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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.

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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. ↩︎
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Wie man wieder nachhaltig Energie aus Biomasse bekommt

Sun, 20 Sep 2020 00:00:00 +0000

Abbildung: Kopfbäume in Deutschland. Bild: René Schröder (CC BY-SA 4.0).

Wie soll das Fällen von Bäumen nachhaltig sein?

Das Befürworten von Biomasse als erneuerbare Energiequelle, welche fossile Brennstoffe ersetzen soll, ist ein umstrittenes und kontroverses Thema unter Umweltschützern geworden. Die Kommentare unter dem letzten Artikel, welcher die Nutzung thermoelektrischer Öfen als Inhalt hatte, illustrieren dies gut:

“Wie der neue Film ‘Planet of the Humans’ gezeigt hat, ist Biomasse - auch genannt: tote Bäume - überhaupt keine erneuerbare Energiequelle, auch wenn die EU diese als solche deklariert.”
“Wie soll das Fällen von Bäumen nachhaltig sein?”
“Der Artikel versäumt es anzumerken, dass ein Holzofen mehr CO2 produziert als ein Kohlekraftwerk für jede Tonne Holz/Kohle, die verbrennt wird.”
“Das ist purer Wahnsinn. Bäume zu verbrennen um unseren CO2-Fußabdruck zu reduzieren ist ein Oxymoron.”
“Nur der CO2-Fußabdruck für sich ist schon entsetzlich.”
“Das größte Problem daran, etwas zu verbrennen, ist: Einmal verbrannt, ist es für immer weg.”
“Die einzige naive Frage die ich zu diesem lächerlichen Artikel hinzufügen kann ist: Wo soll all das Holz herkommen?”

Anders als die Kommentare vermuten lassen, versucht der Artikel nicht zu befürworten, Biomasse als Energiequelle weiter auszubauen. Stattdessen legt er dar, dass bereits brennende Biomassefeuer - benutzt von rund 40% der heutigen Weltbevölkerung - Elektrizität als Nebenprodukt produzieren könnten, sofern sie mit thermoelektrischen Modulen ausgerüstet würden.

Gleichwohl sind mehrere Kommentatoren bei ihrer Kritik geblieben, nachdem sie den Artikel nochmal genauer gelesen hatten. Einer von ihnen schrieb: “Wir sollten versuchen das Verbrennen von Biomasse weltweit zu beseitigen, anstatt es attraktiver zu machen.”

Scheinbar hat sich die Hightechdenkweise in den Köpfen (urbaner) Umweltschützer so weit ausgebreitet, dass sie Biomasse als inhärent bedenkliche Energiequelle ansehen - ähnlich wie fossile Brennstoffe. Nur damit keine Missverständnisse aufkommen, die Kritiker sind durchaus im Recht nicht nachhaltige Praktiken in der Biomasseproduktion anzuprangern. Diese sind aber das Ergebnis eines relativ jungen, “industriellen” Ansatzes der Forstwirtschaft. Wenn wir hingegen historische Praktiken in der Forstwirtschaft betrachten, sehen wir, dass Biomasse potentiell eine der nachhaltigsten Energiequellen auf diesem Planeten ist.

Der Niederwald: Holz ernten, ohne Bäume zu töten

Heutzutage wird das meiste Holz geerntet, indem Bäume getötet werden. Vor der industriellen Revolution wurde viel Holz von lebenden Bäumen geerntet, indem diese geschneitelt wurden. Das Prinzip hinter der Schneitelung basiert auf der natürlichen Fähigkeit von vielen Laubbaumarten aus beschädigten Stämmen oder Wurzeln neu auszutreiben - Schäden wegen Feuer, Wind- oder Schneebruch, Tieren wie Biber, Krankheiten oder (an Hängen) Steinschlag. Forstwirtschaft auf Basis der Schneitelung beinhaltet, Bäume nahe dem Boden abzuschneiden (“Auf den Stock setzen”), welche dann an dem Stumpf (der dann Stock genannt wird) mehrere neue Austriebe entwickelt (der Stockausschlag) und so einen vielstämmigen neuen Baum wachsen lassen. Ein Wald der auf diese Weise gewachsen ist, nennt man Niederwald.

Abbildung: Stockausschlag. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Abbildung: Ein frisch geschneiteltes Stück Eichenwald. Bildquelle: Henk vD. (CC BY-SA 3.0)

Abbildung: Niederwald in Surrey, England. Bildquelle: Martinvl (CC BY-SA 4.0)

Wenn wir an forstwirtschaftlich genutzte Wälder denken, stellen wir uns einen Wald mit dicht gestellten, hohen Bäumen vor. Allerdings waren, bis zum Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts, mindestens die Hälfte der Wälder in Europa Niederwälder, mit einem eher buschartigem Erscheinungsbild. ¹ Das Schneiteln von Bäumen kann man bis in die Steinzeit zurück verfolgen, als Menschen Pfahlbauten und Holzstege quer durch prähistorische Moorlandschaften errichteten und dabei tausende Äste und Stämme gleicher Größe benutzten - etwas das man nur mit Niederwald erreichen kann ²

Karten: Die ungefähre historische Ausbreitung von Niederwäldern in der Tschechischen Republik (oben) und Spanien (unten). Quelle: \"Coppice forests in Europe\", siehe [^1]

Seitdem war diese Technik die Standardvorgehensweise um Holz zu produzieren - nicht nur in Europa, sondern praktisch auf der ganzen Welt. Während dem 18. und 19. Jahrhundert breiteten sich, mit dem Beginn industrieller Aktivitäten (Glas-, Eisen-, Ziegel und Kalkproduktion) und dem damit verbundenen steigenden Druck auf die Holzreserven, Niederwälder stark aus.

Kurze Erntezyklen

Weil die jungen Triebe des Stockausschlags auf ein bereits gut ausgebildetes Wurzelsystem zurück greifen können, produziert Niederwald Holz schneller als einzelne, hohe aus Kernwuchs gewachsene Stämme. Beziehungsweise etwas genauer: Obwohl die Effizienz der Photosynthese gleich ist, produziert ein hoher Stamm mehr Biomasse unter dem Boden (in den Wurzeln), während ein geschneitelter Baum mehr Biomasse über dem Boden produziert (im Stockausschlag) - was offensichtlich sinnvoller für die Ernte ist. ³ Auch deswegen wurden beim Schneiteln für gewöhnlich kurze Erntezyklen benutzt, meist zwischen zwei und vier Jahren, wobei auch jährliche Ernten und Zyklen bis zu 12 Jahren vorgekommen sind.

Bilder: Niederwald mit unterschiedlichen Erntezyklen. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Aufgrund dieser kurzen Zyklen war Niederwald eine sehr schnelle, regelmäßige und verlässliche Quelle von Feuerholz. Oft wurde er in die gleiche Anzahl an Parzellen geteilt, wie die vorgesehenen Jahre des Erntezyklus. Falls zum Beispiel alle drei Jahre Holz geerntet werden soll, wurde der (Nieder-)Wald in drei Teile geteilt, von denen einer jedes Jahr abgeerntet (geschneitelt) wurde. Kurze Erntezyklen bedeuteten auch, dass es nur wenige Jahre benötigt hat um das CO2, welches beim Verbrennen des Holzes frei wird, mit dem vom neu wachsenden Holz aufgenommenem CO2 zu kompensieren, wodurch der Niederwald tatsächlich klimaneutral wurde. In sehr kurzen Zyklen konnte das neue Holz bereits geerntet werden, wenn die letzte Ernte gerade trocken genug für den Ofen geworden ist.

Manche Baumarten verlieren ihre Regenerationsfähigkeit am Stock mit dem Alter. Nach mehreren Ernten konnten diese Bäume entweder komplett gefällt und durch einen neuen Baum ersetzt, oder zu einem Niederwald mit längerem Erntezyklus gemacht werden. Andere Baumarten behalten ihre Fähigkeit zum Stockausschlag ihr ganzes Leben und können so für Jahrhunderte, vor allem auf guten Böden und mit guter Bewässerung, Triebe zur Verfügung stellen. Lebende Stöcke können über 1.000 Jahre alt werden.

Biodiversität

Ein Niederwald könnte als “Wald” oder “Plantage” bezeichnet werden, aber tatsächlich ist es weder noch - eher irgendetwas dazwischen. Obwohl sie von Menschen bewirtschaftet werden, sind Niederwälder nicht umweltunverträglich. Ganz im Gegenteil: Das Ernten von Holz von lebenden Bäumen anstelle vom Fällen und damit Töten der Bäume ist nützlich für die Lebensformen, die von den Bäumen abhängen. Niederwälder können eine höhere Biodiversität haben als unbewirtschaftete Wälder, da sie stets Bereiche unterschiedlicher Stufen von Licht und Entwicklung haben. Nichts davon trifft auf industrielle Holzplantagen zu, welche wenig bis gar keine anderen Pflanzen oder Tiere beheimaten können und lange Erntezyklen von mindestens zwanzig Jahren haben.

Abbildung: Niederwald in den Niederlanden. Bildquelle: K. Vliet (CC BY-SA 4.0)

Abbildung: Niederwald aus Edelkastanien im Flexham Park, Sussex, England. Bildquelle: Charlesdrakew, public domain.

Unsere Vorfahren haben ebenfalls einzelne, hohe Stämme mit großem Stammumfang gefällt - nur eben nicht für Feuerholz. Hohe Stämme wurden nur “getötet”, wenn großes Bauholz notwendig war, z.B. für den Bau von Schiffen, Gebäuden, Brücken oder Windmühlen. ⁴ Es gab auch Niederwälder, in denen man einzelne, hohe Stämme mehrere Jahrzehnte alt werden ließ, während das umgebende Unterholz des Niederwalds regelmäßig geerntet wurde (ein sogenannter “Mittelwald”, eine Mischung aus Niederwald und Hochwald). Allerdings konnten auch diese einzelnen, hohen Stämme teilweise geschneitelt werden, zum Beispiel indem die Seitenäste geerntet wurden, während sie noch am Leben waren (Astschneiteln).

Mehrzweckbäume

Die archetypische Holzplantage, angepriesen von der industriellen Welt, beinhaltet regelmäßig angeordnete Reihen von Bäumen gleichen Alters in Monokultur, mit einem einzigen Endprodukt - Bauholz, Papierholz oder Brennholz. Im Gegensatz dazu hatten geschneitelte Bäume in vorindustriellen Niederwäldern mehrere Zwecke. Sie lieferten Brennholz, aber auch Bauholz und Tierfutter.

Die gewünschte Holzdimension, festgelegt durch die geplante Nutzung der Triebe, legte die Länge des Erntezykluses fest. Und da nicht jede Art von Holz sich für jede Art der Benutzung eignet, bestanden Niederwälder häufig aus mehreren Baumarten unterschiedlichen Alters. Mehrere Altersklassen von Stämmen konnten sogar am gleichen Stock geerntet werden (“selektives Schneiteln”), und auch die Längen der Erntezyklen konnten sich im Laufe der Zeit auch an die Bedürfnisse und Prioritäten der ökonomischen Aktivitäten anpassen.

Abbildung: Ein kleines Waldstück mit einer vielfältigen Mischung aus Niederwald, Kopfbäumen und normalen Stämmen. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Geschneitelte Triebe konnten für beinahe alles verwendet werden, was von einer Gemeinschaft benötigt wurde. ⁵ Junge Weidentriebe zum Beispiel, welche sehr biegsam sind, wurden zu Körben und Kisten geflochten, während Edelkastanienäste für alle Arten von Fässern benutzt wurden, da sich diese nach dem Schnitt weder ausdehnen noch eingehen. Eschen und Palmweiden, mit ihrem geraden, festen Holz wurden für Griffe von Besen, Äxten, Schaufeln, Rechen und anderem Werkzeug benutzt.

Junge Haselnussruten wurden über ihre gesamte Länge gespalten und zwischen die hölzernen Balken von Gebäuden geflochten, um diese dann mit Lehm oder Kuhdung zu verschließen - sogenannte Flechtwerkwände, bzw. Gefach, welches sich später zum Fachwerk weiterentwickelte. Haselnussruten hielten auch Strohdächer zusammen. Erle und Weide, welche beinahe endlose Haltbarkeit unter Wasser haben, wurden als Pfahlfundament oder Flussuferverstärkung benutzt. Das Bauholz, das aus einem Niederwald geerntet wurde, hat nicht seine Energielieferung reduziert, da die gebauten Gegenstände für gewöhnlich lokal benutzt wurden, und am Ende ihrer Lebensdauer immer noch als Feuerholz verbrannt werden konnten.

Abbildung: Astschneiteln für Tierfutter in der Leikanger Kommune, Norwegen. Bildquelle: Leif Hauge. Quelle: [^19]

Niederwälder lieferten auch Nahrung. Auf der einen Seite versorgten sie Menschen mit Früchten, Beeren, Trüffeln, Nüssen, Pilzen, Kräutern, Honig und Wild. Auf der anderen Seite waren sie eine wichtige Quelle von Winterfutter für Nutztiere. Vor der industriellen Revolution wurden viele Schafe und Ziegen mit sogenanntem “Schaflaub”, “Futterlaub”, bzw. “Laubheu” gefüttert - Blätter mit oder ohne Zweige. ⁶

Ulme oder Esche zählten zu den nahrhaftesten Arten, aber Schafe bekamen auch Birke, Haselnuss, Linde, Traubenkirsche und sogar Eiche, während Ziegen auch Erle zugefüttert wurde. In bergigen Regionen wurden auch Pferden, Rindern, Schweinen und Seidenraupen Laubheu gegeben. Futterlaub wurde in Erntezyklen von drei bis sechs Jahren geschnitten, wenn die Zweige das höchste Verhältnis von Laub zu Holz aufweisen. Wenn das Laub von den Tieren gegessen wurde, konnte das verbleibende Holz immer noch verbrannt werden.

Kopfbäume & Hecken

Geschneitelte Stöcke sind vor grasenden Tieren ungeschützt, vor allem wenn der Stockausschlag noch sehr jung ist. Um den Niederwald vor Tieren zu schützen, wurden daher für gewöhnlich Zäune, Hecken oder Gräben um ihn herum angelegt. Im Gegensatz dazu war es mit Kopfbäumen (entstanden durch Kopfschneitelung) möglich, Tiere und Bäume auf der gleichen Fläche zu halten. Kopfbäume werden auch geschneitelt, aber auf einer Höhe von mindestens zwei Metern, um die jungen Triebe außer Reichweite grasender Tiere wachsen zu lassen.

Illustration: Verschiedene Arten der Schneitelung. Bildquelle: Helen J. Read, siehe [^1]

Abbildung: Kopfbäume in Segovia, Spain. Bildquelle: [Ecologistas en Acción](https://www.ecologistasenaccion.org/35724/).

Bewaldete Wiesen und Weiden - ein Mosaik aus Weide und Wald - vereinte das Grasen von Tieren mit der Produktion von Futter, Brennholz und/oder Bauholz mit Kopfbäumen. Bei der “Eichelmast” wurden Schweine im Herbst in einen Kopfbaumwald aus Eichen geschickt, damit sie die heruntergefallenen Eicheln fressen konnten. Dieses System war die Hauptsäule der Schweinefleischproduktion in Europa für Jahrhunderte. ⁷ Die Streuobstwiese vereinte den Obstanbau mit Weidelandhaltung – kopfgeschneitelte Obstbäume boten den Tieren Schatten, während diese außer Reichweite des Obstes waren, aber die Bäume düngten.

Abbildung: Wald oder Wiese? Etwas zwischen drin. Eine \"Dehesa\" (beweideter Eichenhain einer Schweinefarm) in Spanien. Bildquelle: Basotxerri (CC BY-SA 4.0).

Abbildung: Rinder grasen zwischen Kopfbäumen in Huelva, Spanien. (CC BY-SA 2.5)

Abbildung: Eine Streuobstwiese umgeben von einer Lebendhecke in Rijkhoven, Belgien. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Während Landwirtschaft und Forstwirtschaft heutzutage strikt getrennte Aktivitäten sind, war in früheren Tagen der Bauernhof der Wald und der Wald der Bauernhof. Es würde viel Sinn ergeben, diese beiden wieder zusammen zu führen, da die Land- und Viehwirtschaft - nicht die Holzwirtschaft - der Hauptverantwortliche für Entwaldung und Abholzung ist. Solange Bäume Tierfutter liefern, sollte Fleisch- und Milchproduktion nicht zu einer Abholzung führen. Wenn Getreide im gleichen Feld angebaut werden können wie Bäume, so sollte auch die Landwirtschaft nicht zu einer Abholzung führen. Bewaldete Bauernhöfe würden auch zu einer artgerechteren Tierhaltung, fruchtbareren Böden und besserem Erosionsschutz führen.

Streifenbepflanzungen

Aufwändige Plantagen konnten aus Niederwald oder Kopfbäumen bestehen, und wurden häufig als Gemeingut gepflegt. Allerdings wurde die Schneitelung nicht nur bei großflächigen Waldplantagen benutzt. Kleine Wäldchen zwischen Feldern, oder neben einem ländlichen Haus wurden ebenfalls von einem einzelnen Haushalt geschneitelt und gepflegt. Größere Mengen Holz wuchs auch in linienförmiger Bepflanzung um das Hofgelände, Felder und Wiesen, neben Gebäuden, entlang von Wegen, Straßen und Wasserläufen. Geschneitelte Bäume und Büsche konnten so Baumreihen wie Halballeen, Alleen oder auch eine dichte Hecke bilden (Anm. des Übersetzers: Im Deutschen gibt es hier noch die Unterscheidungen “Niederhecke”, “Hochhecke” und “Baumhecke”). ⁸

Abbildung: Heckenlandschaft in der Normandie, Frankreich, ca. 1940. Bildquelle: W Wolny, public domain.

Abbildung: Streifenbepflanzungen in Flandern, Belgien. Ausschnitt aus der Ferraris Karte, 1771-78.

Obwohl Streifenbepflanzung für gewöhnlich mit englischen Hecken assoziiert wird, waren sie in weiten Teilen Europas verbreitet. Im Jahre 1804 brachte der englische Historiker Abbé Mann seiner Verwunderung Ausdruck, als er über seinen Besuch in Flandern (heutiger Teil Belgiens) schrieb: “Alle Felder sind umgeben von Hecken, und dicht besetzt mit Bäumen, in einem solchen Maße, dass die gesamte Landschaft, von einer kleinen Erhöhung aus betrachtet, wie ein großer, ununterbrochener Wald erscheint.”. Typisch für diese Region war die große Anzahl an Kopfbäumen. ⁸

Wie Niederwälder waren Streifenbepflanzungen vielfältig und versorgten die Menschen mit Brennholz, Bauholz und Laubheu. Im Gegensatz zu Niederwäldern, hatten diese allerdings noch eine zusätzliche Funktion, abhängig von ihrem Standort. ⁹ Eine davon waren Grundstücksgrenzen: um Nutzvieh drinnen und wilde Tiere oder Rinder auf Gemeineigentum draußen zu halten. Es gab viele verschiedene Techniken um Hecken undurchdringlich zu machen, selbst für kleine Tiere wie Hasen oder Kaninchen. Um Weiden herum konnten Hecken oder Reihen von dicht gepflanzten Kopfbäumen, größere Tiere wie Kühe aufhalten. Wenn Weidenruten eingeflochten wurden, konnten solche Bepflanzungen auch kleine Tiere stoppen (“Gebück”). ⁸

Abbildung: Ausschnitt eines Eibengebücks. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Abbildung: Eine Hecke. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Abbildung: Kopfbaumhecke in Nieuwekerken, Belgien. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Abbildung: Niederwaldstöcke in einer Weide. Bildquelle: Jan Bastiaens.

Streifenbepflanzungen boten auch Schutz gegen das Wetter. Hecken schützten Felder, Streuobstwiesen und Gemüsegärten gegen Wind, welcher den Boden erodieren und die Ernte beschädigen konnte (Anm. des Übersetzers: diese werden heutzutage auch Windschutzstreifen genannt). In wärmeren Gefilden schützten Bäume Getreide vor der Sonne und düngten die Böden. Kopfgeschneitelte Linden (Kopflinden), die ein sehr dichtes Blätterdach haben, wurden oft direkt neben Fachwerkhäuser gebaut, um sie vor Wind, Regen und Sonne zu schützen. ¹⁰

Misthaufen wurden von einem oder mehreren Bäumen geschützt, damit die wertvolle Ressource nicht wegen Wind und Sonne verdunsten konnte. Im Hof einer Wassermühle wurde das hölzerne Wasserrad von einem Baum überdacht, um ein Eingehen oder Ausdehnen des Holzes in Zeiten der Dürre oder Inaktivität zu vermeiden. ⁸

Abbildung: Ein Kopfbaum schützt ein Wasserrad. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Abbildung: Kopflinden schützen ein Bauernhofgebäude in Nederbrakel, Belgien. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Der Standort zählt

Entlang von Wegen, Straßen und Wasserläufen hatten Streifenbepflanzungen die meisten der standortspezifischen Funktionen wie auf Höfen. Rinder und Schweine wurden entlang bestimmter, von Hecken oder Gebück gesäumter Wege getrieben. Mit dem Erscheinen der Eisenbahn, halfen Hecken Kollisionen mit Tieren zu vermeiden. Sie schützten Reisende vor Wetter und kennzeichneten die Route, so dass Menschen und Tiere in verschneiten Landstrichen nicht vom Weg abkamen. Sie verhinderten auch Erosion an Flussufern und Hohlwegen.

Alle Aufgaben von Linienbepflanzung konnte auch von toten Holzzäunen geleistet werden, die leichter bewegt werden können, weniger Platz verbrauchen, keine Licht- und Nährstoffkonkurrenz zur Ernte bilden, und in kurzer Zeit errichtet werden können. ¹¹ Allerdings wurden lebende Hecken in Zeiten und Orten mit Holzmangel bevorzugt (und manchmal vorgeschrieben), da sie eine andauernde Holzquelle darstellen, während Holzzäune ein andauernder Holzverbraucher waren. Ein Holzzaun mag kurzfristig Platz und Zeit sparen, aber er setzt voraus, dass sein Holz für Errichtung und Instandhaltung woanders im Umland angebaut und geerntet werden muss.

Abbildung: Kopfbaumhecke in Belgien. Bildquelle: Geert Van der Linden.

Die Benutzung lokaler Holzreserven wurde maximiert. Zum Beispiel war der Baum, der neben ein Wasserrad gepflanzt wurde nicht irgendein Baum. Es war Hartriegel oder Ulme, deren Holz am Besten geeignet für das Getriebe der Mühle war. Wenn ein Ersatzteil für eine Reparatur benötigt wurde, konnte das Holz direkt neben der Mühle geerntet werden. Ebenso wurden Hecken entlang von Straßen dazu benutzt, um diese Instand zu halten. Die jungen Triebe wurden zu Bündeln zusammengebunden und als Fundament benutzt, oder um Schlaglöcher zu stopfen. Da die Bäume geschneitelt und nicht gefällt wurden, ging keine Funktion je auf Kosten einer anderen.

Wenn heutzutage für das Pflanzen von Bäumen plädiert wird, so sind die Ziele in Begriffen von Waldfläche oder Baumanzahl verfasst, aber es wird kaum auf ihren Standort geachtet - welcher sogar am anderen Ende der Welt sein könnte. Wie aber die obigen Beispiele zeigen, kann das Pflanzen von Bäumen in der Nähe und am richtigen Standort ihr Potential deutlich optimieren.

Geformt durch Grenzen

In industriellen Gesellschaften ist das Schneiteln weitestgehend verschwunden, obwohl man noch Kopfbäume entlang von Straßen oder in Parks antreffen kann. Ihr Gehölzschnitt, welcher früher ganze Gemeinschaften versorgt hat, wird heute als Abfallprodukt angesehen. Aber wenn es doch so gut funktioniert hat, warum wurde der Niederwald als Quelle für Energie, Materialien und Nahrung aufgegeben? Die Antwort ist kurz: fossile Brennstoffe. Unsere Ahnen setzten auf Schneitelung, weil sie keinen Zugang zu fossilen Brennstoffen hatten, und wir setzen nicht auf Schneitelung, weil wir ihn haben.

Unsere Ahnen setzten auf Schneitelung, weil sie keinen Zugang zu fossilen Brennstoffen hatten, und wir setzen nicht auf Schneitelung, weil wir ihn haben

Am offensichtlichsten haben fossile Brennstoffe Holz als Energie- und Materialquelle abgelöst. Kohle, Gas und Öl übernahmen die Rolle von Brennholz für Kochen, Heizen von Räumen und Wasser, sowie industrieller Prozesse, die auf thermischer Energie angewiesen sind. Metall, Beton und Ziegel - Materialien, die es seit Jahrhunderten gibt - wurden erst weit verbreitete Alternativen zu Holz, nachdem diese mit fossilen Brennstoffen hergestellt werden konnten, welche uns auch Plastik brachten. Kunstdünger - Produkt fossiler Brennstoffe - steigerte den globalen Handel mit Tierfutter, und machte Laubheu überholt. Die Motorisierung der Landwirtschaft - getrieben von fossilen Brennstoffen - führte zu immer größeren Äckern, zusammen mit der Beseitigung von Bäumen und Hecken auf Bauernhöfen.

Weniger offensichtlich, aber mindestens genau so wichtig, haben fossile Brennstoffe die Forstwirtschaft transformiert. Heutzutage hängt das Fällen, Weiterverarbeiten und Transportieren von Holz stark von fossilen Brennstoffen ab, während in der Vergangenheit Menschen und Tiere diese Leistung erbrachten - welche ihrerseits von Biomasse getrieben werden. Es waren die Grenzen dieser Arbeitskraft, die den Niederwald auf der ganzen Welt entstehen ließen und geformt haben.

Abbildung: Holzernte von Kopfbäumen in Belgien, 1947. Credit : Zeylemaker, Co., Nationaal Archief (CCO)

Abbildung: Brennholztransport im Baskenland. Quelle: Notes on pollards: best practices' guide for pollarding. Gipuzkoaka Foru Aldundía-Diputación Foral de Giuzkoa, 2014.

Holz wurde von Hand, mit einfachen Werkzeugen wie Messern, Macheten, Hippen bzw. Praxen, Äxten und (später) Sägen geerntet und weiterverarbeitet. Da der Arbeitsaufwand vom Fällen mit der Hand abhängig vom Stammdurchmesser war, war es billiger und praktikabler viele dünne Äste und Ruten zu ernten als einige wenige dicke Stämme zu fällen. Zusätzlich war es nicht nötig die geschneitelten Äste noch zu spalten. Die Äste und Ruten wurden auf eine Länge von etwa einem Meter geschnitten und zu Holzbündeln zusammengebunden, welche einfach zu handhaben waren.

Es waren die Grenzen menschlicher und tierischer Arbeitskraft, die den Niederwald auf der ganzen Welt entstehen ließen und geformt haben

Um Brennholz zu transportieren, griffen unsere Vorfahren auf Kutschen zurück, die von Tieren über oft sehr schlechte Straßen gezogen wurden. Daher musste Brennholz, sofern es nicht über Wasserwege transportiert werden konnte, in einem Radius von 15-30 km um den Zielort gefällt werden. ¹² Bei Distanzen darüber hinaus benötigte die menschliche und tierische Arbeitskraft mehr Energie für den Transport als das Brennholz lieferte, und es wäre daher sinnvoller gewesen, das Brennholz auf der Weide der Zugtiere anzubauen, anstatt diese darauf grasen zu lassen. ¹³ Es gab allerdings einige Ausnahmen von dieser Regel. Manche industrielle Vorgänge, wie Eisen- oder Pottascheproduktion, konnten in entfernter gelegene Wälder verlegt werden - der Transport von Eisen oder Pottasche war ökonomisch sinnvoller als der Transport von Brennholz zu den Produktionsstätten. Im Allgemeinen waren Niederwälder (und natürlich auch Streifenbepflanzungen) aber in der unmittelbaren Umgebung der Stätte angesiedelt, die das Holz benötigte.

Kurz gesagt trat die Schneitelung im Kontext von Grenzen auf. Da sie mit einem schnelleren Wuchs und einer vielseitigeren Platznutzung einher geht, maximierte sie die lokale Holzversorgung einer Region. Durch die dünnen Äste wurde die Ernte von Hand und der Transport so ökonomisch und praktikabel wie möglich.

Kann maschinell Geschneitelt werden?

Ab dem zwanzigsten Jahrhundert wurde mit Motorsägen geerntet und seit dem 1980ern wurde Holz zunehmend von leistungsfähigen Maschinen geerntet, die einen ganzen Baum fällen und direkt vor Ort in Minuten zersägen können. Mit fossilen Brennstoffen kam auch eine bessere Transportinfrastruktur, welche Waldreserven zugänglich gemacht hat, die zuvor den Menschen verschlossen waren. Infolgedessen kann Brennholz heutzutage auf einer Seite des Planeten angebaut werden und auf der anderen Seite konsumiert.

Die Benutzung fossiler Brennstoffe führen nun zu Kohlenstoffdioxidemissionen bei einer bis dato klimaneutralen Tätigkeit, aber noch wichtiger haben sie die Holzproduktion zu einem deutlich größeren - nicht mehr nachhaltigen - Ausmaß anschwellen lassen. ¹⁴ Der, von fossilen Brennstoffen getriebene, weite Transport hat die Verbindung zwischen Angebot und Nachfrage zerstört, welche die lokale Forstwirtschaft bis dahin geregelt hat. Wenn Holzangebot begrenzt ist, hat eine Gemeinschaft keine andere Wahl als sicher zu stellen, dass die Rate von Holzernte und Holzregeneration im Gleichgewicht sind. Ansonsten riskiert die Gemeinschaft, dass ihr Brennholz, Bauholz und Tierfutter ausgeht und sie würde aufgegeben werden müssen.

Abbildung: Maschinell geernteter Weideniederwald. Kurz nach der Schneitelung (rechts) , dreijähriges Wachstum (links). Bildquelle: Lignovis GmbH (CC BY-SA 4.0).

Ebenso hat die rein maschinelle Ernte die Forstwirtschaft auf ein Ausmaß anwachsen lassen, das inkompatibel mit nachhaltigem Waldmanagement ist. Unsere Vorfahren haben keine großen Bäume für Brennholz gefällt, weil es nicht ökonomisch sinnvoll war. Heute macht die Forstwirtschaft genau das, weil es mit den eingesetzten Maschinen der profitabelste Weg ist. Im Vergleich zur industriellen Forstwirtschaft, in der ein Arbeiter bis zu 60 m3 Holz pro Stunde ernten kann, ist der Niederwald extrem arbeitsintensiv. Folglich kann er nicht in einem ökonomischem System konkurrieren, das es fördert menschliche Arbeitskraft durch Maschinen zu ersetzen, die mit fossilen Brennstoffen angetrieben werden.

Der Niederwald kann nicht in einem ökonomischem System konkurrieren, das es fördert menschliche Arbeitskraft durch Maschinen zu ersetzen, die mit fossilen Brennstoffen angetrieben werden

Einige Wissenschaftler und Ingenieure haben versucht dieses Problem zu lösen, indem sie maschinelle Schneitelmaschinen vorgestellt haben. ¹⁵ Allerdings begibt man sich mit der Mechanisierung auf dünnes Eis. Die Maschinen sind nur auf größeren Waldgebieten (>1 ha), bestehend aus geschneitelten Bäumen der gleichen Art, gleichen Alters und gleichem Verwendungszweck (meist Brennholz), praktikabel und ökonomisch sinnvoll. Wie wir gesehen haben, schließt diese Art der Nutzung ältere Formen der Niederwaldnutzung aus, wie Mehrzweckbäume und Heckenpflanzung. Kommt noch der Transport via fossiler Brennstoffe hinzu, ist das Endresultat eine Art der industriellen Niederwaldnutzung, die nur wenige Verbesserungen mit sich bringt.

Abbildung: Niederwald entlang eines Bachlaufs in 's Gravenvoeren, Belgien. Credits: Geert Van der Linden.

Nachhaltige Forstwirtschaft ist in erster Linie lokal und Handarbeit. Das bedeutet nicht, dass wir die Vergangenheit kopieren müssen um Biomasse wieder zu einer nachhaltigen Energiequelle zu machen. Zum Beispiel kann der Radius der Holzversorgung mit Hilfe von energieeffizienten Transportmöglichkeiten, wie Lastenräder oder Seilbahnen, vergrößert werden, die sehr viel effizienter als Pferde- oder Ochsenkarren über schlechte Straßen sind und ohne fossile Brennstoffe betrieben werden können. Manuelle Werkzeuge sind auch deutlich effizienter und ergonomischer geworden. Wir könnten sogar Motorsägen benutzen, die mit Biokraftstoffen betrieben werden - eine deutlich realistischere Nutzungsmöglichkeit als in Automotoren. ¹⁶

Die Vergangenheit lebt weiter

Dieser Artikel hat die industrielle Biomasseproduktion mit historischen Formen der Forstwirtschaft in Europa verglichen, aber tatsächlich besteht keine Notwendigkeit in der Vergangenheit nach Inspiration zu suchen. Die 40% der Weltbevölkerung, die in ärmeren Gesellschaften leben und immer noch Holz zum Kochen und Heizen von Wasser und Wohnraum verbrennen müssen, sind keine Kunden der industriellen Forstwirtschaft. Stattdessen bekommen sie ihr Brennholz auf so ziemlich die gleiche Weise wie wir in früheren Zeiten, auch wenn die Baumarten und Umweltbedingungen sehr unterschiedlich sein können. ¹⁷

Eine Studie aus dem Jahre 2017 berechnete, dass der Holzverbrauch von Menschen in “Entwicklungsländern” - ca. 55% der weltweiten Holzernte und 9-15% des gesamten, weltweiten Energieverbrauchs - nur 2-8% der menschengemachten Klimaeinwirkung ausmachen. ¹⁸ Warum so wenig? Weil, so schreiben die Wissenschaftler, ungefähr zwei Drittel der Holzernte von Entwicklungsländern auf nachhaltige Weise geerntet wird. Menschen sammeln hauptsächlich Totholz, bauen viel Nutzholz außerhalb des Waldes an, sie Schneiteln und sie bevorzugen Mehrzweckbäume, die zu wertvoll sind um sie zu fällen. Die Gründe sind die gleichen wie die unserer Vorfahren: die Menschen haben keinen Zugang zu fossilen Brennstoffen und sind daher an die lokale Holzversorgung gebunden, die von Hand geerntet und transportiert werden muss.

Abbildung: Afrikanische Frauen tragen Feuerholz. (CC BY-SA 4.0)

Diese Zahlen bestätigen, dass es nicht die Biomasse ist, die nicht nachhaltig ist. Wenn die gesamte Menschheit so leben würde, wie die 40% die immer noch regelmäßig Biomasse verbrennt, wäre der Klimawandel kein Thema. Was wirklich schädlich ist, ist unser energieverschwenderischer Lebensstil. Wir können offensichtlich keine Hightech-Industrienation mit Niederwald und Heckenpflanzungen erhalten. Aber das Gleiche trifft auf jede andere Energiequelle zu, Uran und fossile Brennstoffe eingeschlossen.

Mehrere Quellen: Unrau, Alicia, et al. Coppice forests in Europe. University of Freiburg, 2018. // Notes on pollards: best practices’ guide for pollarding. Gipuzkoako Foru Aldundia-Diputación Foral de Gipuzkoa, 2014. // A study of practical pollarding techniques in Northern Europe. Report of a three month study tour August to November 2003, Helen J. Read. // Aarden wallen in Europa, in “Tot hier en niet verder: historische wallen in het Nederlandse landschap”, Henk Baas, Bert Groenewoudt, Pim Jungerius and Hans Renes, Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed, 2012. ↩︎
Logan, William Bryant. Sprout lands: tending the endless gift of trees. WW Norton & Company, 2019. ↩︎
Holišová, Petra, et al. “Comparison of assimilation parameters of coppiced and non-coppiced sessile oaks”. Forest-Biogeosciences and Forestry 9.4 (2016): 553. ↩︎
Perlin, John. A forest journey: the story of wood and civilization. The Countryman Press, 2005. ↩︎
Die meisten Informationen stammen aus belgischen Publikationen (in Niederländisch): Handleiding voor het inventariseren van houten beplantingen met erfgoedwaarde. Geert Van der Linden, Nele Vanmaele, Koen Smets en Annelies Schepens, Agentschap Onroerend Erfgoed, 2020. For a good (but concise) reference in English, see Rotherham, Ian. Ancient Woodland: history, industry and crafts. Bloomsbury Publishing, 2013. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Obwohl Laubheu in ganz Europa genutzt wurde, war es besonders in bergigen Regionen verbreitet, wie Skandinavien, den Alpen oder den Pyrenäen. Zum Beispiel haben 1850 in Schweden 1,3 Millionen Schafe und Ziegen 190 Millionen Laubheubündel jährlich gefressen, für die mindestens 1 Millionen Hektar Laubwald benutzt wurde, meist als Kopfbäume. Die Ernte von Laubheu wurde schon vor der Nutzung von Heu als Winterfutter gemacht. Äste konnten mit Steinwerkzeug geschnitten werden, während das Schneiden von Gras Bronze- oder Eisenwerkzeug benötigt. Obwohl die Kopf- und Stockschneitelung meist im Winter gemacht wurde, muss Laubschneitelung logischerweise im Sommer erfolgen. Laubheubündel wurden oft in den Kopfbaum zum Trocknen gehängt. Quellen: Logan, William Bryant. Sprout lands: tending the endless gift of trees. WW Norton & Company, 2019. // A study of practical pollarding techniques in Northern Europe. Report of a three month study tour August to November 2003, Helen J. Read. // Slotte H., “Harvesting of leaf hay shaped the Swedish landscape”, Landscape Ecology 16.8 (2001): 691-702. ↩︎
Wealleans, Alexandra L. “Such as pigs eat: the rise and fall of the pannage pig in the UK”. Journal of the Science of Food and Agriculture 93.9 (2013): 2076-2083. ↩︎
Diese Informationen beziehen sich auf mehrere niederländische Publikationen: Handleiding voor het inventariseren van houten beplantingen met erfgoedwaarde. Geert Van der Linden, Nele Vanmaele, Koen Smets en Annelies Schepens, Agentschap Onroerend Erfgoed, 2020. // Handleiding voor het beheer van hagen en houtkanten met erfgoedwaarde. Thomas Van Driessche, Agentschap Onroerend Erfgoed, 2019 // Knotbomen, knoestige knapen: een praktische gids. Geert Van der Linden, Jos Schenk, Bert Geeraerts, Provincie Vlaams-Brabant, 2017. // Handleiding: Het beheer van historische dreven en wegbeplantingen. Thomas Van Driessche, Paul Van den Bremt and Koen Smets. Agentschap Onroerend Erfgoed, 2017. // Dirkmaat, Jaap. Nederland weer mooi: op weg naar een natuurlijk en idyllisch landschap. ANWB Media-Boeken & Gidsen, 2006. // Für eine gute Quelle auf Englisch, siehe: Müller, Georg. Europe’s Field Boundaries: Hedged banks, hedgerows, field walls (stone walls, dry stone walls), dead brushwood hedges, bent hedges, woven hedges, wattle fences and traditional wooden fences. Neuer Kunstverlag, 2013. // Wenn Streifenbepflanzungen zur Holzproduktion benutzt wurden, wurde mit etwas größerem Abstand voneinander gepflanzt, was mehr Licht durchlässt und dadurch die Holzproduktion erhöht. War ihr Hauptzweck die Abgrenzung, wurden die Pflanzen dichter gepflanzt. Das reduziert die Holzausbeute, aber führt zu einem dichteren Wuchs. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Tatsächlich konnte Niederwald auch eine standortspezifische Funktion haben: Er konnte um eine Stadt oder Siedlung gepflanzt werden um ein undurchdringliches Hindernis für Angreifer zu bilden, sei es zu Fuß oder zu Pferde. Dieses Hindernis konnte nicht leicht zerschossen werden, wie es bei Mauern der Fall ist. Quelle: ⁵ ↩︎
Linden wurden sogar zum Feuerschutz benutzt. Sie wurden direkt neben Backhäuser gepflanzt um den Funkenflug auf Holzstapel, Heuhaufen oder Strohdächer zu verhindern. Quelle: ⁵ ↩︎
Die Tatsache, dass lebende Hecken und Bäume schwerer zu bewegen sind als Holzzäune und Pfosten hat auch praktische Vorteile. In Europa bis zur Franzosenzeit gab es keine Grundbücher und Grundstücksgrenzen wurden physisch durch die Landschaft gekennzeichnet. Die Arbeit des Landvermessers wurde mit dem Pflanzen eines Baumes besiegelt, der viel schwerer heimlich zu bewegen ist, als ein Pfosten oder Zaun. Quelle: ⁵ ↩︎
Falls es über Wasser weitere Strecken transportiert werden konnte, so musste dennoch in einem Radius von 15-30 km um den Fluss oder die Küste gefällt werden. ↩︎
Sieferle, Rolf Pieter. The Subterranean Forest: energy systems and the industrial revolution. White Horse Press, 2001. ↩︎
Für Informationen bzgl. unterschiedlicher Größenordnungen der Holzproduktion, siehe auch: Jalas, Mikko, and Jenny, Rinkinen. “Stacking wood and staying warm: time, temporality and housework around domestic heating systems”, Journal of Consumer Culture 16.1 (2016): 43-60. // Rinkinen, Jenny. “Demanding energy in everyday life: insights from wood heating into theories of social practice.” (2015). ↩︎
Vanbeveren, S.P.P., et al. “Operational short rotation woody crop plantations: manual or mechanised harvesting?” Biomass and Bioenergy 72 (2015): 8-18. ↩︎
Allerdings haben Motorsägen nachteilige Effekte auf manche Baumarten, wie ein verringerter Wuchs oder höhere Krankheitsanfälligkeit. ↩︎
Mehrere Quellen, die sich mit traditionellen Forstpraktiken in Afrika beschäftigen: Leach, Gerald, and Robin Mearns. Beyond the woodfuel crisis: people, land and trees in Africa. Earthscan, 1988. // Leach, Melissa, and Robin Mearns. “The lie of the land: challenging received wisdom on the African environment.” (1998) // Cline-Cole, Reginald A. “Political economy, fuelwood relations, and vegetation conservation: Kasar Kano, Northerm Nigeria, 1850-1915.” Forest & Conservation History 38.2 (1994): 67-78. ↩︎
Multiple references: Bailis, Rob, et al. “Getting the number right: revisiting woodfuel sustainability in the developing world.” Environmental Research Letters 12.11 (2017): 115002 // Masera, Omar R., et al. “Environmental burden of traditional bioenergy use.” Annual Review of Environment and Resources 40 (2015): 121-150. // Study downgrades climate impact of wood burning, John Upton, Climate Central, 2015. ↩︎

Wie Windenergie wieder nachhaltig werden kann

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

Abbildung: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Mehr als zweitausend Jahre lang wurden Windmühlen aus recycelbaren und wiederverwertbaren Materialien gefertigt: Holz, Stein, Backstein, Segeltuch, und Metall. Die Materialien veränderten sich auch nicht, als in den 1880er Jahren die neuartigen Windmühlen auftauchten, die Strom erzeugen konnten. Erst mit dem Aufmarsch von Rotorblättern aus Kunststoff in den 1980er Jahren wurde Windenergie zur Quelle von toxischem Abfall, der auf Deponien landet.

Neue Technologien der Holzproduktion und neue Entwürfe ermöglichen es mittlerweile größere Windkraftanlagen beinahe wieder vollständig aus Holz zu bauen – nicht nur die Rotorblätter, sondern auch das restliche Konstrukt. So könnte man das Abfallproblem lösen und die Herstellung von Windanlagen von fossilen Brennstoffen und Materialien aus Minen größtenteils unabhängig machen. Ein Wald inmitten der Windkraftanlagen könnte das Holz für die kommenden Generationen von Anlagen liefern.

Wie nachhaltig ist ein Rotorblatt?

Windkraftanlagen werden zu den sauberen und nachhaltigen Energiequellen gezählt. Obwohl sie in der Tat weniger CO2 ausstoßen als Anlagen, die fossile Brennstoffe nutzen, erzeugen auch sie jede Menge Abfall. Das übersieht man leicht, da ungefähr 90% der gesamten Masse einer Windkraftanlage aus Stahl ist und sich hauptsächlich im Turm konzentriert. Stahl ist wiederverwertbar. Das erklärt, wieso Windkraftanlagen so schnell die Energie zurückgewinnen, die nötig ist, um sie zu bauen – der wiederverwertete Stahl kann bei der Herstellung von neuen Bestandteilen genutzt werden. Das spart viel Energie.

Die Rotorblätter anderseits werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, der voluminös ist und nicht recycelt werden kann. Obwohl die Masse im Vergleich zur gesamten Masse einer Windkraftanlage klein ist, sollte sie nicht unterschätzt werden. Ein 60m langes Rotorblatt wiegt 17 Tonnen, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter von einer 5-MW-Windkraftanlage alleine mehr als 50 Tonnen nicht recyclebaren Abfall produzieren.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Quelle: [Gurit](https://www.gurit.com/Our-Business/Industries--Markets/Wind).

Ein Rotorblatt besteht normalerweise aus einer Kombination von Epoxidharz – ein Petroleum-Produkt – verstärkt durch Glasfasern. Die Blätter sind zudem gefüllt mit Materialien auf Kunststoffbasis, zum Beispiel teilvernetztem PVC-Schaum, und umhüllt von einer Schutzschicht auf Polyurethan-Basis.¹²³⁴

Im Gegensatz zum Stahl des Turmes kann das Plastik der Rotorblätter nicht recycelt werden, um neue Blätter herzustellen. Das Material kann man nur “downcyceln”, indem man es beispielsweise schreddert. Dabei gehen die Fasern jedoch kaputt und eignen sich dann nur noch als Füllmaterial für die Produktion von Zement oder Asphalt. Andere Methoden werden noch erforscht, aber sie stoßen bis jetzt immer wieder auf dasselbe Problem: Niemand will das “recycelte” Material haben. Einige Architekten haben die Rotorblätter wiederverwendet, indem sie damit Bänke oder Spielplätze gebaut haben. Aber wir können nicht alles aus Rotorblättern anfertigen!

Schon allein die Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage produzieren mehr als 50 Tonnen nicht recycelbaren Abfalls.

Wegen der begrenzten Möglichkeiten zum Recyceln und Wiederverwerten werden Rotorblätter normalerweise auf Deponien entsorgt (in den USA), oder verbrannt (in der EU). Letzteres ist auch nicht nachhaltiger, da das Verbrennen der Rotorblätter nur einen Teil des Materials reduziert (60% bleiben als Asche übrig) und der Rest verschmutzt die Luft. Es kann außerdem kaum Energie zurückgewonnen werden, da Glasfaser ohnehin nicht brennbar ist. ¹²³⁴

Müllentsorgung mit 25 Jahren Verspätung

Die meisten der ca. 250.000 Windkraftanlagen, die momentan weltweit in Betrieb sind, wurden vor weniger als 25 Jahren installiert, was ihrer voraussichtlichen Lebensdauer entspricht. Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

In Europa zum Beispiel steigt der Anteil an Windkraftanlagen, die älter als 15 Jahre sind, von 12 % in 2016 auf 28 % in 2020 an. In Deutschland, Spanien und Dänemark beläuft sich ihr Anteil sogar schon auf 41 - 57 %. Im Jahr 2020 alleine werden diese Länder zwischen 6.000 und 12.000 Rotorblätter entsorgen müssen. ⁵

Abbildung: Die Flügel von altmodischen Windmühlen wurden gänzlich aus recycelbaren Materialien hergestellt. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Entsorgte Rotorblätter werden nicht nur immer zahlreicher sondern auch größer, da Rotorblätter mit stets größerem Umfang im Trend liegen. Windkraftanlagen vor 25 Jahren hatten ca. 15 - 25m lange Rotorblätter, wohingegen die heutigen Rotorblätter zwischen 75 - 80m oder länger sind.³ Schätzungen auf Basis von aktuellen Wachstumsprognosen für Windenergie suggerieren, dass der Abfall aus Rotorblättern sich bis 2028 auf 330.000 Tonnen jährlich belaufen wird und bis 2040 sogar auf 418.000 Tonnen pro Jahr.¹

Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

Diese Schätzungen sind konservativ, da es zum einen immer wieder defekte Rotorblätter gibt und zum anderen neue Innovationen dazu führen, dass viele der Blätter weit vor ihrem Verfallsdatum ausgetauscht werden – gegen effizientere Rotorblätter mit verbessertem Energieertrag.¹⁶ Außerdem stammt diese Abfallmenge von Windkraftanlagen, die zwischen 2005 und 2015 installiert wurden, als Windenergie gerade mal 4% der globalen Energiequellen ausmachte. Würde Windenergie die gewünschten 40% des (heutigen) globalen Energievierbauchs decken, wären es drei bis vier Millionen Tonnen Abfall pro Jahr.

Die Geschichte der Windmühlenflügel

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik als Bestandteil eigentlich nicht zwingend notwendig ist. Die Nutzung von Wind zur mechanischen Erzeugung von Energie geht auf die Antike zurück und die ersten stromerzeugenden Windmühlen – die heute Windkraftanlagen heißen – wurden um 1880 gebaut. Glasfaser-Rotorblätter wurden allerdings erst in den 1980er Jahren populär. 2000 Jahre lang waren Windmühlen, ganz gleich aus welchem Material, also komplett recycelbar.

Die Windmühlen in Europa, die von Paul La Cour in Dänemark gebaut wurden, hatten traditionelle Holzflügel. Bild: Image: Paul La Cour Museum.

Traditionelle Windmühlen hatten Türme, die aus Holz, Stein oder aus Backstein gebaut wurden. Ihre Flügel wurden normalerweise aus einem Holzgerüst gefertigt, an dem die Segel oder Holzklappen befestigt wurden. Später wurden Teile der Windmühlen zunehmend aus Eisen hergestellt – ebenfalls ein recycelbares Material.

Trotz sich wandelnder Designs ab dem 18. Jahrhundert haben sich die Materialien der Flügel nicht groß verändert, abgesehen von der Anwendung von Aluminium ab dem 20. Jahrhundert, das jedoch auch recycelbar ist.⁷] Im Gegensatz zu modernen Windkraftanlagen, die regelmäßig komplett erneuert werden müssen, konnten traditionelle Windmühlen durch stetige Wartung und Reparatur über Jahrzehnte hinweg genutzt werden, manchmal sogar jahrhundertelang.

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik kein notwendiges Material ist.

Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz. Die erste Windkraftanlage in Europa von Paul La Cour in Dänemark hatte vier traditionelle Holzflügel mit einem Rotordurchmesser von 22,8m.

La Cours Design wurde von lokalen dänischen Unternehmen kopiert, was dazu führte, dass zwischen 1900 und 1920 tausende Windkraftanlagen auf dänischen Farmen gebaut wurden. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden auch dutzende experimentelle Windkraftanlagen gebaut, manche mit Stahlflügeln, wie das US-amerikanische Smith-Putnam-Modell von 1939.

Eine Struktur aus Stahldraht stabilisierte die drei Rotorblätter der Gedser Windkraftanlage.

1957 baute Johannes Juul, ein Schüler von Paul La Cour, die Gedser Windkraftanlage mit drei Rotorblättern. Die Anlage hatte einen Rotordurchmesser von 24m und wurde zusammengehalten von einem Stahlgerüst, das für extra Stabilität der Rotorblätter sorgte. Die Rotorblätter wurden aus Stahl konstruiert, mit Aluminium umhüllt und gestützt durch Holzrippen.

Bis Mitte der 1980er galt die Gedser Windkraftanlage als die erfolgreichste. Sie war ohne Wartung 11 Jahre in Betrieb und generierte bis zu 360.000 kWh pro Jahr, aber sie wurde nicht repariert, als ein Lager ausfiel. Als die Turbine in den späten 1970ern getestet und überholt wurde, stellte sich heraus, dass sie besser funktionierte als die ersten Windkraftanlagen mit Rotorblättern aus Kunststoff.⁸⁹

Die Größe spielt eine Rolle

Die erste Windkraftanlage mit Rotorblättern aus Kunststoff wurde 1978 in Dänemark installiert, wo sie eine Schule mit Strom versorgte. Mit einem Rotordurchmesser von 54m war die Tvind Windkraftanlage damals die größte existierende Windkraftanlage. Nach 1980 wurden Rotorblätter aus Kunststoff zum Standard in Dänemark und das ‘Dänische Design’ wurde überall auf der Welt kopiert. Rotorblätter aus Kunststoff, so könnte man sagen, definieren die moderne Windkraftanlage. Das stellt uns vor ein Dilemma!

Der Wechsel zu Rotorblättern aus Kunststoff hatte hauptsächlich mit dem Wunsch nach größeren Windkraftanlagen zu tun. Es gibt zwei Gründe, warum größere Anlagen die Kosten pro Kilowattstunde generierter Elektrizität verringern: die Windgeschwindigkeit nimmt in der Höhe zu und das Verdoppeln des Rotorradius vervierfacht den Energieertrag.

Der Wunsch nach immer größeren Windkraftanlagen treibt die Industrie seitdem voran. Der Rotordurchmesser ist von ca. 50m in den 1990ern auf bis zu 120m im Jahr 2000 angestiegen. Heute haben die größten Offshore-Windkraftanlagen einen Rotordurchmesser von mehr als 160m. In den Niederlanden wird gerade eine 12-MW-Windkraftanlage mit einem Rotordurchmesser von 220m gebaut. ³⁶¹⁰

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1940ern, gebaut und entworfen von P.L. Fauel. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Je größer die Rotorblätter, desto größer auch die Masse der Blätter, wodurch immer leichtere Materialien benötigt werden. Gleichzeitig biegen sich größere Blätter auch leichter, wodurch ihre strukturelle Steifigkeit immer wichtiger wird, um eine optimale Aerodynamik zu erreichen und zu vermeiden, dass die Blätter den Turm streifen. Kurz gesagt, größere Windkraftanlagen mit längeren Rotorblättern stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft, und diese übersteigen die Möglichkeiten von recycelbaren Materialien.¹¹¹² Windkraftanlagen sind effizienter geworden, aber weniger nachhaltig.

Größere Windkraftanlagen stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft.

Dieser Trend schlägt sich nieder in der vermehrten Nutzung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, der noch stabiler, steifer und leichter ist als glasfaserverstärkter Kunststoff.¹¹ Das Nutzen von Kohlenstofffasern, was das Recyceln noch weiter erschwert, ist bei großen Rotorblättern zum Standard geworden – vor allem in Bereichen, die großer Belastung ausgesetzt sind, wie zum Beispiel die Wurzel des Blattes. Wir haben demnach ein neue Phase erreicht, in der Rotorblätter so groß sind, dass sie nicht einmal mehr aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden können.

Das Rotorblatt neu erfinden

Eine Industrie, die sich selbst nachhaltig und erneuerbar nennen will, sollte nicht jährlich Millionen Tonnen Plastikabfall produzieren. Wäre es denn möglich Rotorblätter aus recyclebaren Materialien zu bauen? Wie groß könnten diese Anlagen sein? Inwieweit lassen sich Effizienz und Nachhaltigkeit miteinander vereinen?

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1930ern, entworfen von Kurt Bilau. Der Turm ist aus Stein, die Segel aus Holz und Aluminium. Bild: Frank Vincentz (CC BY-SA 3.0).

Die meiste Forschung zu nachhaltigeren Rotorblättern bleibt bei Kunststoff als Hauptmaterial. “Thermoplaste”, wie zum Beispiel PVC, können geschmolzen und wiederverwendet werden, was es ermöglicht, die Rotorblätter zu recyceln, um neue herzustellen, selbst vor Ort. Da das Material aber nicht so belastbar ist, waren die gebauten Rotorblätter bis jetzt noch nicht größer als 9m.¹¹³

Ein weiterer Bereich ist der Erforschung von Holz- oder Flachsfasern als Alternative zu Glasfasern gewidmet. Diese Rotorblätter können zwar größer werden, aber sie sind nur minimal nachhaltiger als die Glasfaser-Epoxidharz-Rotorblätter.¹⁴¹⁵ Denn das aus Petroleum gewonnene Epoxidharz ist besonders schädlich und Produkte, die auf natürlichen Fasern basieren, absorbieren mehr davon als Glasfaserprodukte.¹⁶¹⁷¹²

Die Länge von Holz-Rotorblättern ist nicht mehr abhängig von der Verfügbarkeit großer Bäume von einheitlicher Qualität.

Manche Ingenieure und Wissenschaftler wählen andere Wege und konzentrieren sich auf traditionellere Holzkonstruktionen. Für kleine Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus solidem Holz geschnitzt werden. Für größere Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus einer leeren aerodynamischen Hülle mit einem inneren Gerüst aus Rippen und einem Holm als Stütze konstruiert werden – allesamt aus laminiertem Furnierholz.

Laminiertes Furnierholz

Laminiertes Furnierholz, bei dem das Holz zuerst vom Baum geschält und dann in dünnen Schichten wieder aneinander geleimt wird, ist ein Holzprodukt, das in den 1980ern auftauchte und das einen wichtigen Vorteil gegenüber Massivholzprodukten bietet. Die Beschaffenheit des Holzes kann innerhalb eines Baumes variieren. Deswegen war die Länge der Holme aus Holz, die in vorindustriellen Windmühlen eingesetzt wurden, abhängig von der Verfügbarkeit von ausreichend großen Bäume einheitlicher Qualität. Die größte traditionelle Windmühle, die je gebaut wurde – die ‘Murphy Mill’ in San Francisco (1900) – hatte einen Rotordurchmesser von 35m.

Verbesserte Windmühlenflügel aus den 1940ern. Bild: Reboelje.

Im Gegensatz dazu verteilt der Prozess des Furnierens Defekte im Holz, wie zum Beispiel Knoten, gleichmäßig und gewährleistet somit eine bessere Steifigkeit. Dadurch wird es möglich, größere Rotorblätter aus Holz zu bauen.¹² Laminiertes Holz ist viel günstiger und leichter als Glasfaser. Da Rotorblätter vor allem ihr eigenes Gewicht aushalten müssen und Holz leichter als Glasfaser ist, müssen Holzrotorblätter nicht so stark und steif wie Glasfaserblätter sein.¹² Nichtsdestotrotz ist es aufgrund der geringen Steifigkeit von Holz schwer, das Durchbiegen bei sehr großen Rotorblättern zu verhindern.

Eine Studie aus 2017 zu einer 5-MW-Windkraftanlagen mit 61,5m langen Rotorblättern, die an der UmassAmherst in den USA durchgeführt wurde, hat errechnet: Für eine ausreichende Steifigkeit muss ein Rotorblatt aus laminiertem Furnierholz eine Laminatschicht von über 50cm aufweisen und 2,8 Mal schwerer sein als sein Kunststoff-Gegenpart (48 statt 17 Tonnen Gewicht).¹² Obwohl es also technisch möglich ist, Rotorblätter aus Holz zu bauen, die über 60m groß sind, ist dies nicht besonders praktikabel. Mit schwereren Rotorblättern müssen die Windkraftanlagen viel robuster gebaut werden, wodurch sowohl die Kosten als auch der Verbrauch anderer Rohstoffe steigen.

Das Beste aus zwei Welten?

Es gibt zwei mögliche Lösungen für dieses Problem: Die erste wäre ein Rotorblatt zu entwerfen, das hauptsächlich aus laminiertem Furnierholz besteht, aber gestützt wird durch Holme aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, mit einer zusätzlichen Außenschicht von glasfaserverstärktem Kunststoff. In der oben genannten Studie wurde errechnet, dass ein Holz-Kohlenstoff-Kombinationsrotorblatt steif genug ist, um bei einer 5-MW-Windkraftanlage eine Länge von 61,5m zu erreichen, und 3 Tonnen leichter wäre als ein Glasfaserrotorblatt.¹² Eine andere Studie zu einem Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt kommt zu einer ähnlichen Schlussfolgerung, aber in diesem Fall ist das Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt etwas schwerer als das Kunststoff-Blatt.¹⁴

Ein Rotorblatt aus Furnierholz und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff kann mit einer Länge von über 60m gebaut werden.

Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter enthalten weniger Kunststoff und der Kunststoff ist nicht mit dem Holz im Inneren des Rotorblatts verwebt, sondern deutlich davon getrennt, wodurch das Wiederverwerten, Recyceln oder Verbrennen des Rotorblatts einfacher wird. Laut den genannten Studien enthält ein solches Rotorblatt allerdings immer noch 2,5 ¹⁴ - 6,2 ¹² Tonnen Kunststoff, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage 7,5 -18,4 Tonnen nicht recycelbaren Abfall produzieren würden – verglichen mit den 50 Tonnen eines gewöhnlichen Rotorblatts.

Dann doch lieber kleine Windkraftanlagen?

Den Umweltschaden, den Kohlenstoff-Epoxidharz-Holme verursachen, könnte man vielleicht akzeptieren, wenn man ihn mit dem größeren Schaden vergleicht, den konventionelle Windkraftanlagen anrichten. Aber das Problem des Abfalls wäre immer noch nicht gelöst und das stetige Wachstum der Windenergie-Branche würde nach wie vor mit immer mehr Abfall einhergehen.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus laminiertem Holz mit Holmkappen aus Kohlenstoff.[^14]

Alternativ könnten wir das Thema Nachhaltigkeit auch ambitionierter angehen und Rotorblätter wieder komplett aus Holz bauen – auch wenn das bedeutet, dass sie kleiner sind. Es gibt nämlich ein weiteres Argument dafür, den Fokus auf Effizienz in Frage zu stellen: Die geringe Nachhaltigkeit liegt nicht nur an den Rotorblättern. Andere Teile der Windkraftanlagen werden in zunehmenden Maße auch aus Kunststoff hergestellt, wie zum Beispiel die Gondel, die den Generator schützt, oder die Nabe.¹²³⁴

Weitere Trends sind die zunehmende Nutzung von Elektronik, die nicht recycelt werden kann, und von Dauermagnet-Generatoren aus seltenen Rohstoffen, was verglichen mit einer mechanischen Lösung zwar Kosten spart, aber dafür destruktiven Bergbau voraussetzt. Größere Windkraftanlagen töten zudem mehr Vögel und Fledermäuse.¹⁸

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen.

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen. Die Befürworter von Windenergie sind da wahrscheinlich anderer Meinung. Denn dies bedeutet auch, dass die Windenergie nicht mehr mit fossilen Brennstoffen konkurrieren kann. Der sich verteuernden Windenergie könnte aber mit höheren Preisen für fossile Brennstoffe begegnet werden.

Das eigentliche Problem ist, dass wir billige fossile Brennstoffe als Maßstab nehmen, um die Wirtschaftlichkeit von Windenergie zu bemessen. Durch den Vergleich mit fossilen Brennstoffen – und ausgehend von einem Lebensstil, der erst durch fossile Brennstoffe möglich wurde – wird Windenergie in zunehmenden Maße schädlich für die Umwelt. Wenn wir den allgemeinen Energiebedarf senken würden, wären kleinere und weniger effiziente Windkraftanlagen kein Problem.

Abbildung: Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz.

Wie groß könnten Rotorblätter aus Furnierholz werden? Niemand scheint es wirklich zu wissen. Ich habe Rachel Koh befragt, die Wissenschaftlerin, die die Berechnungen zu dem 61,5m Holzrotorblatt gemacht hat, aber auch sie konnte nicht weiterhelfen: „Ich habe das Modell nur für eine 5-MW-Windkraftanlage entwickelt“, schreibt Koh. „Es wäre hypothetisch möglich, eine neue Studie zu konzipieren, um die Frage zu beantworten, aber das ist kein kleines Unterfangen.“ Sie wies zudem darauf hin, dass es möglich sei, mit innovativen Herstellungsmethoden die Steifigkeit von Holzlaminaten weiter zu verbessern.

Ein Wald von Windkraftanlagen

Ob wir uns für große Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter oder für kleinere nur aus Holz bestehende Rotorblätter entscheiden, in beiden Fällen könnte man den Turm und auch die Gondel aus laminierten Holzprodukten anfertigen. 2012 hat die deutsche Firma TimberTower für eine 1,5-MW-Windkraftanlage einen 100m hohen Turm aus laminiertem Holz gebaut. Ein Turm aus Holz scheint auf den ersten Blick natürlich etwas unsinnig, da er einen Teil des Konstruktes ersetzt, der sowieso schon recycelt werden kann. Eine Windkraftanlage, die fast ganz aus Holz gebaut ist, bietet aber noch andere Vorteile.

Illustration: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Die Verwendung von Holz könnte die Herstellung von Windkraftanlagen von fossilen Brennstoffen und Minen unabhängig machen, ausgenommen der Zahnräder und der nötigen Elektronik (und es geht sogar noch nachhaltiger, wenn Windenergie für die direkte mechanische Energiegewinnung genutzt wird.)¹⁹ Holzwindkraftanlagen könnten außerdem CO2 aus der Atmosphäre speichern, das die Bäume, die ihre Bestandteile liefern, gebunden haben.

Außerdem könnte das Gelände zwischen den Windkraftanlagen, das sich nicht als Wohngebiet eignet, genutzt werden, um Wälder anzupflanzen, die wiederum das Holz für die nächste Generation an Windkraftanlagen liefern. Das Holz könnte vor Ort gesägt und verarbeitet werden, was den Energieverbrauch verringert, der normalerweise mit dem Transport von Bestandteilen einhergeht. Die benötigte Energie, um die Laminate herzustellen und um die neuen Anlagen zu bauen, könnten von den Anlagen im Park selbst sowie aus der Biomasse des Waldes kommen. Wenn die Rotorblätter wirklich nur aus Holz gefertigt würden, könnten Windkraftanlagen tatsächlich zu einem Paradebeispiel für die Kreislaufwirtschaft werden.

Und was ist mit Solarzellen?

Der nächste Artikel wird sich der Nachhaltigkeit der Solarzellen widmen. Ist toxischer und nicht recycelbarer Abfall ein inhärenter Bestandteil der Solarenergie? Könnte man Solarzellen aus nachhaltigen Materialien anfertigen? Welche Folgen hätte das für die Bezahlbarkeit und Effizienz von Solarenergie?

Ramirez-Tejeda, Katerin, David A. Turcotte, and Sarah Pike. “Unsustainable Wind Turbine Blade Disposal Practices in the United States: A Case for Policy Intervention and Technological Innovation.” NEW SOLUTIONS: A Journal of Environmental and Occupational Health Policy 26.4 (2017): 581-598. http://docs.wind-watch.org/ramireztejeda2016-bladedisposal.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Wilburn, David R. Wind energy in the United States and materials required for the land-based wind turbine industry from 2010 through 2030. US Department of the Interior, US Geological Survey, 2011. https://pubs.usgs.gov/sir/2011/5036/sir2011-5036.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Jensen, Jonas Pagh. “Evaluating the environmental impacts of recycling wind turbines.” Wind Energy 22.2 (2019): 316-326. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/we.2287 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Martínez, Eduardo, et al. “Life cycle assessment of a multi-megawatt wind turbine.” Renewable energy 34.3 (2009): 667-673. http://communityrenewables.org.au/wp-content/uploads/2013/02/Life-cycle-analysis-turbines_Renewable-Energy_2009.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Ziegler, Lisa, et al. “Lifetime extension of onshore wind turbines: A review covering Germany, Spain, Denmark, and the UK.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 1261-1271. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117313503 ↩︎
Lefeuvre, Anaële, et al. “Anticipating in-use stocks of carbon fiber reinforced polymers and related waste flows generated by the commercial aeronautical sector until 2050.” Resources, Conservation and Recycling 125 (2017): 264-272. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344917301775 ↩︎ ↩︎
De Decker, Kris. “Wind powered factories: history (and future) of industrial windmills.” Low-tech Magazine. Barcelona (2009). HERE ↩︎
The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. https://www.crcpress.com/Wind-Power-for-the-World-The-Rise-of-Modern-Wind-Energy/Maegaard-Krenz-Palz/p/book/9789814364935 ↩︎
Lundsager, P., Sten Tronæs Frandsen, and Carl Jørgen Christensen. “Analysis of data from the Gedser wind turbine 1977-1979.” (1980). http://orbit.dtu.dk/files/33441311/ris_m_2242.pdf ↩︎
Gupta, Ashwani K. “Efficient wind energy conversion: evolution to modern design.” Journal of Energy Resources Technology 137.5 (2015): 051201. http://energyresources.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2211540 ↩︎
Brøndsted, Povl, Hans Lilholt, and Aage Lystrup. “Composite materials for wind power turbine blades.” Annu. Rev. Mater. Res. 35 (2005): 505-538. http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/MATERIALS&COMPONENTS/Pressure_vessels/FRP_Hutter_flange.pdf ↩︎ ↩︎
Koh, Rachel. “Bio-based Wind Turbine Blades: Renewable Energy Meets Sustainable Materials for Clean, Green Power.” (2017). https://scholarworks.umass.edu/dissertations_2/1102/ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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Spera, David. “Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, Second Edition.” (2009) https://ebooks.asmedigitalcollection.asme.org/book.aspx?bookid=271 ↩︎
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Loss, Scott R., Tom Will, and Peter P. Marra. “Estimates of bird collision mortality at wind facilities in the contiguous United States.” Biological Conservation 168 (2013): 201-209. https://repository.si.edu/bitstream/handle/10088/35192/NZP_Marra_2013-Estimates_of_bird_collision_mortality_at_wind_facilities_in_the_contiguous_United_States.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩︎
De Decker, Kris. “Heat your house with a mechanical windmill.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2019). here ↩︎