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Was leistet die Erde?

Die Erde als thermodynamisches System betrachtet arbeitet als planetare Wärmekraftmaschine. Sie erzeugt Leistung, verrichtet Arbeit und erhält damit die Dynamik. Die Grenzen beschreibt die Thermodynamik, insbesondere der zweite Hauptsatz, der die Umsetzung von Wärme zu Leistung limitiert. Diese Betrachtungsweise erschließt eine grundsätzliche Perspektive über die Zusammenhänge und Wechselwirkungen von planetaren Antrieben und Erdsystemprozessen. Sie macht deutlich, wie die physikalische Leistung im Erdsystem limitiert ist. Zudem zeigt sie, welche zentrale Bedeutung das Leben auf der Erde für die Erzeugung von chemischer freier Energie hat. Allerdings verbraucht die menschliche Aktivität bereits auf planetarer Skala erheblich an freier Energie. Eine nachhaltige Planung der Zukunft sollte darauf zielen, durch effizientere Nutzung der Solarstrahlung die Gesamtleistung des Erdsystems zu erhöhen.

Was begrenzt das Leben?

Seit langer Zeit ist gut dokumentiert, dass die Photosynthese mit einem sehr geringen Wirkungsgrad von weniger als 3 % aus Sonnenlicht chemische Energie gewinnt. Aber warum ist der Prozess so ineffizient? Schließlich hatte die Photosynthese mehr als drei Milliarden Jahre in der Erdgeschichte Zeit, sich zu optimieren. Diese Frage wird hier mit dem geringen, aber thermodynamisch limitierten Gasaustausch zwischen Pflanzen und Atmosphäre erklärt. Während des Tages müssen Pflanzen der Atmosphäre Kohlendioxid entziehen, den Rohstoff für die Photosynthese. Dabei verlieren sie unvermeidbar große Mengen an Wasserdampf, verbunden mit ihrer Transpiration. Folglich sind Kohlendioxidaufnahme und Wasserdampfabgabe eng miteinander verbunden. Eine einfache Abschätzung zeigt, dass dieser Massenaustausch zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre thermodynamisch limitiert ist. Sie kann die geringe Effizienz der Photosynthese schlüssig erklären.

Was leistet die Erde und was trägt die Menschheit dazu bei?

Die Gegenwart wird durch vielfältige Herausforderungen geprägt, verursacht vom Menschen und mit Konsequenzen, die sich bis auf die planetare Skala des Erdsystems auswirken. Der globale Klimawandel, Wasserknappheit in vielen Gebieten der Erde, der Verlust von Artenvielfalt, und die zukünftige Energieversorgung und Ernährung seien hier exemplarisch genannt. Die Vielzahl der Herausforderungen ist geradezu erdrückend und scheint es unmöglich zu machen, sich eine nachhaltige Zukunft für die Menschheit vorzustellen.

Was ich hier darlegen möchte ist, dass das zugrundeliegende Kernproblem ist, dass die Menschheit gewaltige Mengen an Energie verbraucht, die sie dem Erdsystem entnimmt, aber nicht dazu beiträgt, diese Energie zu erzeugen und nicht darauf achtet, schädliche Konsequenzen zu vermeiden. Was ich hier mit “schädlichen Konsequenzen” bezeichne bezieht sich insbesondere auf die Fähigkeit des Systems Erde, Energie zu erzeugen. Ein weiteres Problem ist, dass der wesentliche Teil des menschlichen Energieverbrauchs gegenwärtig durch fossile Energieträger bestritten wird, Ressourcen, die durch die Biosphäre über Jahrmillionen aufgebaut wurden. Deren Nutzung ist wegen der endlichen Größe zwangsläufig nicht nachhaltig, und die damit verbundene Freisetzung von Treibhausgasen verursacht den globalen Klimawandel als schädliche Nebenwirkung. …

Sonne oder Treibhaus?

Die Verbrennung von fossilen Energieträgern hat den atmosphärischen Treibhauseffekt verstärkt, was zur Erderwärmung führt. Doch woher wissen wir, dass der Treibhauseffekt einen so entscheidenden Einfluss auf das Klima hat? Alternativ könnte auch eine ansteigende Sonnenaktivität hinter der Erwärmung stecken. Doch ein erhöhter Treibhauseffekt wirkt sich anders auf das Erdklima aus als eine verstärkte Sonneneinstrahlung. Charakteristisch für den Treibhauseffekt ist zum Beispiel, dass sich die kälteren Regionen in Richtung der Pole stärker erwärmen, obwohl sie geringerer Solarstrahlung ausgesetzt sind. Warum das so ist, lässt sich mit einer relativ einfachen Energiebilanz zeigen, die wesentlichen Terme der Erwärmung und Kühlung berücksichtigt. Dieser Artikel stellt diesen Ansatz vor und demonstriert damit, dass die Oberflächentemperatur wesentlich vom Treibhauseffekt bestimmt wird.

Geoengineering ist keine Lösung

Der globale Wasserkreislauf transportiert gewaltige Mengen an Energie durch Verdunstung und anschließende Kondensation von der Erdoberfläche in die Atmosphäre. Er baut mit diesem latenten Energiefluss den planetaren Antrieb ab, in dem Sonnenlicht die Erdoberfläche erwärmt und Abstrahlung ins Weltall die Atmosphäre kühlt. Eine Betrachtung der globalen Energiebilanz zusammen mit der thermodynamischen Grenze von Luftbewegung als Wärmekraftmaschine liefert eine einfache Abschätzung, die das Verhalten von weitaus komplexeren Klimamodellen erstaunlich gut wiedergibt. Dabei zeigt sich, dass der Wasserkreislauf stärker auf eine Erwärmung durch Solarstrahlung reagiert als auf Änderungen des Treibhauseffekts. Die Konsequenz: Geoengineering kann eine globale Klimaerwärmung mitsamt ihren Folgen für den Wasserkreislauf nicht einfach rückgängig machen, indem es die Solarstrahlung verringert.

Dürren in Deutschland (im Druck)

(Erscheint in Kürze)

Sonne statt Flaute

Die Energiewende hat zum Ziel, den Energiebedarf Deutschlands komplett aus erneuerbaren Energiequellen zu decken. Ist das innerhalb des Landes möglich? Im Prinzip ja, zeigen Abschätzungen. Der Schlüssel ist die direkte Nutzung der Solarenergie, denn sie liefert mehr als genug erneuerbare Energie. Erneuerbare Energiequellen wie Wind, Wasserkraft oder Biomasse entstehen aus der Solarstrahlung über Umwandlungsketten mit oft geringen Wirkungsgraden. Ihre Potenziale sind entsprechend niedriger, besonders ineffizient ist die Biomasse. Auch der große Beitrag des Winds in derzeitigen Zukunftsszenarien der Energiewende ist kritisch zu bewerten. Die Nutzungsgrenzen der Windenergie werden wahrscheinlich bereits innerhalb dieser Szenarien überschritten. Da Solarenergie aber jahreszeitlich stark schwankt, sind effiziente Energiespeicher oder der Schritt über die Grenzen Deutschlands hinaus notwendig. Dann gelingt die Wende zu 100% erneuerbarer Energie.

Windenergie in der Deutschen Bucht

Ein wesentlicher Beitrag zur Energiewende wird von Offshore-Windenergie in der deutschen Bucht erwartet. Wegen der starken und steten Winde erscheint die Offshore-Stromerzeugung als sehr effizient. Für 2050 geht die Bundesregierung von einer installierten Leistung von 70 GW aus, also einer Verzehnfachung im Vergleich zu heute. Was passiert aber, wenn so viele Windturbinen dem Wind ihre Energie entziehen? Das lässt sich mithilfe der kinetischen Energiebilanz der Atmosphäre über den Windparks leicht ermitteln. Da der Eintrag von Bewegungsenergie begrenzt ist, müssen mit zunehmender Nutzung der Windenergie die Windgeschwindigkeiten in der Region sinken – und damit die Effizienz der Turbinen. Es wird also weniger Strom erzeugt, als man ohne diesen Effekt erwarten würde. Bei 70 GW würde das die Stromerzeugung um bis zu 40% reduzieren. Trotzdem könnte sie einen großen Teil des gegenwärtigen Strombedarfs abdecken. Für die effiziente Windenergienutzung auf dem Meer empfiehlt es sich daher, Windparks möglichst weit verstreut zu planen, damit man ihren Einfluss auf die Windfelder verringert.

Windenergiepotenzial von Deutschland

Die Windenergienutzung in Deutschland soll bis 2050 mit bis zu 200 Gigawatt ausgebaut werden, was in etwa einer Vervierfachung im Vergleich zu heute entspricht. Diese Windturbinen werden der Atmosphäre dabei Windenergie entziehen und damit die Atmosphäre beeinflussen. Dies wirkt sich auf die Effizienz der Windenergienutzung aus, weil die Windgeschwindigkeiten in den betroffenen Regionen sinken müssen. Mithilfe der Impulsbilanz und den damit verbundenen kinetischen Energieflüssen lässt sich abschätzen, dass deshalb der Stromertrag um etwa 10 bis 15 % sinkt. Der Effekt ist geringer, wenn die Windturbinen gleichmäßiger über mehr Fläche verteilt sind. Trotz dieser Effekte lässt sich mit der Windenergie sehr viel Strom erzeugen, die betrachteten Szenarien würden mehr als die Hälfte des gegenwärtigen Strombedarfs damit decken. Die Auswirkungen auf die Atmosphäre sind dabei sehr gering. Die umgesetzte Windenergie beträgt lediglich 2,4 % des Verlusts an kinetischer Energie, die ohnehin auf natürliche Weise durch Reibung in der unteren Atmosphäre verloren geht.