Verbesserte Möglichkeiten in der konstruktiven Auslegung von Bauteilen und Strukturen durch die Berücksichtigung des nicht-linearen Verhaltens (Schraubenverbindungen, Restfestigkeit und Bruch-Mechanik, Kriechermüdungslebensdauer) ermöglichen auch die Fortschritte bei der sinnvollen Nutzung und Expansion im Energie Sektor und mit erneuerbaren Quellen.

Energie und unsere Existenz

Im Laufe nur ca. 200 Jahren ist unsere westliche Welt von vorwiegend Agrargesellschaften, die durch Holz und Pferdestärke versorgt wurden in die moderne Industrie Staaten, die von Tausenden Stromproduktionsstätten angetrieben werden, gewandelt. Diese Wirtschaftswandel stand im Zeichen des technischen Fortschritts. Die industrielle Revolution, die Welt verwandelte, wurde nicht von Wirtschaftlern sondern von Ingenieuren hingeführt, wie James Watt, Werner Von Siemens, Edison, Tesla und Bill Gates die bahnbrechende Entdeckungen gemacht und damit die sog. Industrielle revolution angezettelt haben. Dabei waren sie selbst ihre Unternehmer, Entwickler, Finanziers, Hersteller und Projektmanager.

Die bestimmende Thema unserer Zeit – die Klimawandel – ist eine enorme technische Herausforderung. Diese wird von vielen diskutiert, von den Politikern, den Wirtschaftlern, aber am wenigsten von den Ingenieuren obwohl sie die Hintergrunde am besten nachvollziehen könnten. Es ist deshalb nicht überraschend das am Ende all dieser Diskussion über die notwendige Maßnahme als wesentliche Ergebnis die Frage steht: Wie viel das alles kosten soll? Hätten die oben genannten Herren diese Frage im Vordergrund gestellt, wäre unsere Entwicklung im Sand verlaufen.

Sie wird auch jetzt schwerfälliger, weil wir zögern und allen diesen Herausforderung nicht ganz bewusst und gewachsen sind. Die Natur, die Umgebung in den wir leben war bisher gnädig zu uns. Sie hat uns alles was wir brauchen immer wieder gegeben und jetzt fordert sie etwas von uns. Weil die Ressourcen die wir nutzen zu Ende gehen, den Abfallreste dass wir in Luft pusten, in Meere abwerfen die Natur nicht mehr bewältigen kann, weil wir ihr Potenzial dazu systematisch abschwächen. Noch während der Zeit der bisherigen Entwicklung waren wir kaum bewusst der Bedeutung der Energie für unsere Wohlergehen, Aufschwung und Nachhaltigkeit. Die Energie bewirkt vieles in unserem Leben, angefangen von allgemeinen Begriffen, wie Licht, Elektrizität, Wärme und kinetische Energie über ihre Quellen, wie Sonne, Öl, Gas, Kohle, Benzine, Wind, Hydro-, Holz und Ernährung bis zu den physikalischen Begriffen, wie Gravitation, Chemische, Nukleare usw. Energien. Mit dem Wort Energie beschreiben wir sogar das was wir heute essen (energy foods oder drinks) oder wie wir uns fühlen (Energie haben oder sich verbraucht fühlen).

Auf der wirtschaftlichen Seite ist die Energie die größte Industrie auf dem Planet mit dem Umsatz von drei Trillionen Euro, was fast doppelt so viel ist wie der Umsatz der Ernährungsindustrie.

Aber die Energie ist auch unsere große Sorge geworden. OPEC-Embargo 1970 verursachte eine ernsthafte Rezession der Weltwirtschaft und die Unfälle, wie Three Mile Island und Chernobyl, haben die großen Risiken des menschlichen Versagens bei der Leitung so komplexen Einrichtungen gezeigt. Die Stromausfälle in Europe und Amerika haben demonstriert, wie empfindlich sind unsere Versorgungsnetze und wie das ganze unsere Existenz durch die Ausfälle in der Versorgung lammgelegt werden kann. Dauernd steigende Preise in der Versorgung durch Strom, Gas, Kraftstoffe und die wachsende Sicherheit bezüglich der, durch gerade der bisherigen Art und der Quellen der Nutzung von Energie unausweichliche Klimaveränderungen, haben die Fragen hervorgerufen ob wir doch das alles nicht sehr teuer bezahlen müssen.

Zukunft der Energieversorgung

Da die Nachfrage nach fossilen Brennstoffen in unserer immer industrialisierenden Welt weiter steigt, werden diese nicht erneuerbaren (das heißt auch nicht unbegrenzten) Ressourcen zu erschöpfen beginnen und die Preise immer weiter steigen. Unseren jetzigen Energiequellen sind aber nicht nur begrenzt, sondern auch in ihren Anwendung sehr schmutzig. Auch die heutigen nuklearen Anlagen, die an der Kernspaltung basieren, sind große naturverschmutzter, wenn man berücksichtig, dass sie nur 0.7 % des aus der Minne ausgesonderten Urans zur Stromproduktion verwenden und den Rest meist als hoch radioaktiver Abfälle (vielfach aktiver als das ursprüngliche Material) abwerfen. Während die „unverbrannten“ Brennstäbe aus dem Spaltungsmaterial nur schwach radioaktiv sind und ohne Spezialschilds manipuliert werden können, sind die „verbrannten“ Stäbe in einem mehr aktiven Zustand versetzt, sodass sie nur ferngesteuert und hinter Schutzschilden behandelt werden können. Diese, irreführend bezeichneten „Abfälle“ können dauerhaft in einem unterirdischen Endlager erst nach einer Abklingzeit von etwa 45 Jahren, als die Wärmeleistung so weit nachgelassen ist, untergebracht werden. Dort müssen sie dann für tausende von Jahren von der Umwelt isoliert werden. Es klingt auch nicht freundlicher, wenn diese „Abfälle“ anstatt endgelagert zur Produktion von Atombomben verwendet werden.

Dekarbonisierung von Energie - was ist das?

Etwas wirklich Neues? Ganz und gar nicht, eigentlich.

Die Dekarbonisierung von Energie und die Verringerung der Energieintensität der Wirtschaftstätigkeiten sind allgegenwärtig und nahezu eine universelle Entwicklung. Der historische Übergang von Holz auf Kohle und dann auf Öl und Gas führte zu der schrittweisen Dekarbonisierung der Energie oder dem zunehmenden Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des weltweiten Energieverbrauchs. Dadurch auch verringert sich das Verhältnis der durchschnittlichen CO2-Emissionen pro Einheit der verbrauchten Energie seit 1860 weltweit kontinuierlich. Und am Ende dieser strecke winkt uns nicht anders als reine Wasserstoff. Basiert auch nicht die Energie der Sonne zusammen mit ihren direkten und indirekten Überlieferungen auf der Erde (Wind, Hydro…, nicht zuletzt Fossilbrennstoffe) auf dem Wasserstoff? Aber darüber mehr später.

Jedoch war dieser Haupttrend die ganze Zeit nicht ohne jeden Widerstand. Während die aktuelle Abhängigkeit von Kohle in vielen Entwicklungsländern ein Ausdruck der Lücke zwischen der Struktur der Primärenergieerzeugung und des tatsächlichen Endenergiebedarfs ist, behindert in einigen der großen Industrieländer das vorherrschende Interesse auf dem erweiterten Gewinn das konkreten Engagement in dieser Hinsicht.

Die Aufstellung von weniger kohlenstoffintensiver und sogar kohlenstofffreier Energie als Hauptenergieträger ist das Hauptforderung des Strukturwandels des Energiesystems. Die größte Einzelquelle der energiebedingten Kohlendioxidemissionen heute im Einsatz ist Kohle, dicht gefolgt von Öl und mit längerem Abstand von Gas, bestehend hauptsächlich aus Methan, das höchste Wasserstoff-Kohlenstoff-Atomverhältnis und die niedrigsten CO2-Emissionen aller fossilen Energieträger, und emittiert etwa halb so viel CO2 wie Kohle für die gleiche Menge an Energie. Erdgas ist auch regional wegen seiner minimalen Emissionen anderer Luftschadstoffe wünschenswert. Regionale Einschätzungen zeigen, dass Gasressourcen häufiger werden sollen als noch vor einem Jahrzehnt angenommen wurde.

Erdgas ist somit die Brücke zur kohlenstofffreien brennbaren Energiequelle dem Wasserstoff, die am Ende der Strecke der Dekarbonisierung stehen sollte. Eine Hürde im Bezug auf die Bestimmung des Wasserstoffes als Energieüberbringer macht allerdings die Art seiner Gewinnung, die auch Kohlenstofffrei sein muss („grüner“ Wasserstoff).

Die Bedeutung des Wasserstoffes für die unseren Dasein ist allerdings noch viel, viel vielseitiger.

Widereinstig in die nuklearen Energie ?

Ja, aber durch fusion. Die Tatsache, dass unsere Zukunft ausschließlich von den erneuerbaren Energien abhängt, wird dadurch nicht infrage gestellt. Im Gegenteile, Herkunft dieser neuen Energien ist die Kernfusion, die sich in der Sonne abspielt, wodurch übrigens alle anderen regenerativen Energien, wie Wind, Fotovoltaik usw. erzeugt und angetrieben werden. Die bisherige äußerst primitive Art der Nutzung der nuklearen Energie hat damit überhaupt nicht zu tun. Die Natur (Beispiel Sonne) macht es auf andere Weise !

Die Sonne ist ein riesiger Fusionsreaktor, der kontinuierlich energiereiche Strahlung liefert. Energie entstanden durch Fusion treibt die Sonne, wie es auch ist bei allen Sternen im Universum. Diese Energiequelle ist aktiv, wenn das leichteste Wasserstoffatom in einem sehr heißen (100 Millionen Grad) ionisiertes Gas oder Plasma fusioniert um Helium zu produzieren wobei sich auch die überschüssige Energie freistellt. Großen Gravitationsdruck in der Innere von Sternen ermöglicht, die Materie in der Form des Plasmas zu halten und die notwendigen Temperaturen zu erzeugen. Gas-Ionen überwinden bei dieser hohen Temperatur bei der Kollision die Abstoßungskräfte der positiven Ladung, sodaß die Verschmelzung und die Erzeugung der notwendigen Temperaturen stattfindet. Eine Reihe von Reaktionen , die wirken beginnt von einem Proton oder dem Kern des einfachsten Wasserstoffatoms und endend mit α-Partikeln, die Heliumatomkerne sind. Eine kleine Menge der Materie, die an der Reaktion (m) teilnimmt, löst nach Einstein‘sche Gleichung eine enorme Menge an Energie:

Diese Gleichung zeigt, dass die Differenz zwischen der ursprünglichen Masse (m _i) und der Massen des Endproduktes (m _f) definiert die Menge an Energie ΔE, die bei der Reaktion freigesetzt wird.

Da die Bindungsenergiekurve auf der Seite des Fusions wesentlich steiler als auf der Seite von Spaltung ist, wird im Falle der Fusion eine erheblich größere Energiemenge freigesetzt als im Falle der aktuellen nuklearen Stromquelle an der Basis von Uran und sog. Kernspaltung seiner Atome.

Fast alle erneuerbaren Energiequellen, und sogar auch die Energie von fossilen Brennstoffen stammen direkt oder indirekt von der Sonne. Sonnenstrahlung ist von entscheidender Bedeutung für das Leben auf der Erde, für das Wachstum von Pflanzen und Bäumen. Unter seinem Einfluss bildet sich Biomasse, die sich im Laufe von Millionen von Jahren in ein fossiler brennbaren Stoff verwandelt. Erkenntnis, dass es direkt angewendet werden kann, um Energie, Kraftstoff (Biodiesel), sogar sehr nützlichen Chemikalien zu erzeugen, hat zu der industriellen Revolution, die das Leben der Menschen auf dem Planet verwandelte, geführt. Doch, der bisherige Art der Energieerzeugung wegen der enormen Steigerung des Bedarfes infolge der schädlichen Nebenwirkungen (heute wird man vielleicht „kollateralen Schaden“ sagen) führt in die Sackgasse.

Wärme von der Sonne bewirkt auch die Unterschiede in der Erwärmung der Luft, was in Kombination mit Erdumdrehung Winde erzeugen. Die nutzung dieser Energie erzeugt keine toxischen Abfälle, keine Strahlung, kein saurer Regen, keine Treibhausgase, keine thermische Entladungen und keine irreversiblen Landschaftsveränderungen.

Der Hydrologiekreislauf, in dem Wasser in die Atmosphäre verdampft und dann in Form von Regen oder Schnee wieder auf den Boden fällt, wo sie in flüssiges Wasser umgewandelt, ist auch von der Sonne angetrieben. Wasserkraftwerke nutzen die Kraft des fließenden Wassers um der Elektrostrom zu produziert.

Ursprünglich gab es in dieser Hinsicht ein natürliches Gleichgewicht der von Menschen und der enormen Steigerung des Energiebedarfes zerstört wurde. Die Kohle, die sich unter der Erdoberfläche, wo sie keinem schaden könnte, in Millionen von Jahren geformt hat, wird ausgegraben und in der kürzesten Zeit verbrennt. Das Produkt dieser Verbrennung, statt in der Erde zu lasen wird in der Luft, den wir zum Leben einatmen geblassen. Der so belasteten Luft lässt auch spuren auf die Wasser, die sich in der Atmosphäre zum Regen bildet. Als Folge der Verbrennung werden Gasen produziert, insbesondere Schwefeldioxid und Stickoxiden, die sich mit Wasser in der Atmosphäre zu Schwefelsäure bzw. Salpetersäure verbinden. Das Ergebnis ist, dass jeder nachfolgender Regen etwas sauer ist. Es entsteht kein sauberes Regenwasser, sondern das „sauere“ Regen, das für Lebewesen schädlich ist.

Saurer Regen kann Schäden an Pflanzen verursachen, in einigen Fällen ernsthaft das Wachstum der Wälder beeinträchtigen und can die Gebäude erodieren und Metallgegenstände korrodieren. Vielleicht ist der wichtigste Effekt der anthropogenen (von menschen) verursachten Luftverschmutzung die Erzeugung und Anhäufung des hochgiftigen Ozons in Bodenhöhe, insbesondere in den städtischen Gebieten. Das Effekt zeigt eine saisonale Variation, die sich im Frühjahr verstärkt und eine Vielzahl von Quellen hat. Die wichtigsten sind Emissionen von NO2 (Stickstoffdioxid) und NO (Stickstoffmonoxid). Photolyse von Stickstoffdioxid durch Absorption von durch Sonnenstrahlung erzeugten Ultraviolett-Photonen führt zur Herstellung von Ozon und noch mehr Stickoxid was wir als Smogs wahrnehmen. Smog macht es schwierig für einige Leute zu atmen, und es reduziert die Sichtbarkeit. Obwohl Smog ein Problem in erster Linie in Städten ist, können Stickoxide eine große Distanz überwinden, bevor sie um Ozon zu produzieren reagieren. Dies bedeutet, die Verschmutzungsprobleme können eine ganze Region einschließen.

Veränderungen in der Atmosphäre führen auch dazu, dass das stabile Klima, in dem die menschliche Zivilisation für Jahrtausende geblüht hat, auseinander fällt. Die klimabedingten Bedrohungen werden durch Klimawandel mehrfachlicht vermehrt. Vielenorts wird der Mensch gegenüber Überschwemmungen, Dürren und Hitzewellen zunehmend machlos, womit auch seine Nahrung und Wasserversorgung massiv gestört wird, sodass Millionen auf der Suche nach Überleben migriert werden.

Die Herausforderung zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft ist nicht nur wirtschaftlich sinnvoll, politisch klug und moralisch richtig; es ist auch eine fantastische kreative Möglichkeit für den Beruf der Ingenieure die echten Maschinen und Anlagen bauen. Auch eine beliebige Lösung kann man nur dann programmieren, wenn der Lösungsweg entdeckt oder bekannt ist.

Die Machtverteilung in den heutigen Unternehmen wirkt allerdings entgegen. Eingen wenigen haben die größte Macht (auch ihre Gehälter sind exorbitant hoch) und die anderen haben immer weniger Macht und ihre Gehälter bleiben dementsprechend immer mehr zurück. Sie sollen ihre Aufgaben schnell und einfach unter der Anwendungen der bestehenden Rahmen (Rezepten, Software und ähnliches, die dabei als Korsett wirken) lösen, Kreativität und nicht beorderte (disruptive) Innovation sind dabei unerwünscht. Neuen und besseren Produkte sind nicht mehr das Hauptziel, sondern Geldausbeute zu maximieren.

Lösungen für heute

Unsere bestehende energetisches System kann in zwei Bereichen dividiert werden, die sich bisher kaum beeinflusst haben, was auch bedeutet, dass ihre Entwicklung unabhängig war:

• System der Versorgung durch elektrische Energie, Wärme, Gas u. ä. Die Energiequellen reichen von klassischen Kohle, Gas und Hydro- bis zu den modernen Nuklearen und Erneuerbaren Energien

• Transport System der bisher fast ausschließlich durch Ölprodukte angetrieben wird, die vom Import abhängig sind.

Klar, dass die beiden Systeme fundamental unterschiedlich sind und deshalb auch die möglichen Lösungen sehr unterschiedlich waren. Unabhängig davon, die wesentlichen Eckpunkte für eine moderne und zukunftssichere Energieversorgung in einer industriellen Volkswirtschaft sind: erneuerbare Energien, Energieeffizienz, Energieeinsparung. Insbesondere die beiden Letzten sind für die beiden Systeme zusammengehörend, obwohl die relevanten Lösungen unterschiedlich sind.

Ich könnte bei den ersten großen deutschen Projekten aus den Bereichen der erneuerbaren Energien teilnehmen, wie GAST (Gas colled Solar Tower), GROWIAN und WKA-60 Windturbinen. Insbesondere bei den Windanlagen hat das zu einer großartigen Entwicklung geführt. Dabei fand die Anwendung des Balkenmodels zur Auslegung der Schraubenverbindungen an den Anschlussflanschen der Windturbinenblätter und an dem Großflansch des Rotors statt.