung aus Kleidon (2012: 143) rot/rosa dargestellt) der die für die natürlichen Prozesse übrig bleibende (hellblau dargestellte) Anteil kleiner:

Der für natürliche Prozesse nutzbare Anteil an freier Energie kann nur dann gleich bleiben, wenn im System Erde mehr nutzbare Energie entsteht:

Axel Kleidon schlägt zu einer solchen Erhöhung der Gesamtleistung des Systems Erde die Energieumwandlung solarer Energie durch Photovoltaik, Solarthermie oder Photosynthese vor. Dies würde, wie inzwischen einmal durchgerechnet wurde, das Klima in diesen Regionen allerdings auch wieder beeinflussen (Li et al. 2018).

Inzwischen wurde auch diskutiert, inwieweit die Folgendes Klimawandels die Möglichkeiten der Energienutzung aus den Erneuerbaren beeinträchtigen (Karnauskas et al. 2018, Peters et al. 2018)). Klare Aussagen dazu sind noch nicht möglich, aber dass auch hierbei unerwartete Wechselwirkungen entstehen, sollte nicht unerwartet kommen.

Und was würde Kernfusion bringen?

Als weitere Quelle für Energie, die scheinbar viel weniger schädliche Umweltfolgen hat als die Kernspaltung, wird wieder stärker die Kernfusion diskutiert. Warum sie angesichts der Überfülle an Solarenergie überhaupt notwendig sein soll, erschließt rein sachlich nicht. Gert Blumenthal (2009) legte eine grundsätzliche kritische Einschätzung zu dieser Technologie vor.

Ein dort noch nicht beachtetes Problem ist die Wärmeentwicklung durch die zusätzlich in das Erdsystem eingetragene Energie. Wir sehen an der Abbildung der Energieströme (aus Pelte 2012a), dass die solare Einstrahlung von 100% zu 34% gleich wieder reflektiert wird, die übrigen 66% als Wärmestrahlung (Energie mit hoher Entropie) wieder abgestrahlt wird:

Wenn nun noch ein maßgeblicher Energieanteil, z.B. aus Kernfusion, in das System eingespeist wird, wird letztlich auch dieser zu Wärme und erwärmt damit das Gesamtsystem. Letztlich geht es darum, dass „auch hinsichtlich der Entropieproduktion eine obere Grenze besteht“ (Pelte 2012a). Und diesen Wert schöpfen wir nach Pelte bereits mit 13 % aus.

Der Begriff der (ökologischen) Nachhaltigkeit wird unter Berücksichtigung dieser Tatsache präzisier:

 „Menschliches Handeln ist umso nachhaltiger, je weniger die natürliche Entropieproduktion auf der Erde durch dieses Handeln beeinflusst wird.“ (Pelte 2012a)


Literatur

Blumenthal, Gert (2009): Kernfusionsenergie – eine untaugliche Alternative. LIFIS Online (Leibniz-Institut).

Karnauskas, Kristopher B.; Lundquist, Julie K.; Lei, Zhang (2018): Southward shift of the global wind energy resource under high carbon dioxide emissions. Nature Geoscience, Volume 11, Issue 1, p. 38-43.

Kleidon, Axel (2012): Was leistet die Erde? Thermodynamik des Erdsystems. In: Phys. Unserer Zeit, 3/2012 (43), S. 136-144.

Kleidon, Axel (2013): Kraftwerk Erde: Wie das Erdsystem erneuerbare Energien erzeugt und  Grenzen der Nutzung setzt. Jahrbuch 2012/2013 der Max-Planck-Gesellschaft.

Kleidon, Axel (2014): Wie viel Energie steckt im „Kraftwerk Erde“ wirklich?

Kleidon, Axel; Miller, Lee; Gans, Fabian (2016): Physical Limits of Solar Energy Conversion in the Earth System. Top Curr Chem (2016) 371, 1-22.

Li, Yan; Kalnay, Eugenia; Motesharrei, Safa; Rivas, Jorge; Kucharski, Fred; Kirk-Davidoff; Daniel; Bach, Eviatar, Zeng, Ning (2018): Climate Model shows large-scale wind and solar farms in the Sahara increase rain and vegetation. Science, Vol. 361, Issue 6406, pp. 1019-1022.

Lovelock, James (1982): Unsere Erde wird überleben. Gaia: eine optimistische Ökologie. München: Piper.

Miller, Lee; Gans, Fabian; Kleidon, Axel (2011): Estimating maximum global land surface wind power extractability and associated climatic consequences. Earth Syst Dyn 2: 1-12.

Pelte, Dietrich (2000): Energie und Wohlstand. Was bringt uns die Zukunft? Eine Analyse auf physikalisch-mathematischer Basis.

Pelte, Dietrich (2012a): Was bedeutet Nachhaltigkeit? In: Die Zukunft unseres Wohlstands. Über die Abhängigkeit des Wohlstands von der Energie.

Pelte, Dietrich (2012b): Entropie als  Währung.

Pelte, Dietrich (2013): Nachhaltigkeit und Entropie. In: Pelte, Dietrich (2012): Die Zukunft unseres Wohlstands. Über die Abhängigkeit des Wohlstands von der Energie.

Peters, Ian Marius; Liu, Haohui; Reindl, Thomas; Buonassisi, Tonio (2018): Global Prediction of Photovoltaic Field Performance Differences Using Open-Source Satellite Data. Joule, Volume 2, Issue 2, p. 307-322.