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Wie entkommt man der Eisenzeit?

Fri, 06 Sep 2024 00:00:00 +0000

Bild: Stahlbewehrung für das Betonfundament einer Windkraftanlage in Gilliam County, USA. Foto von Goose Chap, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Gefangen in der Eisenzeit

Im Jahr 1836 unterschied der dänische Antiquar und Kurator Christian Jürgensen Thomsen drei prähistorische Epochen auf der Grundlage der vorherrschenden Materialien für Waffen und Schneidewerkzeuge: die Steinzeit, die Bronzezeit und die Eisenzeit.¹ Thomsens Klassifizierung bezieht sich zwar auf die Vergangenheit, aber folgte man heute seinen Kriterien, hätten wir uns nie über die Eisenzeit hinaus entwickelt. Auch im 21. Jahrhundert ist Eisen immer noch das vorherrschende Material, nicht nur für Waffen und Schneidewerkzeuge, sondern für fast alle modernen Technologien.

Heute verwenden wir das meiste Eisen in Form von Stahl. Nach den Kriterien von Thomsen kann man jedoch nicht von einem “Stahlzeitalter” sprechen. Erstens ist Stahl lediglich eine Legierung aus Eisen (>98%) und Kohlenstoff (<2%). Zweitens hat der Mensch seit dem Beginn der Eisenzeit Stahl hergestellt. Diese Tatsache ist in der westlichen Welt kaum bekannt, da die Stahlproduktion erst im neunzehnten Jahrhundert mit Hilfe fossiler Brennstoffe in Gang kam. Asiatische und afrikanische Metallurgen entwickelten jedoch schon viel früher hochwertige Stähle, und dieses Wissen ermöglichte es den Europäern schließlich, dasselbe zu tun - und zwar in einem viel größeren Maßstab.²

Bis 2021 wird die weltweite Eisen- und Stahlproduktion 1.950 Millionen Tonnen (Mt) erreichen. Das ist 22 Mal mehr als die kombinierte Aluminium- und Kupferproduktion (88 Mio. t). Die globale Eisen- und Stahlproduktion entspricht dem Fünffachen der globalen Kunststoffproduktion (391 Mio. t) und stellt die weltweite Produktion von Silizium (8,5 Mio. t) und Lithium (0,1 Mio. t) in den Schatten.³⁴ Stahl ist das grundlegende Material der Industriegesellschaften. Ohne Kunststoffe, Lithium oder Silizium würden wir uns immer noch in einer Industriegesellschaft befinden. Ohne Eisen und Stahl würden wir 3.000 Jahre in die Bronzezeit zurückgeworfen werden.

Wo steckt der ganze Stahl?

Die massive Präsenz von Stahl in der Industriegesellschaft ist nicht so offensichtlich.⁵ Im Haushalt finden wir verschiedene Stahlgeräte wie Kühlschrank, Waschmaschine, Wasserkocher, Badewanne sowie Koch-, Heiz- und Kühlgeräte. Allerdings werden nur 2-3 % der gesamten Stahlproduktion für Haushaltsgeräte verwendet.⁶⁷⁸ Im Freien sehen wir viel Stahl in Form von Fahrzeugen. Dabei handelt es sich vor allem um Personenkraftwagen, die weltweit etwa 10 % des gesamten Stahls verbrauchen (20 % in den reichen Ländern). Busse, Lastwagen, Züge und Schiffe tragen weitere 4-5 % bei. Alles in allem sind das immer noch weniger als 20 % der weltweiten Stahlproduktion.

Der meiste Stahl ist in andere Materialien eingebettet, befindet sich unter der Erde oder weit entfernt von Wohngebieten.

Der meiste Stahl ist in andere Materialien eingebettet, befindet sich unter der Erde oder weit entfernt von Wohngebieten. Mehr als die Hälfte der weltweiten Stahlproduktion wird für den Bau von Gebäuden (Wohn-, Geschäfts- und Industriegebäude) und Infrastruktur verwendet (Brücken, Tunnel, Häfen, Kanäle, Start- und Landebahnen, Ölplattformen, Raffinerien, Pipelines, Kraftwerke, Übertragungsleitungen, Eisenbahnen, U-Bahnen usw.). Ein großer Teil dieses Stahls ist in Beton eingebettet. Stahlbeton ist das wichtigste Baumaterial der Welt, und Beton ist das einzige Material, das mit der Produktion von Stahl mithalten kann (1.819 Mio. Tonnen im Jahr 2021).

Etwa 15 % der weltweiten Stahlproduktion werden für die Herstellung von Maschinen verwendet, darunter Werkzeugmaschinen, Industrieausrüstungen, elektrische Geräte sowie Bau-, Bergbau- und Landwirtschaftsmaschinen. Auch Produkte aus anderen Materialien - wie andere Metalle, Kunststoffe und Holz - werden mit Stahlwerkzeugen geformt.⁵ Die letzten 15 % der Stahlproduktion landen in einer Vielzahl von Gegenständen, von Schrauben über Lebensmittelverpackungen bis hin zu Möbeln und Schiffscontainern.⁶⁷⁸

Bild: Stahlbeton ist das wichtigste Baumaterial der Welt. Loch auf der Interstate 84, US. Foto von Tony George, Oregon Department of Transportation, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Der ökologische Fußabdruck der Stahlindustrie

Stahl wird oft als einer der nachhaltigsten Werkstoffe dargestellt. Im Gegensatz zu Kunststoffen kann Stahl ohne Qualitätseinbußen recycelt werden. Die Stahlindustrie hat große Fortschritte bei der Energieeffizienz gemacht, größere als viele andere Branchen. Für die Herstellung einer Tonne Rohstahl werden heute durchschnittlich etwa 20 Gigajoule (GJ) Primärenergie benötigt - dreimal weniger als 1950⁹, was im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie Aluminium (175 GJ/t), Kunststoffen (80-120 GJ/t) oder Kupfer (45 GJ/t) sehr günstig ist.⁷ Im Gegensatz zu Kunststoffen ist Stahl biologisch abbaubar.¹⁰ Und schließlich ist Eisenerz nicht knapp. Es macht 5 % der Erdkruste aus und Eisen steht in der Reihe der Häufigkeit nach Massenanteil an vierter Stelle unter den Elementen.¹¹ Zum Vergleich: Kupfer macht nur 0,01 % aus.⁵

Trotz all dieser Vorteile verbraucht die Eisen- und Stahlindustrie weltweit mehr Energie und erzeugt mehr Kohlenstoffemissionen als jede andere Branche. Der gesamte Primärenergieverbrauch der Rohstahlerzeugung lag im Jahr 2021 bei 39 Exajoule (EJ), was 7 % der gesamten in diesem Jahr weltweit verbrauchten Energie entspricht (595 EJ). Die Treibhausgasemissionen sind sogar noch höher, da etwa 75 % des Energieverbrauchs aus Kohle stammen - dem Brennstoff mit den höchsten Kohlenstoffemissionen. Im Jahr 2021 verursachte die Eisen- und Stahlindustrie 3,3 Gt Kohlenstoffemissionen, was etwa 9 % der weltweiten Emissionen (36,3 Gt) entspricht.¹² Die Betonindustrie folgt mit 8 % dicht dahinter.

Die Eisen- und Stahlindustrie verbraucht mehr Energie und erzeugt mehr Kohlenstoffemissionen als jede andere Industrie.

Die obigen Schätzungen stammen von der World Steel Association und der Internationalen Energieagentur. Diese Daten sind für alle Metalle verfügbar und wurden über einen langen Zeitraum dokumentiert, so dass historische Vergleiche möglich sind. Sie beziehen sich jedoch nur auf die Verhüttung des Metalls. Sie enthalten nicht den Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen für den Abbau und den Transport von Eisenerz, Kohle, Kalkstein, Schrott und Stahlprodukten. Auch die Energie und die Emissionen für die Koksproduktion und die Erzaufbereitung, die für den Stahlherstellungsprozess unerlässlich sind, werden nicht berücksichtigt.⁷

Wissenschaftliche Studien, die die Effekte aus der Eisen- und Stahlindustrie höher veranschlagen, kommen zu dem Schluss, dass die Energiekosten der Stahlproduktion um 50 % bis 100 % höher zu veranschlagen sind.¹³ Ein Bericht kommt zu dem Schluss, dass allein die Methanemissionen aus der metallurgischen Kohleförderung die Emissionen um 27 % erhöhen könnten. Eine andere Studie schätzt, dass der Transport von Eisenerz und Stahl auf dem Seeweg 10-15 % zusätzliche Emissionen verursacht.¹⁴¹⁵ Die Eisen- und Stahlproduktion verursacht auch andere Umweltprobleme, wie hohen Wasserverbrauch, die Erzeugung fester Abfälle und eine erhebliche Luft- und Wasserverschmutzung.

Der Kohlenstoff-Fußabdruck der Eisen- und Stahlindustrie ist mit den derzeitigen Bestrebungen, die Netto-Kohlenstoffemissionen bis 2050 zu eliminieren, unvereinbar, zumal die Stahlproduktion höchstwahrscheinlich weiter steigen wird. Die Stahlproduktion hat sich seit 1950 verzehnfacht und zwischen 2000 und 2020 verdoppelt und ist damit schneller gewachsen, als viele Forscher vorhergesagt hatten.¹⁶ Außerdem sind die Effizienzgewinne zurückgegangen, und es besteht ein wissenschaftlicher Konsens darüber, dass die derzeitigen Technologien ihre thermodynamischen Grenzen erreicht haben.⁷⁹¹⁷ In den letzten zwei Jahrzehnten lag der durchschnittliche Energieverbrauch für die Produktion von einer Tonne Stahl bei etwa 20 GJ/t.⁹¹⁸

Wie kann man Stahl ohne fossile Brennstoffe herstellen?

Es gibt zwei Arten der Stahlerzeugung, von denen die eine wesentlich nachhaltiger ist als die andere.¹⁹ Zum einen gibt es den Hochofen, heute mit dem Sauerstoffblasverfahren, in dem Stahl aus Eisenerz und Kohle hergestellt wird. Diese Technologie ist - in ihrer wesentlichen Form - 2000 Jahre alt. Auf der anderen Seite gibt es den Elektrolichtbogenofen, in dem Stahl aus Stahlschrott und Strom hergestellt wird. Der Elektrolichtbogenofen, eine relativ neue Technologie, verbraucht viel weniger Energie als der Hochofen, nutzt eine wiederverwertbare Ressource (es muss kein Eisenerz abgebaut werden) und arbeitet ohne den direkten Einsatz von Kohle oder anderen fossilen Brennstoffen (der Strom kann durch Sonnen-, Wind- oder Atomkraft erzeugt werden).

Die energieeffizientesten Elektrolichtbogenöfen verbrauchen heute weniger als 300 Kilowattstunden Strom pro Tonne produzierten Stahls.⁹²⁰ Hätten wir hypothetisch den gesamten Stahl im Jahr 2021 (1.950 Mio. t) in solchen Öfen produziert, hätte der gesamte Stromverbrauch der globalen Eisen- und Stahlindustrie nur 585 Terawattstunden (TWh) betragen. Das entspricht gerade einmal einem Drittel der gesamten Stromerzeugung durch Windkraftanlagen weltweit im selben Jahr (1.848 Twh). Leider wurden mehr als 70 % der weltweiten Stahlproduktion in Hochöfen hergestellt, die mit Kohle und Eisenerz beschickt wurden.⁹²⁰ Ein Hochofen verbraucht zwanzigmal mehr Energie und kann nicht mit Strom betrieben werden, da Kohle sowohl der Brennstoff als auch das chemische Reduktionsmittel ist. Bei der Verbrennung von Kohle entsteht Kohlenmonoxid, das das Eisen aus dem Erz reduziert.⁷

Nicht genug Schrott vorhanden

Die Lösung scheint auf der Hand zu liegen, wir sollten den gesamten Stahl in Elektrolichtbogenöfen herstellen. Doch das ist unmöglich. Es gibt nicht genug Schrott: Das kontinuierliche Wachstum der weltweiten Stahlproduktion macht einen Kreislauf der Ressourcen unmöglich.²¹ Es dauert Jahrzehnte, bis der meiste Stahl für das Recycling zur Verfügung steht. So lagern beispielsweise 543 Mio. t Stahl in Schiffen.²² Der im Jahr 2021 für das Recycling verfügbare Schrott entspricht dem Produktionsniveau von 1965, als die weltweite Stahlproduktion weniger als ein Viertel der heutigen betrug (450 Mio. t).⁹¹⁰¹⁵²³ Folglich müssen die anderen drei Viertel in Hochöfen mit Kohle und frisch abgebautem Eisenerz hergestellt werden.

Bild: Autos zum Abwracken im Hafen von Cardiff. Gareth James via Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0).

Heutzutage produziert China etwa die Hälfte des weltweiten Stahls, und zwar fast ausschließlich (>90 %) in Hochöfen unter Verwendung von Kohle und Eisenerz. Viele andere stahlerzeugende Länder haben einen höheren Anteil an Elektrolichtbogenöfen. Es macht jedoch wenig Sinn, mit dem Finger auf China zu zeigen. Erstens haben die USA und Europa seit den 2000er Jahren viele ihrer Industrien nach China ausgelagert, ein Trend, der der wachsenden Stahlproduktion in diesem Land genau entspricht. Außerdem wurde in China vor zwanzig bis vierzig Jahren kaum Stahl verwendet. Folglich gibt es fast keinen Schrott mehr. China hat keine andere Wahl als den Einsatz von Hochöfen.²⁴

Immer hochwertigere Stahlsorten

Ein zweites Hindernis ist die kontinuierliche Entwicklung hochwertigerer Stahlsorten. Inzwischen gibt es über 2.500 verschiedene Stahlsorten mit unterschiedlichen Eigenschaften, z. B. erhöhter Festigkeit, Toleranz gegenüber hohen Temperaturen oder Korrosionsbeständigkeit.⁷⁹²³²⁵ Diese höherwertigen Stähle können zwar in Elektrolichtbogenöfen hergestellt werden, aber sie werden nicht aus Schrott gewonnen und haben einen wesentlich höheren Energiebedarf.

Der für das Recycling verfügbare Stahl besteht aus einer Mischung von Stahlsorten. Diese Mischung eignet sich für die Herstellung von unlegiertem Stahl, nicht aber für hochlegierte Stähle, für die Schrott mit ähnlichen Eigenschaften erforderlich ist. Dieser Schrott ist jedoch nicht verfügbar. Bei Edelstahl, der meistproduzierten Spezialstahlsorte, liegt die Recyclingquote beispielsweise bei nur 15 %. Im Jahr 2021 wurden fast 60 Mio. Tonnen rostfreier Stahl hergestellt, 1980 waren es nur 4 Mio. Tonnen.²⁶ Traditionell wurde rostfreier Stahl für Besteck, chirurgische Werkzeuge sowie medizinische und lebensmittelverarbeitende Geräte verwendet. Inzwischen wird er jedoch auch beim Bau von Tunneln und Außenmöbeln, bei der Abwasserbehandlung, der Meerwasserentsalzung, der Kerntechnik und der Herstellung von Biokraftstoffen verwendet.⁷

Die geringe Recyclingrate und die Notwendigkeit der Gewinnung zusätzlicher Elemente wie Chrom und Nickel machen die Herstellung höherer Stahlsorten energieintensiver. Für die Herstellung von rostfreiem Stahl werden beispielsweise fast 80 GJ pro Tonne benötigt, das ist viermal mehr als für die Herstellung von normalem Kohlenstoffstahl.⁷²³ Die kontinuierliche Entwicklung höherwertiger Stähle wird durch Umweltvorschriften (wie die Verwendung von leichterem Stahl in Autos) und durch die Konkurrenz anderer Materialien, vor allem Aluminium und Kunststoffverbundwerkstoffe, gefördert.⁷⁹²³²⁵ Ironischerweise führt die Konkurrenz mit diesen Materialien, die noch mehr Energie verbrauchen, dazu, dass Stahl immer weniger nachhaltig ist.

Stahl und erneuerbare Energie

Die Stahlindustrie ist in hohem Maße von der Energieversorgung abhängig, aber die Energieversorgung ist auch in hohem Maße von der Stahlindustrie abhängig. Fast 10 % der weltweiten Stahlproduktion fließen in den Aufbau und die Instandhaltung der Energieversorgungsinfrastruktur. Diese Menge entspricht der gesamten Stahlproduktion des Jahres 1950. Ein großer Teil dieses Stahls geht in die Gas- und Ölinfrastruktur.²⁷ Für die Förderung, Produktion und den Transport von Öl und Gas wird Stahl für Offshore-Bohrinseln, Pipelines, Raffinerien, Tanker und Lagertanks benötigt. Der Kohlebergbau ist auf Stahl für Schrämmaschinen, Lader, Förderbänder, Bagger und Lastwagen angewiesen.⁷

Leider wird die geplante Umstellung auf kohlenstoffarme Energiequellen und die Elektrifizierung von Heiz- und Verkehrstechnologien unsere Abhängigkeit von der Stahlindustrie nicht verringern - im Gegenteil. Ein kohlenstoffarmes Stromnetz erfordert viel mehr Stahl (und andere Materialien) als eine auf fossilen Brennstoffen basierende Infrastruktur. Wind- und Sonnenenergie sind im Vergleich zu fossilen Brennstoffen sehr diffuse Energiequellen. Daher wird viel mehr Material (und Land) benötigt, um die gleiche Energie zu erzeugen. Im Fachjargon haben Wind- und Solarenergie eine geringe “Volumenleistungsdichte” oder eine hohe “Materialintensität”.²⁸²⁹³⁰³¹³².

Ein kohlenstoffarmes Stromnetz benötigt viel mehr Stahl als eine auf fossilen Brennstoffen basierende Infrastruktur.

Die “Stahlintensität” thermischer Gas- und Kohlekraftwerke liegt zwischen 50 und 60 Tonnen Stahl pro Megawatt installierter Leistung.³³ Wasserkraftwerke haben mit 20-30 Tonnen Stahl pro MW eine geringere Stahlintensität.⁷³³ Die Stahlintensität der Atomkraft ist mit 20 bis 40 Tonnen Stahl pro installiertem MW ebenfalls geringer.³³³⁴ Andererseits erfordert die Photovoltaik zwischen 40 und 170 Tonnen Stahl pro installiertem MW.³³³⁵ Obwohl die Solarmodule selbst wenig oder gar keinen Stahl enthalten, ist er für die Strukturen, die sie tragen, das Material der Wahl.

Stahl und Windkraft

Die mit Abstand stahlintensivste Energiequelle ist die moderne Windkraftanlage. Die Stahlintensität einer Windturbine hängt von ihrer Größe ab. Eine einzelne große Windturbine benötigt deutlich mehr Stahl pro Megawatt installierter Leistung als zwei kleinere Windturbinen.³⁶ Eine 3,6-MW-Windturbine mit einem 100 Meter hohen Turm benötigt beispielsweise 335 Tonnen Stahl (83 Tonnen/MW), während eine 5-MW-Windturbine mit einem 150 Meter hohen Turm 875 Tonnen Stahl (175 Tonnen/MW) benötigt.³⁷ Der Trend geht zu höheren Windturbinen und einer höheren Stahlintensität.

Bild: Stahltürme für Windkraftanlagen im Hafen von Rotterdam. Foto: Melle Smets.

Der Stahlverbrauch steigt bei Offshore-Windturbinen weiter an. Während Onshore-Windkraftanlagen für ihre Fundamente auf Stahlbeton angewiesen sind, benötigen Offshore-Windturbinen massive Stahlkonstruktionen wie Monopiles und Jackets.³⁸ Die Stahlintensität von Offshore-Windturbinen wird auf rund 450 Tonnen pro MW für eine 5-MW-Turbine berechnet - achtmal höher als die Stahlintensität eines Wärmekraftwerks.³⁶ Je höher die Windturbinen werden und je weiter sie in tiefere Gewässer vordringen, desto höher ist ihr Stahlverbrauch.

Die derzeit gängigste Offshore-Windturbine hat eine Leistung von 7 MW, während die größten eine Leistung von 14 MW haben.³⁶ Bei einer vorsichtigen Schätzung auf der Grundlage der obigen Daten (die Stahlintensität verdoppelt sich bei jeder Verdoppelung der Leistung) würde eine 14-MW-Offshore-Windturbine 1.300 Tonnen Stahl pro MW oder insgesamt 18.200 Tonnen erfordern. Eine solche Windturbine verbraucht also 24-mal mehr Stahl als ein Kohle- oder Gaskraftwerk mit der gleichen Leistung.

Kürzere Lebensdauer

Der Unterschied zwischen erneuerbaren Energiequellen und fossilen Brennstoffen wird noch größer, wenn die Stahlintensität pro Energieeinheit und nicht pro Leistung berechnet wird (MWh statt MW). Im Gegensatz zu Kohle- und Gaskraftwerken ist die Leistung von Wind- und Solarkraftwerken wetterabhängig, und sie erreichen nicht immer ihre maximale Leistung. Daher erfordert der Ersatz von 1 MW fossiler Stromerzeugungskapazität die Installation von (durchschnittlich) 4 MW Solarenergie oder 2 MW Windkraft.³⁹ Eine 14-MW-Offshore-Windturbine hat somit eine Stahlintensität, die für jede erzeugte Kilowattstunde Strom fast 50 Mal höher ist als die eines fossilen Kraftwerks.⁴⁰

Bei einer 14-MW-Offshore-Windturbine ist die Stahlintensität für jede erzeugte Kilowattstunde Strom fast 50 Mal höher als bei einem fossilen Kraftwerk.

Solar- und Windkraftanlagen haben auch eine kürzere Lebensdauer (20-30 Jahre) als Wärmekraftwerke (30-60 Jahre)³¹, was sich zwar nicht auf die Stahlintensität pro MW installierter Leistung auswirkt, aber die Stahlintensität pro erzeugter Energieeinheit im Laufe der Zeit erhöht. Dies führt nicht immer zu einer Verdoppelung des Stahleinsatzes, da Fundamente für Offshore-Windturbinen und Strukturen für Solarpaneele eine längere Lebensdauer haben können als die Energiequellen, die sie tragen, und somit wiederverwendet werden können.⁴¹

Infrastruktur für die Energieübertragung

Die oben genannten Daten umfassen nur den in den Kraftwerken selbst verwendeten Stahl. Bei Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, ist der Stahl, der in Pipelines, Bohrinseln, Kohlebaggern und dergleichen verwendet wird, nicht berücksichtigt. Das Gleiche gilt aber auch für die kohlenstoffarmen Energiequellen. Da sie viel mehr Ressourcen benötigen als Wärmekraftwerke (Stahl, aber auch andere Metalle und Materialien), sind sie auf eine globale Bergbau- und Transportinfrastruktur angewiesen, die ebenso stahlintensiv ist wie die Lieferkette für fossile Brennstoffe.

Da es sich bei den Kraftwerken für erneuerbare Energie um eher diffuse Energiequellen mit unregelmäßiger und unvorhersehbarer Stromerzeugung handelt, die oft weit von den Energieverbrauchszentren entfernt sind, ist der Ausbau der Übertragungsinfrastruktur erforderlich. Diese Infrastruktur basiert ebenfalls auf Stahl - von Schaltanlagen über Türme bis hin zu Leitungskabeln.²⁸²⁹³⁰³¹³²⁴²

Schließlich haben kohlenstoffarme Energiequellen auch einen hohen Bedarf an speziellen Stahlsorten, deren Herstellung energieintensiver ist. Der Stahl für Offshore-Windturbinen muss korrosionsbeständig sein, und für die Trägerstrukturen von Solarpaneelen wird zunehmend rostfreier Stahl verwendet.⁴³ Elektrischer Lamellenstahl (Eisen-Silizium) ist für Transformatoren im Stromnetz unverzichtbar.⁷ Kernkraftwerke haben zwar eine relativ geringe Stahlintensität, bestehen aber vollständig aus energieintensiven Spezialstählen. So wird zum Beispiel für die Ummantelung der Brennelemente, die spaltbares Uran enthalten, Zirkoniumstahl benötigt, während alle Strukturelemente aus austenitischem Edelstahl bestehen.⁷⁴⁴

Kohlenstoffarme Netze können nicht aus recyceltem Stahl hergestellt werden

Die hohe Stahlintensität kohlenstoffarmer Energiequellen konfrontiert uns mit einem Dilemma, einer Situation, in der es scheinbar keinen Ausweg aus einem Problem gibt, egal was wir tun. Wir brauchen viel mehr Stahl, wenn wir Wärmekraftwerke durch erneuerbare Kraftwerke ersetzen. Da nicht genügend Stahlschrott zur Verfügung steht, können wir diesen zusätzlichen Stahl nur aus Eisenerz in Hochöfen herstellen, die fossile Brennstoffe verbrennen. Um den Klimawandel zu bekämpfen, müssen wir schnell und in großer Zahl kohlenstoffarme Energiequellen schaffen. Um jedoch zirkuläre Materialflüsse zu erreichen und kohlenstoffarme Energiequellen aus Schrott und erneuerbarem Strom zu schaffen, müssten wir das Gegenteil tun: den Aufbau eines kohlenstoffarmen Stromnetzes verlangsamen.

Bild: Stahlfundamente für off-shore Windturbinen. Foto von Glen Wallace, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Eine viel zitierte Studie aus dem Jahr 2013 kam zu dem Schluss, dass bei einer Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie von 25.000 TWh - was dem gesamten weltweiten Strombedarf im Jahr 2021 entspricht - allein für den Bau der Kraftwerke etwa 3.200 Mio. t Stahl benötigt werden.³³⁴⁵ 2050 wird der weltweite Strombedarf voraussichtlich auf 52.000 bis 71.000 Terawattstunden steigen, was den zusätzlichen Stahlbedarf auf 6.400 bis 8.960 Mio. t erhöhen würde.⁴⁶ Über die Lebensdauer von Solarzellen und Windturbinen (25 Jahre) verteilt, müssten wir 256 bis 358 Mio. Tonnen Stahl pro Jahr zusätzlich produzieren, um Windturbinen und Solarzellenstrukturen herzustellen - vergleichbar mit dem Stahlbedarf für Personenkraftwagen (195 Mio. Tonnen) und andere Verkehrsträger (98 Mio. Tonnen) zusammen.

Das ist immer noch eine sehr optimistische Schätzung. Der Strombedarf macht nur etwa 20 % des gesamten Energiebedarfs aus. Wenn der gesamte Energiebedarf (177.000 Twh im Jahr 2021) durch Wind- und Solarenergie gedeckt würde, bräuchten wir 22.400 Mio. t Stahl. Das sind zusätzliche 896 Mio. t Stahl pro Jahr - so viel wie die weltweite Produktion in den frühen 2000er Jahren. Man könnte argumentieren, dass Strom effizienter genutzt werden kann als fossile Brennstoffe, zum Beispiel in Autos und Heizungsanlagen. Gleichzeitig wird jedoch erwartet, dass die Gesamtenergienachfrage weiter ansteigt, was die Gewinne aus der Steigerung der Energieeffizienz zunichte macht.

Die Hightech-Lösungen

Die Stahlindustrie setzt auf technologische Lösungen, um die Stahlproduktion kohlenstoffneutral zu gestalten. Eine Möglichkeit besteht darin, Kohle durch Gas zu ersetzen, ein Ansatz, der im Nahen Osten und in Nordamerika bereits üblich ist. Die Stahlerzeugung mit Gas führt zu etwas geringeren Kohlenstoffemissionen, die aber immer noch viel höher sind als beim Elektrolichtbogenofen. Daher gilt die meiste Aufmerksamkeit dem Wasserstoff, der gereinigte Kohle (Koks) als Reduktionsmittel in einem Direktreduktionsschachtofen ersetzen kann.⁴⁷ Die wasserstoffbasierte Stahlerzeugung bietet jedoch keinen Ausweg aus der Zwickmühle, da sie den Bedarf an einer stahlintensiven Infrastruktur weiter erhöht.

Die Herstellung von Wasserstoff ist sehr energieintensiv. Für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff werden 50-55 Kilowattstunden und für die Herstellung von 1 Tonne Stahl 60 kg Wasserstoff benötigt.⁴⁷ Für die Herstellung von 1 Tonne Stahl aus Wasserstoff werden also 3.000 kWh Strom verbraucht, was zehnmal höher ist als der Stromverbrauch eines Elektrolichtbogenofens, der Stahl aus Schrott herstellt. Folglich werden für die wasserstoffbasierte Stahlerzeugung etwa zehnmal mehr Windturbinen und Solarpaneele benötigt als für die Stahlerzeugung aus Schrott - und damit zehnmal mehr Stahl. Hinzu kommt noch der Stahl für den Bau der Pipelines und Speichertanks, die Teil der Wasserstoffinfrastruktur sind.

Bild: Arbeiter in einem Hochofen. Bundesarchiv, B 145 Bild-F079044-0020 / CC-BY-SA 3.0.

Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung, bei der die Kohlenstoffemissionen von Stahlwerken abgeschieden und dann unterirdisch gelagert werden, steht vor denselben Problemen. Sie erfordert eine Stahlinfrastruktur und zusätzliche Energie und erhöht damit indirekt den Verbrauch fossiler Brennstoffe. Die Rückkehr zu älteren, vorindustriellen Stahlherstellungsprozessen ist ebenfalls keine Lösung. Der heutige Hochofen ist im Wesentlichen immer noch der Hochofen aus früheren Jahrhunderten, nur viel energieeffizienter.⁷

Die Lowtech-Lösungen

Das oben gezeichnete Bild scheint wenig Hoffnung auf eine kohlenstoffneutrale Stahlerzeugung und Stromproduktion zu machen. Es gibt jedoch eine Low-Tech-Lösung, die dies erreichen könnte. Wir könnten die Stahlproduktion an das verfügbare Schrottangebot anpassen, sowohl was die Menge als auch die Qualität betrifft. Das würde es uns ermöglichen, den gesamten Stahl aus Schrott in Elektrolichtbogenöfen zu produzieren, was den Energieverbrauch drastisch reduzieren und fast alle Kohlenstoffemissionen eliminieren würde. Natürlich darf es nicht darum gehen, Stahl durch Kunststoffverbundwerkstoffe und Aluminium zu ersetzen, da deren Herstellung noch energieintensiver ist. Die einzige Lösung besteht darin, den Materialeinsatz insgesamt zu reduzieren.

Wir könnten die Stahlproduktion sowohl quantitativ als auch qualitativ an das verfügbare Schrottangebot anpassen

Eine Verringerung der Stahlproduktion und die Verwendung gängigerer Stahlsorten würde uns nicht in die Bronzezeit zurückversetzen. Wie bereits erwähnt, waren im Jahr 2021 weltweit etwa 450 Mio. Tonnen Altmetallschrott verfügbar, mit denen wir etwa ein Viertel der derzeitigen Stahlproduktion herstellen könnten. Darüber hinaus wird das Schrottangebot in den nächsten 40 Jahren weiter ansteigen, so dass wir jedes Jahr mehr und mehr emissionsarmen Stahl produzieren können. Bis 2050 wird das Schrottangebot voraussichtlich auf etwa 900 Mio. t ansteigen, was fast der Hälfte der heutigen weltweiten Stahlproduktion entspricht.⁴⁸ All dieser zusätzliche Stahl könnte in den Ausbau des kohlenstoffarmen Stromnetzes investiert werden, ohne zunächst die Emissionen zu erhöhen.

Es gibt viel Spielraum, um die Stahlintensität der modernen Gesellschaft zu verringern. Alle unsere Grundbedürfnisse - und mehr - könnten mit viel weniger Stahl gedeckt werden. Wir könnten zum Beispiel Autos leichter machen, indem wir sie kleiner bauen. Das würde Energieeinsparungen mit sich bringen, ohne dass energieintensiver Edelstahl benötigt wird. Wir könnten Autos durch Fahrräder und öffentliche Verkehrsmittel ersetzen, so dass sich mehr Menschen weniger Stahl teilen. Solche Veränderungen würden auch den Bedarf an Stahl im Straßennetz, in der Energieinfrastruktur und in der verarbeitenden Industrie verringern. Wir würden weniger Werkzeugmaschinen, Schiffscontainer und Stahlbetongebäude benötigen. Wann immer die Stahlintensität verringert wird, wirken sich die Vorteile kaskadenartig auf das gesamte System aus. Die Vermeidung von Korrosion und die Herstellung von Stahl aus lokalen Ressourcen würde auch den Energieverbrauch und die Emissionen senken.¹⁰¹⁴

Das kontinuierliche Wachstum der Stahlproduktion - die zunehmende Stahlintensität der menschlichen Gesellschaft - macht eine nachhaltige Stahlproduktion unmöglich. Keine Technologie kann daran etwas ändern, denn es ist kein technologisches Problem. So wie die Forstwirtschaft nur dann nachhaltig sein kann, wenn die Holznachfrage das Holzangebot nicht übersteigt, hängt die Nachhaltigkeit von Stahl vom Gleichgewicht zwischen (Schrott-)Angebot und (Stahl-)Nachfrage ab. Vielleicht können wir dem Eisernen Zeitalter nicht entkommen, aber wir haben die Möglichkeit, dem Dilemma zu entkommen, das die Stahlproduktion untrennbar mit fossilen Brennstoffen verbindet.⁴⁹

Thomsen, Christian Jürgensen. “Cursory View of the Monuments and Antiquities of the North.” Guide to Northern Archaeology by the Royal Society of Northern Antiquaries of Copenhagen (1848): 25-104. See also: Eskildsen, Kasper Risbjerg. “Christian Jürgensen Thomsen (1788–1865): Comparing Prehistoric Antiquities.” History of Humanities 4.2 (2019): 263-267. And: Briggs, C. Stephen. “From Genesis to Prehistory: the archaeological Three Age System and its contested reception in Denmark, Britain, and Ireland. By Peter Rowley-Conwy. 226mm. Pp xix+ 362, 55 b&w ills. Oxford: Oxford University Press, 2007. ISBN 9780199227747.£ 65 (hbk).” The Antiquaries Journal 88 (2008): 474-478. ↩︎
Geplanter Artikel, Kris De Decker, Low-tech Magazine. Abonnieren sie den Newsletter von Low-tech Magazine. ↩︎
Idoine, N. E., et al. “World mineral production 2017-21.” (2023). https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/534316/1/WMP_2017_2021_FINAL.pdf ↩︎
Katz-Lavigne, Sarah, Saumya Pandey, and Bert Suykens. “Mapping global sand: extraction, research and policy options.” (2022). https://repository.uantwerpen.be/docman/irua/1428b3/183490cc.pdf ↩︎
Colás, Rafael, and George E. Totten, eds. Encyclopedia of iron, steel, and their alloys (Online version). CRC Press, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://www.steelonthenet.com/consumption.html. Meanwhile the data on this page have been updated for 2023. ↩︎ ↩︎
Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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Conejo, Alberto N., Jean-Pierre Birat, and Abhishek Dutta. “A review of the current environmental challenges of the steel industry and its value chain.” Journal of environmental management 259 (2020): 109782. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Zwischen 25 und 33% der jährlichen Stahlproduktion wird nach Beginn der Nutzung durch Verrosten zerstört. Siehe: Iannuzzi, M., and G. S. Frankel. “The carbon footprint of steel corrosion.” npj Materials Degradation 6.1 (2022): 101. https://www.nature.com/articles/s41529-022-00318-1.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Iron”, Encyclopedia Britannica ↩︎
The potential of hydrogen for decarbonising steel production. European Parliament: https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/BRIE/2020/641552/EPRS_BRI(2020)641552_EN.pdf ↩︎
Lenzen, Manfred, and Christopher Dey. “Truncation error in embodied energy analyses of basic iron and steel products.” Energy 25.6 (2000): 577-585. & Oda, Junichiro, et al. “International comparisons of energy efficiency in power, steel, and cement industries.” Energy Policy 44 (2012): 118-129. Both found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
“Pedal to the metal”, Caitlin Swalec, Global Energy Monitor, June 2022. https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/06/GEM_SteelPlants2022.pdf ↩︎ ↩︎
Yellishetty, Mohan, P. G. Ranjith, and A. Tharumarajah. “Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable?.” Resources, conservation and recycling 54.12 (2010): 1084-1094. ↩︎ ↩︎
Siehe zum Beispiel: Hatayama, Hiroki, et al. “Outlook of the world steel cycle based on the stock and flow dynamics.” Environmental science & technology 44.16 (2010): 6457-6463. This paper predicted steel demand to reach 1.8 billion tonnes only by around 2025. ↩︎
De Beer, Jeroen. Potential for industrial energy-efficiency improvement in the long term. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013. ↩︎
Wang, R. Q., et al. “Energy saving technologies and mass-thermal network optimization for decarbonized iron and steel industry: A review.” Journal of Cleaner Production 274 (2020): 122997. ↩︎
Etwa 5% des Stahls weltweit wird mit einer dritten Methode produziert: Gasbasierte direkte Eisenreduktion. Diese Öfen verwenden Gas anstelle von Kohle und haben daher geringere Kohlenstoffemissionen. Allerdings sind die Emissionen immer noch viel höher als beim Elektrolichtbogenofen. Die gasbasierte Stahlerzeugung findet hauptsächlich im Nahen Osten und in Nordamerika statt. ↩︎
He, Kun, and Li Wang. “A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 70 (2017): 1022-1039. This source gives a value of 1-1.5 GJ/ton of crude steel. ↩︎ ↩︎
Dies ist auch bei vielen anderen Materialien der Fall. Siehe: “How circular is the circular economy?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, November 2018. https://qelnixcor.cloud/2018/11/how-circular-is-the-circular-economy/ ↩︎
Kong, Xianghui, et al. “Steel stocks and flows of global merchant fleets as material base of international trade from 1980 to 2050.” Global Environmental Change 73 (2022): 102493. ↩︎
ODPADKA, PROIZVODNJA JEKLA IZ JEKLENEGA. “Scrap-based steel production and recycling of steel.” Materiali in tehnologije 34.6 (2000): 387. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Im Westen vollzog sich die Ausweitung der Stahlverwendung über einen Zeitraum von 150 Jahren, parallel zur technologischen Entwicklung. Im Gegensatz dazu hat China diese technologische Entwicklung in nur wenigen Jahrzehnten komprimiert: Schifffahrt und Eisenbahn, Elektrifizierung, Stahlgebäude, Auto und Flugzeug, Internet und erneuerbare Energietechnologien. Es gibt immer noch große Teile der Welt, in denen die Stahlintensität der Gesellschaft sehr gering ist, wie in Indien und Afrika. Es gibt also noch viel Raum für das Wachstum der Stahlproduktion. Quelle: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
AHHS Application Guidelines, WorldAutoSteel. ahssinsights.org/news/intro ↩︎ ↩︎
Sverdrup, Harald Ulrik, and Anna Hulda Olafsdottir. “Assessing the long-term global sustainability of the production and supply for stainless steel.” BioPhysical Economics and Resource Quality 4 (2019): 1-29. ↩︎
Conseil, Laplace. “Impacts of energy market developments on the steel industry.” 74th Session of the OECD Steel Committee, Paris, France (2013). Found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Deetman, Sebastiaan, et al. “Projected material requirements for the global electricity infrastructure–generation, transmission and storage.” Resources, Conservation and Recycling 164 (2021): 105200. ↩︎ ↩︎
How (Not) to Run a Modern Society on Solar and Wind Power Alone, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. https://qelnixcor.cloud/2017/09/how-not-to-run-a-modern-society-on-solar-and-wind-power-alone/ ↩︎ ↩︎
Kleijn, René, et al. “Metal requirements of low-carbon power generation.” Energy 36.9 (2011): 5640-5648. ↩︎ ↩︎
Weißbach, Daniel, et al. “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants.” Energy 52 (2013): 210-221. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chen, Zhenyang, Rene Kleijn, and Hai Xiang Lin. “Metal requirements for building electrical grid systems of global wind power and utility-scale solar photovoltaic until 2050.” Environmental Science & Technology 57.2 (2022): 1080-1091. ↩︎ ↩︎
Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Energy”, American Iron and Steel Institute. https://www.steel.org/steel-markets/energy/ ↩︎
“Steel is the power behind renewable energy”, Arcelor Mittal. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy#:~:text=Steel%3A%20a%20key%20material%20in%20a%20less%20carbon%2Dintensive%20world&text=Without%20steel%2C%20none%20of%20the,Schrijver%2C%20CEO%20of%20ArcelorMittal%20Projects. ↩︎
Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Gervásio, Helena, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 2: Life cycle analysis.” Engineering structures 74 (2014): 292-299. & Rebelo, Carlos, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 1: Structural design.” Engineering structures 74 (2014): 283-291. ↩︎
Assessing the significance of steel to the global wind industry, S&P Global, Commodity Insights. December 2021. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/research-analysis/assessing-the-significance-of-steel-to-the-global-wind-industry.html ↩︎
Bolson, Natanael, Pedro Prieto, and Tadeusz Patzek. “Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources.” Proceedings of the National Academy of Sciences 119.52 (2022): e2205429119. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205429119 ↩︎
Dieses Ergebnis stimmt gut überein mit Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎
Bei Offshore-Windturbinen wird die Lebensdauer der Fundamente auf 100 Jahre geschätzt, so dass sie im Prinzip für Ersatz-Windturbinen der gleichen Größe dienen könnten. Andererseits ist es nicht selbstverständlich, dass diese Stahlfundamente irgendwann recycelt werden. Erstens können durch das Recycling des Metalls nur etwa 10 % der Stilllegungskosten wieder hereingeholt werden, was bedeutet, dass es wirtschaftlich und vielleicht sogar energetisch nicht interessant ist, dies zu tun. Zweitens hat sich in einigen Fällen das Meeresleben um die Fundamente herum entwickelt. Die vier Offshore-Windparks, die 2019 stillgelegt wurden, waren 15, 18, 20 und 26 Jahre in Betrieb. Quelle: Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎
https://www.fedsteel.com/insights/steels-role-in-the-us-power-infrastructure/ ↩︎
https://industry.arcelormittal.com/products-solutions/Products_in_the_spotlight/magnelis ↩︎
Maziasz, Philip J., and Jeremy T. Busby. Properties of austenitic stainless steels for nuclear reactor applications. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2012. ↩︎
Ein Teil davon ist bereits gebaut worden. Die Forscher gehen von der Solar- und Windstromproduktion im Jahr 2013 aus, die 400 TWh betrug, während beide Stromquellen im Jahr 2021 2.894 TWh produzierten. ↩︎
Electricity consumption worldwide from 2000 to 2022, with a forecast for 2030 and 2050, by scenario. Statista. https://www.statista.com/statistics/1426308/electricity-consumption-worldwide-forecast-by-scenario/#:~:text=According%20to%20a%20recent%20forecast,on%20the%20energy%20transition%20scenario ↩︎
Bhaskar, Abhinav, et al. “Decarbonizing primary steel production: Techno-economic assessment of a hydrogen based green steel production plant in Norway.” Journal of Cleaner Production 350 (2022): 131339. ↩︎ ↩︎
Scrap use in the steel industry, World Steel Association. May 2021. https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-on-scrap_2021.pdf ↩︎
Eine weitere Motivation, die Stahlintensität der modernen Gesellschaft zu verringern, ist die Begrenzung der Folgen geopolitischer Konflikte. Je mehr Stahl wir für friedliche Zwecke produzieren, desto mehr Stahl wird für Krieg und Zerstörung verfügbar. Es ist bemerkenswert, dass die Produktion von Rüstungsgütern in den modernen Stahlstatistiken nicht vorkommt, und wenn sie erwähnt wird, ist ihr Anteil sehr gering. In Kriegszeiten stellen die Stahlwerke jedoch auf die Produktion von Stahl für militärische Zwecke um. Die Stahlindustrie kann also jederzeit in eine Waffenindustrie umgewandelt werden, und es stehen heute viel mehr Stahlproduktionskapazitäten zur Verfügung als je zuvor in der Geschichte. ↩︎

Wie baut man ein Solarpanel mit geringem technischen Aufwand?

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

George Cove steht neben seiner dritten Solar-Panel-Anordnung. Quelle: \"Generating electricity by the sun's rays\", Popular Electricity, Volume 2, nr. 12, April 1910, pp.793.

Effizienter aber weniger nachhaltig

Seit Bell Labs in den 1950er Jahren das erste praktische Photovoltaik-Panel vorstellte, konzentrierte sich die technische Entwicklung darauf, den Wirkungsgrads von Solarzellen zu erhöhen und die Kosten zu senken. Nach diesen Maßstäben haben die Forscher große Fortschritte gemacht. Der Wirkungsgrad von Solarzellen stieg von weniger als 5 % in den 1950er Jahren auf heute über 20 %, während die Kosten von 30 Dollar pro “Watt Peak” (Nennleistung unter Standard-Testbedingungen) im Jahr 1980 auf weniger als 0,2 Dollar pro Watt Peak im Jahr 2020 sanken. Niedrigere Kosten - zu denen höhere Wirkungsgrade beitragen - werden als besonders wichtig angesehen, da sie es den PV-Paneelen ermöglichen, auf dem Markt mit der aus fossilen Brennstoffen erzeugten Elektrizität zu konkurrieren.

Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit wurden jedoch nur geringe Fortschritte erzielt. Der größte Mangel besteht darin, dass Solarmodule seit den 1950er Jahren für das Recycling ungeeignet sind. Das führt zu Abfall, der auf den Mülldeponien landet. Die Abfallmenge wird in den kommenden Jahren noch erheblich zunehmen. Solarmodule werden erst nach mindestens 25 bis 30 Jahren entsorgt, und die meisten wurden erst in den letzten Jahren installiert. Forscher gehen davon aus, dass bis 2050 fast 80 Millionen Tonnen Solarmodule das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. ¹²³ Das ist eine erhebliche Verschwendung von Ressourcen und eine Gefahr für die Umwelt - ausrangierte PV-Solarmodule enthalten giftige Elemente und stellen eine Brandgefahr dar.

Der Bedarf an kapitalintensiver Technologie sowie lange Lieferwege verhindern, dass Solarmodule durch weniger wohlhabende Gesellschaften oder Heimwerkergemeinschaften lokal produziert werden.

Die Herstellung von PV-Solarmodulen ist ebenso problematisch. Sie produziert giftige Abfälle und erfordert eine globale Lieferkette mit dem Abbau von Materialien, kapitalintensiven Fabriken, komplexen Maschinen und einem ständigen Input an fossilen Brennstoffen. In Lebenszyklusanalysen von Solarmodulen berechnen Wissenschaftler wie viel Energie und Materialien für den Bau eines Solarmoduls benötigt werden. Sie ignorieren jedoch den enormen Energie- und Materialaufwand, der für den Aufbau und die Instandhaltung der PV-Lieferkette selbst erforderlich ist. ⁴⁵⁶⁷⁸⁹¹⁰¹¹ Folglich geben diese Studien keinen Aufschluss über die tatsächlichen Kosten von Solarmodulen etwa in Bezug auf die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, Emissionen oder andere Umweltbelastungen. Darüber hinaus verhindern der Bedarf an kapitalintensiver Technologie und die langen Lieferwege die lokale Produktion von Solarmodulen durch weniger wohlhabende Gesellschaften oder Heimwerkergemeinschaften.

Inspiration in der Geschichte finden

Sind PV-Solarmodule von Natur aus nicht nachhaltig, nicht recycelbar und abhängig von Hochtechnologie und kapitalintensiven Herstellungsverfahren? Oder ist es möglich, sie mit lokalen, recycelbaren und weniger energieintensiven Materialien und Produktionsmethoden herzustellen? Mit anderen Worten: Können wir Low-Tech-Solarzellen bauen? Und wenn ja, was würde das für die Kosten und die Effizienz bedeuten?

Bevor wir versuchen, diese Frage zu beantworten, ist es wichtig festzustellen, dass die beste Low-Tech-Alternative zu einem High-Tech-Solarpanel oft nicht ein Low-Tech-Solarpanel ist, sondern die direkte Nutzung der Sonnenenergie. Das heißt: die Nutzung der Sonnenenergie ohne sie vorher in Strom umzuwandeln. So sind zum Beispiel eine Wäscheleine und ein solarthermischer Warmwasserboiler viel effizienter, nachhaltiger und wirtschaftlicher als ein elektrischer Wäschetrockner und ein mit Solarmodulen betriebener Warmwasserboiler. Die direkte Nutzung von Solarenergie kann mit lokalen Materialien, relativ einfachen Fertigungstechnologien und kurzen Lieferwegen erfolgen.

In diesem Artikel nehme ich die Frage jedoch wörtlich: Können wir Low-Tech-Photovoltaikanlagen bauen, die Sonnenlicht in Strom umwandeln? In einem früheren Artikel haben wir gesehen, dass die Geschichte Inspiration für den Bau nachhaltigerer Windturbinen bietet. Kann uns die Geschichte auch dazu inspirieren, nachhaltigere Solarzellen zu bauen?

Die Frühgeschichte der Solarzelle

Das 1954 von den Bell Labs vorgestellte PV-Panel entstand nicht aus dem Nichts. Die Silizium-Solarzelle hatte ihre Wurzeln in weniger komplexen Systemen, die Strom entweder aus Licht oder aus Wärme erzeugen konnten.

Thomas Seebeck stellte 1821 fest, dass in einem Stromkreis aus zwei ungleichen Metallen, deren Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen haben, ein elektrischer Strom fließt. Dieser “thermoelektrische Effekt” bildete die Grundlage für den “thermoelektrischen Generator”, der Wärme (z. B. von einem Holzofen) direkt in Elektrizität wandelt. Im Jahr 1839 entdeckte Antoine Becquerel, dass auch Licht in Elektrizität umgewandelt werden kann, und in den 1870er Jahren wiesen mehrere Wissenschaftler diesen Effekt in Festkörpern nach, vor allem in Selen. Dieser “photoelektrische Effekt” bildete die Grundlage für den “photoelektrischen Generator”, den wir heute als “photovoltaischen” Generator oder PV-Solarzelle bezeichnen. Im Jahr 1883 konstruierte Charles Fritts das erste jemals hergestellte photovoltaische Modul, bei dem er Selen auf eine dünne Goldschicht aufbrachte. ¹²¹³¹⁴

Von damals bis in die 1950er Jahre waren die praktischen Einsatzmöglichkeiten von thermoelektrischen und photoelektrischen Systemen begrenzt. Erfinder bauten zahlreiche experimentelle thermoelektrische Generatoren, die in der Regel mit einer Gasflamme betrieben wurden, deren Wirkungsgrad jedoch nicht über 1 % lag. Auch das Solarpanel von Charles Fritts und die danach hergestellten Selen-Solarzellen erreichten nur einen Wirkungsgrad von 1-2 % bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. ¹⁵ Kurz gesagt, die Zeit vor den 1950er Jahren scheint nicht viel Inspiration für den Bau nachhaltigerer PV-Solarzellen zu bieten.

Ein vergessener Pionier der Solarenergie

Die Frühgeschichte des Solarpanels könnte jedoch unvollständig sein. Im Jahr 2019 erhielt ich eine E-Mail von Philip Pesavento, einem Leser des Low-tech Magazine:

“Ich beschäftige mich seit Anfang der 1990er Jahre mit einem frühen Pionier der Solarzellentechnologie aus der Vorkriegszeit. Ich werde zu alt, um mich weiter damit zu beschäftigen, und obwohl es ein oder zwei wissenschaftliche Artikel über Herrn Cove gab, haben sie seine Leistungen völlig außer Acht gelassen. Ich füge eine PDF-Version einer Präsentation bei, die ich 2015 erstellt und noch nie jemandem vorgestellt habe. Wenn Sie daran interessiert sind, selbst einen Artikel zu schreiben, kann ich Ihnen einen USB-Stick mit dem gesamten Hintergrundmaterial schicken, das ich gesammelt habe.”

Wenn die historische Darstellung und die Hypothesen von Philip Pesavento richtig sind, wollte George Cove einen thermoelektrischen Generator bauen, hat aber versehentlich einen photovoltaischen Generator - eine PV-Solarzelle - hergestellt. Obwohl dies in den frühen 1900er Jahren geschah, erreichte Cove eine vergleichbare Leistung und Effizienz wie die Wissenschaftler der Bell Labs 1954. Sein Entwurf war auch wesentlich leistungsfähiger als die Selen-Solarzellen, die zwischen den 1880er und 1940er Jahren gebaut wurden. ¹⁶ Philip Pesavento dazu:

“Es wäre ziemlich spannend zu beweisen, dass relativ hocheffiziente Solarzellen 40 Jahre vor der Entwicklung von Siliziumzellen erfunden wurden. Noch wichtiger ist, dass, wenn sich herausstellt, dass es bereits vor dem Ersten Weltkrieg Solarzellen und -paneele gab, dies auch einige Vorteile in Bezug auf die Billigkeit der Rohstoffe, die geringe graue Energie für die Umwandlung der Erze in metallische Werkstoffe, den Wirkungsgrad der fertigen Solarzellen und die einfache Herstellung mit sich bringen könnte.” (Graue Energie: Energie für Herstellung, Transport, Lagerung, Verkauf und Entsorgung.)

Mit anderen Worten: Wenn Philip Pesaventos historische Darstellung und seine Hypothesen richtig sind, könnte es möglich sein, Low-Tech-Solarzellen zu bauen.

Der “Solar Electric Generator” von George Cove

George Cove präsentierte seinen ersten “Solargenerator” 1905 im Metropole Building in Halifax, Nova Scotia, Kanada. Abgesehen von einem Bild gibt es keine Daten über diese Anlage. ¹⁷ Seine Leistung und Effizienz waren jedoch so bemerkenswert, dass amerikanische Investoren einen Experten nach Halifax schickten. Auf der Grundlage der Untersuchung der Maschine durch diesen Experten holten sie Cove in die USA (nach Sommerville, Massachusetts), um die Entwicklung seines Geräts fortzusetzen.

Cove stellte dort 1909 seinen zweiten Solargenerator vor. Diese 1,5 m2 große Platte konnte 45 Watt Leistung erzeugen und hatte einen Wirkungsgrad von 2,75 % bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Mitte 1909 war Cove nach New York City umgezogen, wo er seinen dritten Prototyp vorstellte, eine Solaranlage, die aus vier Solarzellen mit je 60 Watt Spitzenleistung bestand und insgesamt fünf Blei-Säure-Batterien auflud. Die Gesamtoberfläche betrug 4,5 m2, die maximale Leistung 240 Watt, und der Wirkungsgrad stieg auf 5 % - ähnlich wie bei dem ersten von Bell Labs vorgestellten Solarpanel. ¹⁸

Oben: George Coves erstes Solarpanel, 1905 der Öffentlichkeit vorgestellt. Quelle: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Oben: Coves zweites Solarpanel; ein Modul fehlt. Quelle: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Oben: George Coves drittes Solarpanel. Quelle: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Oben: George Coves drittes Solarpanel. Die Paneele sind nun in einem definierten Winkel geneigt und liegen nicht mehr waagrecht. Quelle: Literary Digest 1909, pp. 1153.

Oben: Ein Modul aus Coves drittem Solarpanel. Die Glasabdeckung ist abgenommen. Quelle: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Obwohl George Cove in den meisten historischen Berichten über Solarenergie nicht vorkommt, beeindruckte sein solarer Stromgenerator einige populäre technische Medien der damaligen Zeit. So schrieb das Technical World Magazine 1909, dass “eine solche Maschine billig und unzerstörbar wie ein Küchenherd ist. Selbst in ihrem derzeitigen, etwas groben und experimentellen Zustand speichert sie bei zwei Tagen Sonne genügend elektrische Energie, um ein normales Haus eine Woche lang zu beleuchten. Der Erfinder hat dies nun schon seit Monaten in seinem Betrieb bewiesen”. ¹⁹

Metallstopfen in Asphalt gesetzt

Wie ist es George Cove gelungen, ein Solarpanel zu bauen, das seiner Zeit 40 Jahre voraus war? Laut Philip Pesavento, der einen Ausbildung in Halbleitertechnik hat, wollte Cove einen besseren thermoelektrischen Generator (TEG) bauen. Er setzte seinen Generator der Wärme eines Holzofens und direkter Sonnenenergie aus - Edward Weston hatte 1888 den ersten experimentellen thermoelektrischen Solargenerator (oder STEG) gebaut. Die Absichten von Cove werden auch aus der Beschreibung seines Geräts deutlich:

“Der Rahmen enthält eine Reihe von Scheiben aus violettem Glas, hinter denen, gehalten von einer Asphaltmischung, viele kleine Metallstopfen angebracht sind. Ein Ende der Stopfen ist immer dem Sonnenlicht ausgesetzt, während das andere Ende kühl und geschützt ist.”

Eine möglichst große Temperaturdifferenz zu erzeugen ist der Schlüssel zur thermoelektrischen Stromerzeugung, daher ist Cove’s Entwurf sinnvoll. Das Problem besteht darin, dass sein Generator bei der Messung der Leistungsabgabe nicht auf Wärme reagierte, wie es bei einem thermoelektrischen Generator der Fall sein sollte. Zunächst stellt Cove fest, dass seine Erfindung sowohl Wärme als auch Licht zur Stromerzeugung nutzt, wenn sie der Sonnenenergie ausgesetzt ist:

“Der Hauptbestandteil meiner Erfindung ist die besondere Zusammensetzung der Metallstopfen, auf die die Sonne so einwirkt, dass der Strom nicht nur durch die Wärmestrahlung, sondern auch durch die Sonnenstrahlen erzeugt wird”.

Nach weiteren Experimenten sowohl mit dem Holzofen als auch mit Sonnenenergie stellt Cove jedoch fest:

“Wenn die Maschine verschiedenen künstlichen Wärmequellen ausgesetzt wird, gibt sie keinerlei Strom ab. Außer den Wärmestrahlen der Sonne (kurzwelliges Infrarot) sind vielleicht die violetten oder ultravioletten Strahlen aktiv, um den elektrischen Strom zu erzeugen”.

Die Primärzelle des PV-Panels von Cove war ein drei Zoll langer Stecker oder Stab aus einer metallischen Zusammensetzung, einer Legierung aus mehreren gängigen Metallen. Das 1,5 m2 große Paneel hatte 976 Stäbe, während die 4,5 m2 große Anlage 4 x 1804 Stäbe hatte. Dass die Stäbe auf der einen Seite kühl und auf der anderen heiß waren - getrennt durch eine Asphaltschicht -, spielte keine Rolle. Entscheidend war, dass Cove unwissentlich einen Metall-Halbleiter-Kontakt hergestellt hatte.

Die Bandlücke bei Halbleitern

George Cove verstand nicht wie sein Solargenerator funktionierte, und auch sonst niemand zu jener Zeit. Erst mit Einsteins Arbeit über den photoelektrischen Effekt (1905) und späteren Arbeiten in der Quantenmechanik (ab den 1930er Jahren) wurde das Konzept einer Halbleiterbandlücke erkannt. Die Elektronen umkreisen den Kern eines Atoms in verschiedenen “Zuständen” und halten sich in Bereichen auf, die man “Bänder” nennt. Bei gleichbleibenden Bedingungen bleiben die Elektronen in diesen Bändern. Zwischen diesen Bändern liegen “Bandlücken” - Bereiche, in denen sich kein Elektron aufhalten kann.

George Cove verstand nicht, wie sein Solargenerator funktionierte, und auch sonst niemand zu jener Zeit.

Leiter haben keine Bandlücken, so dass Elektronen durch sie hindurchfließen. Aus diesem Grund leitet beispielsweise ein Kupferdraht Strom. In Isolatoren (wie Holz, Glas, Kunststoff oder Keramik) gibt es eine sehr große Bandlücke, die den Stromfluss blockiert. Bei Halbleitern schließlich ist die Bandlücke relativ schmal. Deshalb können sie als Isolator oder als Leiter wirken. Halbleiter können zu Leitern werden, wenn sie ein “Photon” (ein Elementarteilchen des Lichts) mit einem Energiepotenzial absorbieren, das gleich oder größer ist als die Bandlücke des Halbleitermaterials. ²⁰

Das Verständnis von Halbleitern führte in den 1950er Jahren zur Geburt der modernen Solarzelle. Es verbesserte auch die Leistung thermoelektrischer Generatoren - wenn auch aus anderen Gründen. Thermoelektrische Generatoren nutzen den Vorteil der Halbleiter-Bandlücke nicht aus. Halbleiter haben jedoch höhere Thermospannungen und geringere Wärmeleitfähigkeiten als Metalle und Metalllegierungen ohne Bandlücke, was thermoelektrische Generatoren effizienter macht.

Der Schottky-Kontakt

Um einen photovoltaischen Effekt zu erzielen, muss eine Inhomogenität im System vorhanden sein. In den 1950er Jahren gelang den Wissenschaftlern der Bell Labs die Herstellung einer Inhomogenität mit dem so genannten p-n-Übergang, der eine Grenze zwischen einem positiv geladenen und einem negativ geladenen Halbleiter bildet. P-Typ-Halbleiter haben Elektronenlücken, so genannte “Löcher” (die Elektronen anziehen), während N-Typ-Halbleiter zusätzliche Elektronen haben. An der Grenzfläche zwischen beiden entsteht ein elektrisches Potenzial.

Es ist jedoch auch möglich, eine PV-Zelle aus einem so genannten Schottky-Übergang herzustellen, der einen Halbleiter mit einem Metall verbindet. In diesem Fall fungiert das Metall als n-Typ-Halbleiter. Philip Pesavento:

“Meine Hypothese ist, dass George Cove auf eine photovoltaische Zelle mit Schottky-Kontakt gestoßen ist, Jahrzehnte bevor sie von Walter Schottky beschrieben wurde. ²¹ Es besteht die Möglichkeit, dass eine solche Zelle sowohl (vorwiegend) photovoltaische als auch thermoelektrische Effekte hervorruft. Der Stecker war eine Legierung aus Zink und Antimon, von der wir heute wissen, dass sie ein Halbleiter ist. Er wurde abwechselnd mit Neusilber (einer Nickel-, Kupfer- und Zinklegierung) und Kupfer an den gegenüberliegenden Enden bedeckt. So entstand ein ohmscher Kontakt bzw. ein Schottky-Kontakt. Das ergibt ein photovoltaisches Bauteil.

Eine zufällige Entdeckung

Laut Philip Pesavento begann George Cove wahrscheinlich mit Neusilber als negativem Material an beiden Enden der Stecker und einer Antimon-Zink-Legierung (ZnSb) als positivem Material. Dies waren die besten verfügbaren thermoelektrischen Materialien zu dieser Zeit:

“Wahrscheinlich ging ihm das Neusilber aus und er ersetzte es durch Kupfer, um eine Reihe von Steckern fertigzustellen. Die Thermospannung von Kupfer und Neusilber unterscheidet sich nur wenig. Beim Testen stellte Cove dann fest, dass diese Stecker (mit einer Neusilberkappe an einem Ende und einer Kupferkappe am anderen Ende) eine viel höhere Spannung lieferten: Hunderte von mV gegenüber den üblichen einigen 10 mV für einen thermoelektrischen Generator.”

Was war geschehen? Durch die Verwendung von Kupfer hatte Cove unwissentlich einen Schottky-Übergang gebaut. Dadurch verwandelte sich sein thermoelektrischer Generator in einen “thermophotovoltaischen Generator”. Eine solche Anordnung funktioniert genauso wie eine photovoltaische Solarzelle, nur mit einer anderen Wellenlänge. Das Sonnenspektrum umfasst einen Bereich von etwa 0,5 bis 2,9 Elektronenvolt (eV), von Infrarot bis Ultraviolett. Ein Halbleiter mit einer Bandlücke zwischen 1 und 1,7 eV wandelt sichtbares Licht effizient in Elektrizität um (ein photovoltaischer Generator), während ein Halbleiter mit einer Bandlücke zwischen 0,4 und 0,7 eV kurzwellige infrarote Sonnenenergie effizient in Elektrizität umwandelt (ein thermophotovoltaischer Generator).

Oben: Diese Zeichnung aus [Coves Patent von 1906](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) zeigt die Antimon-Zink-Legierung “b”; die Kappe aus Neusilber (ohmscher Leiter) “c”; und die Kappe aus Kupfer oder Zinn (Schottky-Übergang) “f”. Überall werden Pressverbindungen verwendet, da Lötverbindungen den Wirkungsgrad verringern.

Heute wissen wir, dass ZnSb - das negative Material in Coves Steckern - ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,5 eV ist. Das erklärt weitgehend, warum der Erfinder zunächst feststellte, dass sein Solargenerator sowohl Wärme als auch Licht in Strom umwandelt. Ein thermophotovoltaischer Generator deckt nicht nur den infraroten Teil des Sonnenspektrums ab - er passt auch zum direkten Spektrum einer brennenden Flamme oder einer rotglühenden Oberfläche, die durch brennendes Holz oder Erdgas erhitzt wird. Er wandelt auch den unteren Teil des sichtbaren Spektrums in Strom um, wenn auch sehr ineffizient.

Laut Philip Pesavento gelang es Cove dann, die Zusammensetzung der Legierung bis auf Zn4Sb3 zu verfeinern - eine Zink-Antimon-Legierung mit einem Verhältnis von 4 Teilen Zink zu 6 Teilen Antimon. Wie wir heute wissen, ist dies ebenfalls ein Halbleiter. Allerdings hat diese Legierung eine Bandlücke von 1,2 eV - sehr nahe an der Bandlücke von Silizium (1,1 eV). Folglich wurde aus dem thermophotovoltaischen Generator ein rein photovoltaischer Generator:

“In seinem Enthusiasmus hat Cove wahrscheinlich eine größere Anzahl von Steckern hergestellt und bei einer Charge irgendwie die Proportionen “falsch” bemessen. Er hat dann eine noch größere Spannung gemessen. Schließlich untersuchte er sorgfältig die Zink-Antimon-Legierungen und stellte fest, dass die Zinklegierung mit einem Anteil von 40-42 % die höchste Spannung ergab (im Vergleich zu 35 % Zink in ZnSb). Nachdem er - zufällig - Zn4Sb3 entdeckt hatte, führte die höhere Bandlücke dieses Halbleiters dazu, dass er nicht mehr funktionierte, wenn er der Hitze eines Holzofens ausgesetzt war. Er funktionierte jedoch umso besser, wenn er der Sonnenenergie ausgesetzt war, da er nun einen viel größeren Teil des sichtbaren Spektrums des Sonnenlichts effizient in Strom umwandelte.

Mit Hilfe von Farbglasfiltern stellte George Cove fest, dass der größte Teil der Reaktion auf das violette Ende des Spektrums entfiel und nur wenig auf die so genannten Wärmestrahlen. Seine früheren PV-Stecker hatten gleich gut auf Wärmestrahlen und violette Strahlen reagiert, während die älteren thermoelektrischen Generatoren (Neusilber an beiden Seiten) überhaupt nicht auf die violetten Strahlen reagierten.

Zurück zur Schottky Solarzelle?

Solarzellen mit Schottky-Übergang haben bei Forschern und Unternehmen nur wenig Aufmerksamkeit erregt - nur wenige Entwürfe für Solarzellen verwenden Metalle im aktiven Bereich, außer für Kontakte. ²² Philip Pesavento ist jedoch der Ansicht, dass es sich lohnen würde, auch Schottky-Solarzellen nach dem Entwurf von Cove herzustellen:

“Wenn nachgewiesen werden kann, dass Zn4Sb3 (Bandlücke 1,2 eV) in einer photovoltaischen Zelle verwendet werden kann, besteht eine gute Chance, dass eine solche Solarzellenkonstruktion nachhaltig ist. Sie wäre ein guter Kandidat für einen hohen Erntefaktor (Energy Returned on Energy Invested - EROI) und hätte eine akzeptabel lange Lebensdauer mit einem Energieüberschuss von mehreren Jahrzehnten. Es ist erstaunlich, dass alle dieses Material und seine Anwendung in Photovoltaikzellen übersehen zu haben scheinen und dass keine Entwicklung stattgefunden hat - selbst nachdem Forscher es Anfang bis Mitte der 1980er Jahre kurz als mögliche Option erkannt hatten. Insofern passt es in die Kategorie einer verfrühten Entdeckung, was auch bedeuten sollte, dass es in der heutigen Zeit sehr schnell entwickelt werden könnte.”

Abgesehen von der Photovoltaik sieht Philip Pesavento ein Potenzial in der Thermophotovoltaik für Holzöfen, in der Solarthermie oder in Tandemanwendungen mit zwei Anschlüssen, bei denen ZnSb anstelle von Zn4Sb3 verwendet wird. Wenn sich die Plug-Type-Solarzellen als wirksam erweisen, könnten seiner Meinung nach auch Solarkollektoren mit Linienkonzentratoren - wie Parabolrinnen oder Compound Parabolic-Konzentratoren - zu deutlich geringeren Kosten gebaut werden.

Low-tech-Herstellung

Der Hauptvorteil des Designs von Cove liegt in der einfachen Herstellung. In den 1970er und 1980er Jahren untersuchten Wissenschaftler Zn4Sb3 für den Einsatz in der Photovoltaik und kamen zum Schluss, dass die “offensichtlichen Vorteile des Materials in der offensichtlichen Einfachheit und der relativ niedrigen Temperatur des Herstellungsverfahrens liegen.” ²³ Der Schmelzpunkt von Zn4Sb3 liegt bei 570 Grad Celsius, während er bei Silizium 1.400 Grad beträgt.

In den 1970er Jahren untersuchten Forscher Metall-Halbleiter-Solarzellen auf der Grundlage anderer Halbleitertypen als Zn4Sb3. Auch hier war ihre Motivation das einfache und kostengünstige Herstellungsverfahren im Vergleich zu den Silizium-Solarzellen mit p-n-Übergang der damaligen Zeit. ²⁴ ²⁵ Schottky-Zellen erfordern keinen Hochtemperatur-Phosphor-Diffusionsschritt, durch den die n-Schicht des p-n-Übergangs in Silizium heute üblicherweise erzeugt wird. Allein dadurch wird der Energieaufwand für die Herstellung von Solarzellen um 35 % reduziert. ²²

In den 1980er Jahren erzielten die Forscher wichtige Fortschritte bei den p-n-Übergängen aus Silizium, und das Interesse an alternativen Lösungen ließ nach. In den letzten Jahren ist dieses Interesse jedoch wieder erwacht. So kommen beispielsweise Forschungen zu Graphen/Silizium-Schottky-Solarzellen zu dem Schluss, dass “die einfache und kostengünstige Herstellung der Geräte, die keine hohen Temperaturen erfordert, einer der Vorteile ist.” ²⁶ In anderen neueren Studien kommen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass “Selen-Bauelemente vom Schottky-Typ … extrem einfach und kostengünstig herzustellen sind”. ²⁷²⁸²⁹³⁰

Einfachere Wiederverwertung

Ein weiterer Vorteil von Schottky-Solarzellen könnte das einfachere Recycling sein. Siliziummodule sind zwischen zwei laminierten Verkapselungsschichten eingebettet (in der Regel EVA, ein Ethylen-Vinylacetat-Copolymer). Diese Schichten sind entscheidend für die Lebensdauer der Module. ¹ ² ³ Um das Silizium - den wertvollsten Bestandteil eines Solarmoduls - zu recyceln, müssen diese Schichten abgetrennt werden, aber wenn man sie verbrennt werden die Module ebenfalls zerstört. Siliziumzellen können nur durch eine Kombination aus thermischen, chemischen und metallurgischen Schritten recycelt werden. Das ist ein teurer Prozess mit Auswirkungen auf die Umwelt. Es gibt zwar Angaben, wonach etwa 10 % der Solarmodule “recycelt” werden, doch handelt es sich dabei eher um ein “Downcycling”. Die Module werden zerkleinert, und das dabei entstehende Material wird als Füllstoff in der Asphalt- und Zementindustrie verwendet.

Die von George Cove gebauten Solarzellen waren dagegen vollständig recycelbar. Sie benötigten keine Schutzschicht und enthielten nicht einmal Lötzinn. Philip Pesavento:

“Wenn man die Zellen genau so bauen würde wie Cove, indem man die Kappen einpresst und sie dann mit Draht umwickelt, um sie dicht zu halten, wären sie auch einfacher zu recyceln, da es sich um einen rein mechanischen Vorgang handelt, bei dem keine Chemikalien eingesetzt werden müssen. Es wäre zwar arbeitsintensiv, sie zusammenzusetzen und wieder zu zerlegen, aber es könnte auch automatisiert werden.”

Pesavento glaubt, dass es auch möglich ist, flache Solarzellen aus dem Cove-Material herzustellen. Ob diese jedoch eine Schutzschicht benötigen, die das Recycling behindert, bleibt abzuwarten. In den 1970er Jahren benötigten Schottky-Solarzellen aus anderen Materialien, um eine Lebensdauer von über 20 Jahren zu erreichen, nicht immer eine Schutzschicht. ²⁴

Effizienz

Wenn wir mehr Low-Tech-Solarzellen bauen könnten, wie effizient könnten wir sie dann machen? Laut Philip Pesavento sind Schottky-Zellen bei gleichem Material etwas weniger effizient als p-n-Übergänge, da p-n-Übergänge eine höhere Spannung erzeugen - sie erhalten mehr Energie aus den Photonen, die sie absorbieren.

“Wenn jedes Quäntchen Effizienz zählt, macht man das. Wenn es darum geht, die Herstellung von Solarzellen mit manuellen oder handwerklichen Methoden zu erleichtern, wäre die Schottky-Diode die logischere Wahl.”

Andererseits könnte es möglich sein, Schottky-Zellen dünner als Silizium-Solarzellen zu bauen - und das würde ihre Effizienz erhöhen. Philip Pesavento:

“Ich habe die spezifischen Zahlen für die Parameter - Ladungsträgergeschwindigkeit, Rekombinationslebensdauer, Absorptionskoeffizient - nicht gefunden, um dies eindeutig sagen zu können. Aber die Tatsache, dass Cove so lange, dünne Zellen hergestellt und so hohe Wirkungsgrade erzielt hat, ist ein gutes Zeichen dafür, dass sich dünnere Zellen herstellen lassen.

Jüngste Forschungsarbeiten zu Schottky-Zellen aus anderen Materialien scheinen dies zu bestätigen. So konnte bei jüngsten Experimenten mit Schottky-Selen-Zellen die Schichtdicke auf nur 100 µm reduziert werden, während sie bei Siliziumzellen zwischen 200 und 500 µm beträgt. ²⁷ ³¹ Die Wissenschaftler erreichten auch einen experimentellen Wirkungsgrad von 17 % für eine Graphen/Silizium-Schottky-Zelle, der zehn Jahre zuvor noch bei 1,5 % lag. ²⁶

Wir können auch die derzeitige Besessenheit von höheren Wirkungsgraden in Frage stellen. Viele werden argumentieren, dass wir mehr Solarmodule benötigen würden, um die gleiche Leistung zu erzielen, wenn die Low-Tech-Solarmodule weniger effizient sind. Folglich würden die durch Low-Tech-Produktionsmethoden eingesparten Ressourcen durch die zusätzlichen Ressourcen für den Bau von mehr Solarzellen kompensiert. Die Effizienz ist jedoch nur dann entscheidend, wenn wir den Energiebedarf als gegeben ansehen. Ein Rückgang der Effizienz kann ebenso gut durch eine Senkung der Energienachfrage kompensiert werden, insbesondere wenn dies zu mehr Nachhaltigkeit und einem geringeren Ressourcenverbrauch in der gesamten Lieferkette führt. Wie bei den Windturbinen kann der Verzicht auf ein gewisses Maß an Effizienz einen großen Gewinn an Nachhaltigkeit bedeuten.

Was geschah mit George Cove?

Wenn das Solarpanel von Cove so revolutionär war, warum wurde es dann vergessen? Zu dieser Frage liest sich das Forschungsmaterial von Philip Pesavento wie ein Kriminalroman. Cove’s Versuch, sein Solarenergiegerät zu produzieren und zu vermarkten, scheiterte auf mysteriöse Weise.

Der Erfinder ließ sich mit einem Aktienmanipulator ein, Elmer Burlingame, der in den Jahren 1909 und 1910 Aktien von Unternehmen ausgab, die ihm nicht gehörten, darunter auch die von Cove gegründete Sun Electric Generator Company. Im Oktober 1909 wurde Cove angeblich entführt und es wurde ihm mit dem Tod gedroht, falls er die Entwicklung seiner Solarerfindung nicht einstellen würde. Die Polizei hielt die Entführung von Cove jedoch für einen Scherz. Im Jahr 1911 wurden sowohl Cove als auch Burlingame wegen Aktienbetrugs verhaftet und

Erfindungen arbeitete, hatte keine davon etwas mit Solarenergie zu tun. ³²

Im Oktober 1909 wurde Cove angeblich entführt und es wurde ihm mit dem Tod gedroht, falls er die Entwicklung seiner Solarerfindung nicht einstellen würde.

War George Cove ein Scharlatan? War er das Opfer eines solchen? Oder wurde sein Ruf zerstört, weil der Solarstromgenerator die Interessen anderer Unternehmen bedrohte? Es gibt viele historische Beispiele für die Unterdrückung technologischer Innovationen durch große US-Konzerne. George Cove war im gleichen Zeitraum wie die Edison Electric Illuminating Company of New York tätig, deren skrupellose Praktiken gegen Konkurrenten gut dokumentiert sind. Wenn Cove’s Solarstromgenerator funktioniert hätte, hätte das die wachsende Nachfrage nach Edisons Kohle- und Ölkraftwerken verringern können. [Zuvor, in den 1880er Jahren, hatte Edison das Unternehmen gekauft, das den damals besten thermoelektrischen Generator herstellte - Clamonds’s Improved Thermopile - und anschließend die Entwicklung der Maschinen eingestellt. ³³

Noch mehr Rätsel

Es ist zwar verlockend, George Cove als Opfer zu sehen, aber wir können nur spekulieren. Philip Pesaventos Archivmaterial enthält weitere Rätsel, wie etwa Cove’s Patent - 1905 beantragt, 1906 erteilt. In seinem Patent beschreibt der Erfinder die Herstellung seiner Zn4Sb3-Stecker im Detail, was Pesavento half, die Leistung und den Wirkungsgrad der Solarzellen zu berechnen. Allerdings beschreibt Cove diese Stecker für die Umwandlung von Wärme aus einem Holzofen in Elektrizität, was mit seiner Materialwahl nicht vereinbar ist. Damit der Ofengenerator funktioniert, benötigt er ZnSb-Stecker mit einer Bandlücke von 0,5 eV. Philip Pesavento:

“War dies eine Irreführung seitens Cove, um zu verhindern, dass Leute sein Herdpatent kopieren und es zum Laufen bringen? Ich weiß es nicht.”

Noch überraschender ist, dass ein Bild, das Cove neben einem seiner Solarmodule zeigt, auch in John Perlins 2013 erschienenem historischen Überblick über die Solarenergie Let It Shine: The 6,000-Year Story of Solar Energy zu finden ist. Das Solarpanel auf dem Bild wird jedoch Charles Fritts zugeschrieben, dem Erfinder der Selen-Solarzelle. Außerdem ist George Cove selbst nicht mehr auf dem Bild zu sehen. Auszüge aus dem Buch sowie das Foto sind auf mehreren Websites erschienen (https://www.smithsonianmag.com/sponsored/brief-history-solar-panels-180972006/). Philip Pesavento war nicht überrascht, als ich mich wieder meldete:

“Ich habe diese Entdeckung vor einigen Jahren gemacht. Ich vermute, dass jemand dringend ein Bild der Fritts’schen Solarpaneele brauchte, dieses Bild fand und dann George Cove mit einer Fotobearbeitung daraus entfernte. Schließlich ist Cove völlig unbekannt, und wenn er überhaupt Einigen bekannt ist, soll er einen thermoelektrischen Solargenerator erfunden haben, keine PV-Solarzellen. Wenn man sich die beiden Fotos genau ansieht, erkennt man, dass der obere Teil des rechten Säulengangs hinter ihm ausgeschnitten und an die Stelle geklebt wurde, an der Cove gestanden hatte, und dass die Perspektive nicht ganz stimmt.”

Update: Bellingcat hat das Geheimnis des Bildes gelüftet.

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩︎ ↩︎
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Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. ↩︎
Extrapolating from the performance of the next panel, we can guess that this one had a power output of about 25W and just under 3% efficiency. ↩︎
Cove claimed to have built an even larger panel of 9 m2, but no image has survived. It was said to have had a power output of 768 watt at 8% efficiency assuming 100 W/ft2 solar insolation. This array consisted of 8 panels with a total of 14,432 plugs. ↩︎
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩︎
Why don’t we use conductors for solar panels? When light hits a conductor surface it mostly reflects, and little or no energy is absorbed. Furthermore, in conductors, the free electrons move randomly, there is no flow of current, no directional capacity. ↩︎
Cove was not the first, though. Charles Fritts’ solar cell was also based on a Schottky junction. ↩︎
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩︎ ↩︎
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩︎
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Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩︎ ↩︎
Selenium can be deposited by thermal evaporation at only 200°C. This temperature is within easy reach of solar thermal technologies, which means that in principle these processes could be run by direct use of solar energy. ↩︎
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩︎
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More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. ↩︎

Die Neuerfindung der Windkraftanlage

Sun, 02 Jun 2019 00:00:00 +0000

Eine kleine Windkraftanlage mit Flügeln und Turm aus Holz. Bild: InnoVentum.

Viele handelsübliche Windkraftanlagen mit Kunststoffblättern und Stahltürmen sind berüchtigt für ihre geringe Zuverlässigkeit, hohe Graue Energie und begrenzte Leistung. Mit Holzbauweise kann man diese Probleme angehen.

Aufgrund ihres ästhetischen Reizes und dank der Möglichkeit, sie vor Ort zu produzieren, können kleine Windkraftanlagen aus Holz auch die öffentliche Akzeptanz der Windenergie verbessern. Darüber hinaus erleichtern Innovationen im Turmbau die Installation von Windkraftanlagen, da sie den Bedarf an Betonfundamenten und schweren Maschinen verringern.

Niedrige Leistung

Tests haben gezeigt, dass viele handelsübliche Windkraftanlagen über ihre Lebensdauer hinweg nicht immer genügend Strom erzeugen, um die Energie, die zu ihrer Herstellung benötigt wurde, zu kompensieren.

Es gibt drei Gründe, warum das so ist. Erstens sind da die Gesetze der Physik. Die Energieausbeute einer Windkraftanlage steigt schneller als ihre Höhe und Rotorgröße, was bedeutet, dass, wenn eine Windkraftanlage kleiner wird, ihre Leistungsabgabe überproportional abnimmt.

Zweitens werden die Rotorblätter von Windkraftanlagen üblicherweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, dessen Herstellung energieintensiv ist (und der unmöglich recycelt werden kann). Diese Energie muss während der Lebensdauer der Windkraftanlage “zurückbezahlt” werden, was bei Maschinen mit kleinen Rotordurchmessern eine Herausforderung sein kann.

Drittens hängt die Wartung von Windkraftanlagen von der Fähigkeit des Herstellers ab, im Geschäft zu bleiben und seine Kunden mit Ersatzteilen zu versorgen. Im Gegensatz zu Solarzellen haben Windkraftanlagen viele bewegliche Teile und sind daher eher reparaturanfällig. Dazu kommt, dass die Lieferanten von Windkraftanlagen manchmal eine noch kürzere Lebenserwartung haben als ihre Produkte. ¹

Handgeschnitzte Rotorblätter

Die Gesetze der Physik lassen sich nicht ändern, aber sie allein hindern Windkraftanlagen nicht daran, wirtschaftlich und nachhaltig zu sein. Es sind die beiden anderen Faktoren, die entscheidend sind, und diese können angegangen werden. Tatsächlich werden sie seit mehr als zwei Jahrzehnten vom schottischen Ingenieur Hugh Piggott angegangen, der kleine 1-2 kW-Windkraftanlagen mit 2-4 Meter Rotordurchmesser unter Verwendung von massiven Holzblättern baut. ²

Bild: Handgeschnitzte Rotorblätter. Quelle: [^5]

Es braucht einfache Fähigkeiten zur Holzbearbeitung die Rotoren vor Ort mit einfachen Werkzeugen handzuschnitzen. Anders als bei Glasfaserflügeln wird für die Herstellung wenig oder gar keine Energie verbraucht. Dies erhöht die Chance, dass die Windkraftanlage während ihrer Lebensdauer mehr Energie produziert, als zu ihrer Herstellung benötigt wurde.

Entgegen dem üblichen Fokus auf Effizienz wird bei Piggotts Windkraftanlagen die Spitzenleistung verringert – zugunsten eines zuverlässigeren Betriebs. Die Maschinen verwenden eine Regelung, die die Turbinenleistung bei Winden von 8 m/s (Beaufort 5) begrenzt, während die meisten kommerziellen Modelle bei höheren Windgeschwindigkeiten weiterarbeiten. Das erhöht die Zuverlässigkeit, denn je schneller die Maschine dreht, desto schneller verschleißen ihre Teile. ³

Lokale Herstellung

Ein Vergleich von Piggotts Windkraftanlagen mit kommerziell erhältlichen Modellen ergab, dass der erhöhte Energieertrag, den letztere bei Windgeschwindigkeiten über 8 m/s erzeugen, größtenteils vergeudet wird, da der Großteil der zusätzlichen Leistung erzeugt wird, wenn die Batterien bereits voll sind. Die Studie ergab auch, dass Piggotts Design etwa 20 % billiger ist, wenn man sowohl die Kapital- als auch die Betriebskosten berücksichtigt. ³

Bild: Windturbine aus Holz in Nepal. Quelle: [^5]

Piggott’s Open-Source-Design hat Tausende von kleinen DIY-Windkraftanlagen auf der ganzen Welt hervorgebracht. Es liegt auch mehreren windbasierten ländlichen Elektrifizierungsinitiativen in der Mongolei, Nepal, Peru und Nicaragua zugrunde. ⁴⁵⁶⁷ In “Entwicklungsländern” bietet die Möglichkeit, die Turbinen vor Ort herzustellen und zu warten, gegenüber der Verwendung kommerzieller Windkraftanlagen oder Solarpaneele einen großen Vorteil.

Kommerzielle Windkraftanlagen mit Holz-Rotoren

Die Verwendung von Massivholzblättern, einst üblich für kleinere Windmühlen und Windturbinen, ist in letzter Zeit wieder auf Interesse gestoßen. [^8][^9] Am bemerkenswertesten ist die Erfolgsgeschichte des niederländischen Unternehmens EAZ Wind, das 2014 von vier jungen Windsurfern gegründet wurde. Die Firma, die mittlerweile über 40 Mitarbeiter hat, verkauft Windräder mit massiven Holzblättern an Bauernhöfe und Energiegenossenschaften in der Region. Mit einem Rotordurchmesser von 12 Metern und einer Leistung von 10 kW sind die Anlagen etwa fünfmal so groß wie Piggott’s Maschinen.

Bild: Windkraftanlage mit Holz-Rotoren, von EAZ Wind hergestellt.

Die Rotoren werden aus massiven Holzbalken hergestellt, die miteinander verleimt und dann geschliffen werden, um die richtige Form zu erhalten. Anschließend werden sie mit einer Epoxidbeschichtung überzogen, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen, während die spitz zulaufende Seite des Flügels einen Streifen aus glasfaserverstärktem Kunststoff erhält, um sie haltbarer zu machen. Nach Angaben des Herstellers produzieren die Windturbinen – installiert auf 15 m hohen Türmen – etwa 30.000 kWh Strom pro Jahr, was dem Stromverbrauch von zehn niederländischen Haushalten entspricht. Eine Maschine wird für 46.000 Euro verkauft, was sie billiger macht als eine Solar-PV-Anlage (4.600 Euro pro Haushalt, oder weniger als die Hälfte des Preises einer Solar-PV-Anlage). Die Amortisationszeit - in den windigen nördlichen Niederlanden - beträgt 7 bis 10 Jahre.

Akzeptanz in der Öffentlichkeit

Interessanterweise ist die Entscheidung von EAZ Wind für Holz-Rotoren nicht vom Ziel geleitet, die graue Energie der Windturbine zu senken. Vielmehr setzt sich das Unternehmen das Ziel, das Land – insbesondere Bauernhöfe, aber auch kleine Dörfer – in Bezug auf die Stromerzeugung autark zu machen, indem man schönere und lokal produzierte Windturbinen entwirft, über die sich die Menschen nicht beschweren. Wie in vielen anderen Ländern stoßen große Windkraftanlagen - und die dazugehörigen Übertragungsleitungen – auch in den Niederlanden auf viel Widerstand bei den Anwohnern.

Bild: Eine Windkraftanlage mit Rotoren aus Holz wird installiert. Bild: EAZ Wind.

Der Ansatz scheint zu funktionieren. Wenn ein Betrieb eine Windturbine installiert, sind seine Nachbarn meist die nächsten Kunden. EAZ Wind hat inzwischen mehr als 400 Windkraftanlagen verkauft. Die öffentliche Akzeptanz der Windkraft scheint durch zwei Faktoren begünstigt zu werden. Erstens sehen Windkraftanlagen mit Holzflügeln natürlicher aus, das erhöht ihren ästhetischen Reiz. Zweitens werden die Anlagen vor Ort produziert, was bedeutet, dass der Kauf einer Windkraftanlage die lokale Wirtschaft unterstützt. Das Holz für die Flügel kommt aus einer nahe gelegenen Provinz und wird von Unternehmen in der Region verarbeitet.

Türme aus Holz

Die Turbinen von EAZ Wind haben Holzblätter, aber Stahltürme. Einen anderen Ansatz verfolgt das schwedische Unternehmen InnoVentum: Seine Windturbinen haben einen Holzturm, während die Flügel aus Kunststoff gefertigt sind. Die 12 m oder 20 m hohen Türme haben ein einzigartiges Design, das aus kleinen Holzmodulen besteht, die in wenigen Stunden am Boden zusammengeschraubt werden können.

Bild: Der hölzerne Windradturm von InnoVentum.

Die mehrbeinigen Türme benötigen keinen oder viel weniger Beton für ihre Fundamente und sie können ohne den Einsatz eines Krans errichtet werden, stattdessen werden ein Seil und eine Winde verwendet. Rund fünfzehn Anlagen wurden seit 2012 installiert. Wie EAZ Wind will das Unternehmen eine neue Stufe ästhetischer Qualität erreichen, die dazu beitragen kann, die Akzeptanz von Windkraftanlagen zu erhöhen.

Bild: Der hölzerne Windradturm von InnoVentum.

Natürlich könnten beide Ansätze kombiniert werden, was zu kleinen Windturbinen mit hölzernen Flügeln, Turm und anderen Bauteilen führen würde. Eine kleine Windturbine, die fast vollständig aus Holz gebaut ist - abzüglich des Getriebes und des Generators – verringert die Energie, die zu ihrer Herstellung benötigt wird, weiter und macht sie so über ihre gesamte Lebensdauer hinweg wirtschaftlicher und nachhaltiger. In Bezug auf die Kohlenstoffemissionen kann eine Kleinwindkraftanlage aus Holz sogar als Kohlenstoffsenke betrachtet werden, da das Holz CO2 bindet, das die Bäume der Atmosphäre entzogen haben.

Kombination von Wind- und Solarenergie

Die neuesten Produkte sowohl von EAZ Wind als auch von InnoVentum fügen an der Basis der Struktur Solarmodule an. Da die Windturbine und das Solar-PV-System dieselbe Tragstruktur, das selbe elektrische System und denselben Energiespeicher nutzen können, spart dieser Ansatz Geld und Ressourcen. Die Kombination von Solar- und Windkraftanlagen erhöht außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass zu jeder Zeit ausreichend Strom produziert wird, was den Bedarf an Energiespeichern reduziert: das ist der am wenigsten nachhaltige Teil bei der netzunabhängigen Stromerzeugung.

Bild: InnoVentum.

Im Hybridmodell Solar-Wind von EAZ Wind ist die Leistung der Windturbine doppelt so hoch wie die Leistung der Solar-PV-Paneele, was das lokale Klima widerspiegelt (windig, aber nicht sehr sonnig). Durch die Hinzunahme der Solarpaneele erhöht sich der Stromertrag auf 45.000 kWh pro Jahr, was dem Strombedarf von 14 niederländischen Haushalten entspricht. Die Verwendung von Solarmodulen erhöht jedoch die graue Energie des Systems beträchtlich, so dass es möglicherweise keine Kohlenstoffsenke mehr ist.

Bild: InnoVentum.

Dezentrale Energieerzeugung

Kleine Windkraftanlagen aus Holz bieten weitere Vorteile, die allen dezentralen Energiequellen eigen sind. Die Tatsache, dass sie von den Menschen bezahlt werden, die auch ihre Vorteile genießen, erhöht ihre öffentliche Akzeptanz. Außerdem machen sie Übertragungsleitungen überflüssig, und je mehr Strom vor Ort produziert und genutzt wird, desto einfacher ist es, den schlecht vorhersagbaren Windstrom in das zentrale Netz zu bringen. Nicht zuletzt fördert die Verbindung zwischen Energienutzung und -nachfrage [eine energieärmere Lebensweise] ((https://qelnixcor.cloud/de/2018/12/keeping-some-of-the-lights-on-redefining-energy-security/). ).

Kostakis, Vasilis, et al. “The convergence of digital commons with local manufacturing from a degrowth perspective: two illustrative cases .” Journal of Cleaner Production 197 (2018): 1684-1693. ↩︎
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Sinha, Rakesh, et al. “Selection of Nepalese timber for small wind turbine blade construction.” Wind Engineering 34.3 (2010): 263-276. ↩︎