LUNATICS ARCHIV

Vier Fragen zur Technik:

1. Wie erzeugt ein Kernkraftwerk (AKW, SMR) elektrischen Strom?

A) Bei der Kernspaltung entsteht unmittelbar elektrische Energie.
B) Die Kernspaltung erzeugt Wärme. Damit wird Dampf erzeugt, der eine Turbine und schließlich einen Generator antreibt.
C) Die Kernspaltung erzeugt ein elektromagnetisches Feld, aus dem elektrische Energie gewonnen wird.

2. Warum benötigt eine LED für die gleiche Lichtmenge erheblich weniger elektrische Energie als eine Glühlampe?

A) Weil LEDs das Licht hauptsächlich stärker bündeln.
B) Weil bei einer LED Licht durch elektronische Vorgänge im Halbleiter entsteht, während bei der Glühlampe zunächst ein Draht auf hohe Temperatur gebracht wird.
C) Weil das menschliche Auge LED-Licht grundsätzlich heller wahrnimmt.

3. Eine Wärmepumpe nimmt 1 kWh elektrische Energie auf und gibt beispielsweise 4 kWh Wärme an ein Haus ab. Woher stammen die zusätzlichen etwa 3 kWh?

A) Sie entstehen durch den besonders hohen Wirkungsgrad des Elektromotors.
B) Sie stammen als Wärme aus der Umgebung, beispielsweise aus Außenluft, Erdreich oder Grundwasser.
C) Das ist physikalisch unmöglich. Nach dem Energieerhaltungssatz können aus 1 kWh Strom höchstens 1 kWh Wärme entstehen.

4. Angenommen, ein zukünftiges Deuterium-Tritium-Fusionskraftwerk erzeugt dauerhaft mehr Energie, als für seinen Betrieb benötigt wird. Wie würde daraus voraussichtlich elektrischer Strom gewonnen?

A) Die Fusion erzeugt unmittelbar elektrischen Strom.
B) Ein großer Teil der Fusionsenergie wird zunächst als Wärme nutzbar gemacht und anschließend über einen thermischen Kraftwerksprozess in elektrische Energie umgewandelt.
C) Die bei der Fusion entstehende Strahlung erzeugt unmittelbar eine Wechselspannung.

Die Antworten:

Kernkraftwerk: B.

Kernspaltung erzeugt Wärme. Mit dieser Wärme wird Dampf erzeugt. Der Dampf treibt eine Turbine an, die wiederum einen Generator antreibt.

LED: B.

Bei einer Glühlampe wird zunächst ein Draht auf mehrere tausend Grad erhitzt. Eine LED erzeugt Licht dagegen durch elektronische Vorgänge in einem Halbleiter. Der Umweg über einen glühenden Körper entfällt. Ein erheblich größerer Anteil der elektrischen Energie kann unmittelbar in sichtbares Licht umgewandelt werden, auch wenn weiterhin Verluste als Wärme entstehen.

Wärmepumpe: B.

Die zusätzlichen etwa 3 kWh stammen aus der Umgebung. Die Wärmepumpe erzeugt diese Energie nicht, sondern transportiert vorhandene Wärme aus Außenluft, Erdreich oder Grundwasser auf ein nutzbares Temperaturniveau.

Kernfusion: B.

Bei einem zukünftigen Deuterium-Tritium-Fusionskraftwerk würde ein großer Teil der frei werdenden Energie zunächst als Wärme nutzbar gemacht. Viele Kraftwerkskonzepte würden daraus wiederum über einen thermischen Prozess elektrische Energie erzeugen.

Keine der Antworten ist ein Argument für oder gegen Kernkraft, Elektroautos, Wärmepumpen oder irgendeine andere Technologie.

Interessanter ist eine andere Frage:

Warum erscheinen manche technischen Lösungen unmittelbar plausibel und andere nicht?

Kernphysik trifft Dampfmaschine

Der Begriff „Kernkraftwerk“ lässt eine ziemlich direkte Verbindung zwischen Kernenergie und elektrischem Strom vermuten. Tatsächlich sieht die grundlegende Umwandlungskette so aus:

Kernspaltung → Wärme → Dampf → Turbine → Generator → elektrische Energie

Bei einem Druckwasserreaktor wird es sogar noch etwas aufwendiger. Das Wasser im Primärkreislauf steht unter hohem Druck und wird trotz Temperaturen um 300 Grad Celsius nicht zu Dampf. Seine Wärme wird in einem Dampferzeuger an einen zweiten Wasserkreislauf übertragen. Erst dort entsteht der Dampf für die Turbine.

Am Anfang steht Kernphysik. Am Ende dreht sich ein Generator.

Das soll die technische Leistung eines Kernkraftwerks nicht lächerlich machen. Reaktorphysik, Werkstofftechnik, Regelung, Sicherheitstechnik und Turbinenbau gehören zu anspruchsvollen Ingenieurleistungen.

Interessant ist etwas anderes:

Die hochentwickelte Kerntechnik verändert vor allem die Quelle der Wärme.

Der anschließende Weg von Wärme zu elektrischer Energie ist erstaunlich konventionell.

Auch viele der derzeit diskutierten Small Modular Reactors (SMR) ändern daran grundsätzlich wenig. Sie sollen kleiner, modularer und möglicherweise einfacher zu bauen und flexibler einsetzbar werden.

Doch bei vielen Konzepten bleibt:

Kernspaltung → Wärme → Dampf → Turbine → Generator.

Kernfusion

Noch deutlicher wird diese bemerkenswerte Kontinuität bei der Kernfusion. Seit Jahrzehnten wird daran gearbeitet, einen Prozess technisch nutzbar zu machen, der Sterne mit Energie versorgt. Ein Plasma muss bei extremen Temperaturen kontrolliert werden. Materialien müssen enormen Belastungen standhalten. Bei der häufig betrachteten Deuterium-Tritium-Fusion kommen weitere Herausforderungen hinzu, etwa der Umgang mit Tritium und hochenergetischen Neutronen.

Sollte daraus eines Tages ein technisch und wirtschaftlich nutzbares Kraftwerk entstehen, hätte sich die Energiequelle gegenüber einem Kohlekraftwerk fundamental verändert.

Und was macht man anschließend mit der gewonnenen Energie?

Bei vielen Konzepten zunächst:

Wärme.

Bei der Deuterium-Tritium-Fusion wird ein großer Teil der frei werdenden Energie von schnellen Neutronen getragen. Neutronen besitzen keine elektrische Ladung und lassen sich deshalb nicht einfach mit elektrischen oder magnetischen Feldern abbremsen und direkt zur Stromerzeugung nutzen. Ihre Energie wird in einem umgebenden Material aufgenommen.

Das Ergebnis ist Wärme.

Damit ergibt sich über einen Zeitraum von weit mehr als hundert Jahren ein bemerkenswerter Bogen:

Kohle → Wärme → Dampf → Turbine → Generator

Kernspaltung → Wärme → Dampf → Turbine → Generator

Kernfusion → Wärme → thermischer Kreisprozess → Generator

Es gibt andere Fusionsreaktionen und Konzepte für eine direktere elektrische Energieumwandlung. Insbesondere bei geladenen Fusionsprodukten wäre das prinzipiell möglich. Aber ausgerechnet bei der derzeit naheliegenden Deuterium-Tritium-Fusion bleibt ein großer Teil der Energie zunächst thermisch nutzbar zu machen.

Die Physik der Energiequelle könnte sich also dramatisch verändern. Das Grundprinzip der anschließenden Stromerzeugung möglicherweise erstaunlich wenig.

Manchmal besteht die Zukunft offenbar darin, eine vollkommen neue Methode zu entwickeln, um Wasser heiß zu bekommen.

Es geht auch anders

Eine Glühlampe verfolgt ebenfalls einen Umweg. Elektrischer Strom fließt durch einen dünnen Draht. Sein elektrischer Widerstand erhitzt ihn auf mehrere tausend Grad. Der heiße Draht sendet elektromagnetische Strahlung aus. Nur ein Teil davon liegt im sichtbaren Bereich.

Der gewünschte Effekt lautet:

Licht.

Der technische Weg dorthin lautet vereinfacht:

Strom → Wärme → Strahlung → sichtbares Licht

Eine LED macht etwas grundlegend anderes. Elektronische Vorgänge in einem Halbleiter führen unmittelbar zur Aussendung von Photonen.

Vereinfacht:

Strom → Licht

Natürlich ist auch eine LED nicht verlustfrei. Aber ein wesentlicher Umweg verschwindet. Nichts muss mehr glühen, damit es hell wird.

Das Auto ohne Feuer

Beim Auto passiert etwas Ähnliches. Im Verbrennungsmotor beginnt die Wirkungskette mit chemisch gebundener Energie:

Kraftstoff → Verbrennung → Wärme und Gasdruck → Kolben → Kurbelwelle → Getriebe → Räder

Dabei entstehen zwangsläufig Verluste. Ein erheblicher Teil der Energie verlässt das Fahrzeug als Wärme.

Beim Elektromotor ist die Kette erheblich direkter:

elektrische Energie → elektromagnetische Kräfte → Rotation

Gewünscht wird Drehbewegung. Also erzeugt der Motor Drehbewegung.

Gleichzeitig verschwinden viele Dinge, die über mehr als ein Jahrhundert als Zeichen technischer Leistungsfähigkeit erlebt wurden:

Motorengeräusch, Vibrationen, Hitze, Drehzahl, Schaltvorgänge und Abgas.

Noch stärker widerspricht die Wärmepumpe einer vertrauten Vorstellung.

Eine elektrische Widerstandsheizung ist intuitiv:

1 kWh Strom → ungefähr 1 kWh Wärme

Eine Wärmepumpe kann dagegen aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie unter geeigneten Bedingungen mehrere Kilowattstunden Heizwärme bereitstellen.

Woher kommt die zusätzliche Energie?

Sie war bereits da.

Die Wärmepumpe soll den größten Teil der benötigten Wärme überhaupt nicht aus Strom erzeugen. Sie transportiert vorhandene Wärme aus Außenluft, Erdreich oder Grundwasser auf ein höheres Temperaturniveau.

Beispielsweise:

1 kWh Strom + 3 kWh Umweltwärme → 4 kWh Heizwärme

Das ist kein Wirkungsgrad von 400 Prozent und kein Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz. Die technische Leistung besteht gerade darin, nicht die gesamte benötigte Wärme erzeugen zu müssen.

Sensorische Präsenz und thermodynamische Realität

Vertraute Technik besitzt einen bemerkenswerten Vorteil:

Ihre Umwege fallen irgendwann nicht mehr auf.

Ein Motor verbrennt Kraftstoff, wird heiß, macht Geräusche und bewegt über zahlreiche mechanische Bauteile ein Fahrzeug.

Das erscheint normal.

Eine Heizung verbrennt einen Brennstoff, um Wärme zu erzeugen.

Das erscheint normal.

Ein Kraftwerk erzeugt Wärme, daraus Dampf, damit Rotation und daraus schließlich elektrischen Strom.

Auch das erscheint normal.

Diese Prozesse sind anschaulich.

Andere Technologien entfernen genau solche Zwischenschritte und damit entsteht ein merkwürdiges Paradox:

Eine technisch direktere Lösung kann weniger technisch erscheinen. Vielleicht lässt sich das als technische Anschauungsträgheit bezeichnen.

Eine vertraute technische Wirkungskette wird nicht nur verstanden. Sie wird irgendwann als selbstverständlich, notwendig oder sogar überlegen wahrgenommen.

Verschwindet ein vertrauter Zwischenschritt, entsteht dagegen Erklärungsbedarf.

Woher kommen bei der Wärmepumpe vier Kilowattstunden Wärme, wenn doch nur eine Kilowattstunde Strom hineingeht?

Wie kann ein Elektromotor ein schweres Auto bewegen, wenn dabei nichts explodiert?

Warum braucht eine LED so wenig Strom, wenn eine alte 100-Watt-Glühlampe doch ebenfalls einfach nur Licht gemacht hat?

Die Antwort lautet nicht:

Weniger Umwandlungsschritte sind automatisch bessere Technik. Auch direkte Prozesse haben Verluste. Eine längere Wirkungskette kann technisch sinnvoll oder notwendig sein. Effizienz ist außerdem nur eines von mehreren Kriterien, nach denen Technik beurteilt werden kann.

Technischer Aufwand und technischer Nutzen sind nicht dasselbe. Manchmal ist gerade das, was fehlt, der Fortschritt.

Wärme muss auch wieder weg

Bei thermischen Kraftwerken kommt noch etwas hinzu.

Nicht die gesamte erzeugte Wärme kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Das ist kein bloßer Konstruktionsfehler, sondern eine grundlegende Eigenschaft von Wärmekraftmaschinen. Der nicht in elektrische Energie umgewandelte Anteil muss als Abwärme an die Umgebung abgegeben werden. Dabei spielt häufig wiederum Wasser eine wichtige Rolle.

Es dient als Arbeitsmedium und, je nach Kraftwerk und Kühlsystem, auch bei der Kühlung. Wasserentnahme und tatsächlicher Wasserverbrauch sind dabei nicht dasselbe und unterscheiden sich erheblich zwischen verschiedenen Kühlsystemen.

In Regionen und Zeiten, in denen Wasser knapp wird, bekommt auch dieser Teil der Wirkungskette zunehmende Bedeutung.

Wie nahe kommt moderne Technik an die Direktheit?

Bei der Photovoltaik ist eine solche technische Direktheit bereits erstaunlich weit erreicht. Licht trifft auf einen Halbleiter, Ladungsträger werden angeregt und elektrische Energie wird nutzbar.

Vereinfacht: Sonnenlicht → elektrische Energie

Keine Verbrennung. Kein Dampf. Keine Turbine. Kein Generator. Im eigentlichen Energiewandler gibt es nicht einmal bewegliche Teile.

Windenergie ist ebenfalls vergleichsweise direkt, benötigt aber noch einen mechanischen Zwischenschritt:

Wind → Rotation → Generator → elektrische Energie

Auch hier muss nichts verbrannt und kein thermischer Kreisprozess durchlaufen werden. Die Bewegungsenergie der Luft ist bereits mechanische Energie und wird über die Rotation des Rotors für einen Generator nutzbar gemacht.

Photovoltaik kommt einer direkten Umwandlung damit bemerkenswert nahe. Windenergie ebenfalls, wenn auch über den mechanischen Zwischenschritt.

Und dann kommt die nächste interessante Frage:

Was geschieht mit Energie, wenn sie nicht genau in dem Moment benötigt wird, in dem sie zur Verfügung steht?

Auch Speichertechnologien lassen sich unter demselben Gesichtspunkt betrachten. Welche Energieform geht hinein? In welche Energieform wird sie zur Speicherung umgewandelt? Und wie viele Umwandlungen sind notwendig, bis daraus wieder nutzbarer elektrischer Strom wird?

Batterie, Pumpspeicher, Wasserstoff oder andere Speichertechnologien beantworten diese Frage auf sehr unterschiedliche Weise.

Technische Direktheit ist dabei nicht automatisch gleichbedeutend mit der besten Lösung. Speicherdauer, Energiedichte, Leistung, Rohstoffe, Kosten, Verluste und Größenordnung spielen ebenfalls eine Rolle.

Aber die Frage bleibt interessant:

Wie viel Umweg braucht eine technische Lösung eigentlich für das, was sie am Ende leisten soll?

Produktionskomplexität

Technische Direktheit bedeutet nicht technische Einfachheit.

Kernkraft

Auch vor dem Reaktor liegt ein Weg, der im späteren Kraftwerksbetrieb kaum noch sichtbar ist.

Zunächst muss Uran aus Erz gewonnen und chemisch aufbereitet werden. Natürliches Uran enthält nur etwa 0,7 Prozent des für die meisten heutigen Leistungsreaktoren besonders wichtigen spaltbaren Isotops Uran-235. Für Leichtwasserreaktoren wird dieser Anteil deshalb typischerweise auf mehrere Prozent erhöht.

Dazu wird Uran chemisch in eine für die Anreicherung geeignete Form überführt und anschließend beispielsweise in Gaszentrifugen isotopisch getrennt. Aus dem angereicherten Uran entstehen schließlich Brennstofftabletten, die in Brennstäben zusammengefasst werden.

Auch die Materialien dieser Brennelemente sind hochentwickelte technische Produkte. Die Hüllrohre müssen unter Strahlung, hohen Temperaturen und in einem chemisch anspruchsvollen Umfeld zuverlässig funktionieren.

Anders als bei einem Solarmodul endet ein großer Teil der technischen Komplexität nicht mit der Fertigung. Während des Betriebs laufen Reaktorregelung, Kühlung, Überwachung und zahlreiche Sicherheitssysteme kontinuierlich weiter.

Von außen ist davon wenig zu sehen.

Windenergie

Auch ein Rotorblatt einer modernen Windkraftanlage wirkt aus der Entfernung zunächst wie ein vergleichsweise einfaches Bauteil.

Tatsächlich handelt es sich um eine hochentwickelte Leichtbaustruktur aus Faserverbundwerkstoffen. Große Rotorblätter können viele Tonnen wiegen und müssen gleichzeitig leicht, steif und elastisch genug sein, um über Jahre wechselnde Windlasten auszuhalten.

Im Maschinenhaus setzt sich die technische Komplexität fort.

Bei vielen Anlagen übertragen Getriebe die langsame Rotorbewegung auf höhere Generatordrehzahlen. Andere Anlagen verzichten gerade auf diesen Zwischenschritt und verwenden einen direkt angetriebenen Generator.

Ausgerechnet hier taucht der Gedanke der technischen Direktheit also noch einmal innerhalb derselben Technologie auf.

Von unten sieht man davon wenig.

Die Flügel drehen sich.

Photovoltaik

Auch ein Solarmodul beginnt nicht als Solarmodul.

Aus siliziumhaltigen Rohstoffen muss zunächst hochreines Silizium hergestellt werden. Daraus entstehen Kristalle beziehungsweise Wafer, deren elektrische Eigenschaften durch gezielte Dotierung verändert werden. Es folgen weitere Prozessschritte, Beschichtungen, elektrische Kontakte, Verschaltung, Verkapselung und schließlich das fertige Modul.

Dafür sind hochentwickelte chemische, thermische und industrielle Fertigungsverfahren notwendig.

Von dieser Produktionskette ist im fertigen Modul nichts mehr zu erkennen.

Wenn Sonnenlicht darauf fällt, gibt es keine Turbine, keinen Kolben und keinen Generator.

Der Energiewandler selbst besitzt keine beweglichen Teile.

Drei verschiedene Arten von Komplexität

Kernkraft, Windkraft und Photovoltaik beruhen auf vollkommen unterschiedlichen industriellen Prozessen.

Gemeinsam ist ihnen jedoch etwas:

Der technische Aufwand liegt nicht unbedingt dort, wo die Energieumwandlung später sichtbar stattfindet.

Bei Photovoltaik steckt ein großer Teil der Komplexität in Materialherstellung und Fertigung.

Bei Windenergie steckt sie unter anderem in Werkstoffen, Aerodynamik, Konstruktion, Leistungselektronik und Maschinenbau.

Bei Kernkraft erstreckt sie sich von Brennstoffherstellung und Reaktortechnik bis weit in den laufenden Betrieb und darüber hinaus.

Technische Anschauungsträgheit betrifft deshalb nicht nur die Zahl der Umwandlungsschritte.

Sie betrifft auch die Frage, wo technische Komplexität stattfindet.

Eine Technologie kann im Betrieb erstaunlich unspektakulär aussehen, weil der enorme technische Aufwand bereits vorher geleistet wurde oder an einem Ort stattfindet, den der Betrachter niemals sieht.

Die sichtbare Komplexität einer Maschine sagt deshalb erstaunlich wenig darüber aus, wie komplex das technische System tatsächlich ist.

Die Entsorgung als Teil der Wirkungskette

Auch bei der Frage nach Umweltbelastung und Nachhaltigkeit greift oft eine verengte Perspektive. Der ökologische Rucksack einer Technologie wird häufig nur dort vermutet, wo die Maschine arbeitet oder Lärm macht.

Die physikalische und chemische Realität erstreckt sich jedoch über den gesamten Lebenszyklus – von der Rohstoffgewinnung bis zum Ende der Nutzung.

Der unsichtbare Abfall

Ein Kohlekraftwerk zeigt seine Umweltbelastung recht direkt: Rauchgas, CO2-Ausstoß und sichtbare Wolken aus Kühltürmen.

Bei der Stromerzeugung in einem Kernkraftwerk entstehen im laufenden Betrieb kaum direkte CO₂-Emissionen. Doch die Wirkungskette endet nicht mit dem abgeschalteten Generator. Radioaktive Abfälle, insbesondere hochradioaktive Materialien, erfordern eine sichere Isolation über sehr lange Zeiträume.

Bei erneuerbaren Energien stellt sich die Frage nach der Entsorgung und dem Recycling ebenfalls, verlagert sich aber auf andere Stoffströme:
Was geschieht mit Glas, Aluminium, Silizium, Kunststoffen, Metallen und anderen Bestandteilen ausgedienter Solarmodule, und wie weit lassen sie sich tatsächlich in Stoffkreisläufe zurückführen?

Wie werden gigantische Rotorblätter aus Faserverbundstoffen am Ende ihrer Lebensdauer recycelt?

Die Art und vor allem die zeitliche Dimension der Hinterlassenschaften unterscheiden sich erheblich. Bei Windkraft und Photovoltaik stehen vor allem große Materialströme, Recyclingfähigkeit und Rohstoffkreisläufe im Vordergrund. Beim nuklearen Brennstoffkreislauf kommt mit hochradioaktivem Abfall eine andere Dimension hinzu: die sichere Isolation über extrem lange Zeiträume.

Sichtbarkeit ist keine Bilanz

Technologische Nachhaltigkeit lässt sich nicht allein daran messen, ob im laufenden Betrieb Rauch oder Lärm entsteht.

Eine Technologie, die im Betrieb vollkommen leise und sauber wirkt, kann in ihrer Herstellung oder in ihrer Entsorgung erhebliche ökologische Kosten verursachen. Umgekehrt kann ein lauter, mechanischer Prozess zwar hocheffizient sein, aber Ressourcen verbrauchen oder Abfälle hinterlassen, die ganz andere Kettenreaktionen in Gang setzen.

Auch hier gilt: Wer nur auf den sichtbaren oder hörbaren Moment schaut, verwechselt die Inszenierung mit der Bilanz.

Schlussaufgabe

Gesucht wird eine Maschine mit folgenden Eigenschaften:

Sie nutzt Sonnenlicht als Energiequelle.

Sie entnimmt der Atmosphäre einen wesentlichen Rohstoff (CO2) für ihren eigenen Aufbau.

Sie stellt daraus selbstständig komplexe chemische Verbindungen her und speichert dabei Energie.

Sie baut ihre tragende Konstruktion selbst.

Sie erweitert ihre aktive Oberfläche selbstständig.

Sie transportiert Wasser ohne elektrische Pumpen über viele Meter Höhe.

Sie reguliert ihren Wasser- und Gasaustausch abhängig von den Umweltbedingungen.

Sie kann kleinere Schäden teilweise selbst reparieren.

Sie benötigt weder Brennstofflieferungen noch Ersatzteilservice.

Sie produziert aus einfachen Ausgangsstoffen Material, das wiederum als Rohstoff und Energieträger verwendet werden kann.

Sie erzeugt während ihres Wachstums Kopien ihrer eigenen Bauanleitung, aus denen unter geeigneten Bedingungen weitere solche Maschinen entstehen können.

Am Ende ihrer Lebensdauer ist ein großer Teil ihrer Konstruktion biologisch verwertbar.

Welche Hochtechnologie erfüllt diese Anforderungen bereits heute?

Lösung:

Ein Baum …