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Direkte Sonnenenergie: Netzunabhängig ohne Batterie

Fri, 11 Apr 2025 00:00:00 +0000

Bild: ein Laptop der mit direkter Sonnenenergie betrieben wird. Foto: Marie Verdeil.

Herkömmliche Solaranlagen stellen unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und den daraus resultierenden energiefressenden Lebensstil nicht in Frage. Sowohl Solarzellen auf Dächern als auch große Solarparks versorgen uns mit dem Strom, den wir brauchen, auch wenn die Sonne nicht scheint. Das liegt daran, dass diese Systeme das zentrale Stromnetz, das größtenteils mit fossilen Brennstoffen betrieben wird, als eine Art Batterie zur Überbrückung von Stromengpässen nutzen.

Obwohl netzgekoppelte Solarpaneele den Verbrauch fossiler Brennstoffe in Wärmekraftwerken verringern können, werden diese Einsparungen zumindest teilweise durch die zusätzlichen fossilen Brennstoffe untergraben, die für den Bau und die Instandhaltung einer dualen Energieinfrastruktur erforderlich sind. Die Kombination von Solar- und Windenergie kann den Anteil der erneuerbaren Energien im Stromnetz weiter erhöhen, doch erfordert dies einen weiteren Ausbau der Infrastruktur. Dies erfordert nicht nur Energie, sondern auch eine Menge Geld und Zeit.

Das gleiche Problem stellt sich, wenn fossil befeuerte Kraftwerke durch Energiespeicher ersetzt werden sollen, um an sonnigen Tagen erzeugten Überschussstrom für Zeiten ohne oder mit unzureichender Sonneneinstrahlung zu speichern. Energiespeicher, ob sie nun in ein Stromnetz integriert sind oder sich in einzelnen Haushalten befinden (netzunabhängige Systeme), sind sehr teuer und kohlenstoffintensiv in Bau und Wartung.

Autonome Solaranlage

Die Herstellung von Solarmodulen kostet natürlich Geld und Energie. Die finanziellen und energetischen Kosten für die zugehörige Back-up-Infrastruktur sind jedoch um ein Vielfaches höher. Bei netzgekoppelten Solaranlagen sind diese Kosten sehr schwer genau zu berechnen, aber bei autonomen Solaranlagen (ohne Netzanschluss und mit eigener Energiespeicherung) ist es viel einfacher. Als Beispiel nehme ich daher die kleine autonome Solaranlage, die mein Wohnzimmer in Barcelona mit Strom versorgt.

Dieses System besteht aus zwei 50-W-Solarmodulen auf dem Balkon, einer 100-Ah-Blei-Säure-Batterie und einem 10-A-Laderegler. Die erzeugte Energie wird u. a. für die Beleuchtung, die Musikanlage und das Aufladen von Laptops und anderen elektronischen Geräten verwendet. Die anfängliche finanzielle Investition betrug 340 Euro: 120 Euro für die Solarmodule, 170 Euro für die Batterie und 50 Euro für den Laderegler.

Aber während die Solarmodule 30 Jahre und der Laderegler etwa 10 Jahre halten dürften, muss ich die Bleibatterie im Durchschnitt alle drei bis fünf Jahre ersetzen. ¹ Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren belaufen sich die Kosten auf 120 Euro für die Solarmodule, 150 Euro für die Laderegler und - im günstigsten Fall - 1020 Euro für die Batterien. Auf die Batterien (und die zugehörigen Laderegler) entfallen also etwa 90 % der gesamten Lebenszykluskosten.

Die Energiespeicherung dominiert auch die graue Energie der Anlage (und die daraus resultierenden Kohlenstoffemissionen). Für die Herstellung meiner Blei-Säure-Batterie wurden 1200 Megajoule (MJ) an Energie benötigt. ² Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren (bestenfalls sechs Batterien) entspricht das 7200 MJ. Die drei Laderegler fügen über eine Lebensdauer von 30 Jahren weitere 360 MJ hinzu, so dass sich der Gesamtenergieverbrauch für das Batteriesystem auf 7560 MJ beläuft. ³ Im Gegensatz dazu kostet die Herstellung der Solarmodule nur 2275 MJ von insgesamt 9835 MJ. ⁴ Fazit: Mehr als 75 % des gesamten fossilen Energieverbrauchs entfallen auf die Energiespeicherung.

Bild: Auf der rechten Seite des Balkons sind die zwei 50W-Solarpaneele angebracht, die mein Wohnzimmer mit Energie versorgen. Daneben ist das 30W-Solarpaneel, mit dem diese Webseite betrieben wird. Foto: Marie Verdeil.

Bild: Der Unterbau für die Solarpaneele, gebaut aus Holzabfällen. Foto: Kris De Decker.

Bild: Die 100 Ah-Blei-Säure-Batterie, die nach Sonnenuntergang das Wohnzimmer versorgt. Foto: Kris De Decker.

Andere Batterietypen würden an diesem Fazit nichts Wesentliches ändern. Bei einem vergleichbaren netzunabhängigen System mit Lithium-Ionen-Batterien würde die Energiespeicherung etwa 95 % der gesamten Lebenszykluskosten ausmachen (das ist fast doppelt so viel wie bei einem System mit Bleibatterien). Wenn man von einer optimistischen Lebensdauer (10 Jahre) ausgeht und die Laderegler einbezieht, macht die Lithium-Energiespeicherung etwa 70 % der in ein Solarnetzsystem investierten Energie aus. ⁵ ⁶ Bei Nickel-Eisen-Batterien würde die Energiespeicherung 85 % der gesamten Lebenszykluskosten ausmachen (es gibt keine Daten zu den Energiekosten). ⁷

Auch die Größe und der Standort der Solaranlage machen keinen Unterschied. Eine größere Anlage benötigt mehr Solarmodule, aber auch größere Batterien und teurere und leistungsfähigere Laderegler. Die Verhältnisse bleiben die gleichen. ⁸ Der einzige Faktor, der den Anteil der Solarmodule an den Gesamtkosten etwas erhöhen kann, sind die Strukturen, auf denen sie montiert sind. Ich berücksichtige das nicht, weil ich sie aus Holzabfällen selbst gebaut habe. Wenn die Solarmodule jedoch auf einem Dach montiert werden, ist eine Selbstbaulösung weniger naheliegend. Aber auch in diesem Fall sind die Kosten für die Energiespeicherung bei weitem der wichtigste Faktor.

Direkte Sonnenenergie: viel billiger und nachhaltiger

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen sind Sonne und Wind nicht auf Abruf verfügbar. Das Problem mit unserem Ansatz für erneuerbare Energien ist, dass wir darauf bestehen, dass Energie immer unbegrenzt verfügbar sein sollte, unabhängig von Wetter, Jahres- oder Tageszeit. Eine Anpassung der Energienachfrage an das Angebot - wie in der Vergangenheit - würde zu einer dramatischen Senkung der Kosten und des Verbrauchs fossiler Brennstoffe führen.

Wenn ich zum Beispiel den Batteriespeicher meiner Solaranlage weglassen würde, wäre mein System etwa zehnmal billiger: 120 Euro statt 1.290 Euro über eine Lebensdauer von 30 Jahren. Alternativ könnte ich 1.290 Euro allein für Solarmodule ausgeben, was mir eine Solaranlage mit 1075 Watt bescheren würde. Das ist das Zehnfache der Kapazität der Anlage mit Batterien, mehr als auf den Balkon passt.

Ohne Batterie und Laderegler sinken auch die Energiekosten der Anlage von 9835 MJ auf 2275 MJ. Mit anderen Worten: ich könnte mit der gleichen Investition in fossile Brennstoffe mindestens viermal so viel Sonnenenergie erzeugen.

Wie lässt sich direkte Sonnenenergie in die Praxis umsetzen?

Schön und gut, aber die Sonne scheint nicht nach Sonnenuntergang und die Menge der Sonnenenergie schwankt im Laufe des Tages und des Jahres. Wie also kann der Einsatz von Solarmodulen ohne Batterien (oder andere Back-up-Infrastrukturen im Falle von netzgekoppelten Anlagen) praktikabel sein?

Um diese Frage zu beantworten, werfen wir einen Blick auf einen Pionier der „direkten Sonnenenergie“: die Living Energy Farm. Dieses Wohnprojekt im US-Bundesstaat Virginia ist dank der Sonnenenergie völlig „netzunabhängig“, aber nur 10 % des erzeugten Solarstroms fließen durch eine (Nickel-Eisen-)Batterie. Die Sonnenkollektoren versorgen jedoch mehrere Häuser, eine Gemeinschaftsküche, eine Metallwerkstatt und eine Farm mit Strom. ⁹ ¹⁰

Bild: Direkte Sonnenenergie im Einsatz bei der Living Energy Farm.

Die Solaranlage ist seit 2011 in Betrieb und besteht aus einzelnen Systemen mit einer Gesamtspitzenleistung von 1400 Watt. ¹¹ Zum Vergleich: Die durchschnittliche Spitzenleistung einer privaten Solaranlage in Großbritannien und den USA - für einen Haushalt - beträgt 4000 Watt bzw. 6500 Watt. Wie in meiner Wohnung wird auch in der Living Energy Farm sparsam mit Energie umgegangen, aber die Tatsache, dass kaum Batterien verwendet werden, hat andere Gründe.

Einige Geräte werden nur tagsüber benutzt

Ein erster Grund liegt auf der Hand: Einige elektrische Geräte und Maschinen werden nur tagsüber benutzt. Das gilt zum Beispiel für alle Maschinen in der Metallwerkstatt, wie Bandsäge, Kompressor, Schleifmaschine, Kreissäge, Drehbank, Fräse und Bohrmaschine. Das gilt auch für landwirtschaftliche Maschinen wie eine Getreidemühle und eine Tiefbrunnenpumpe. Diese Maschinen sind direkt an Sonnenkollektoren angeschlossen und bieten alle Möglichkeiten moderner netzbetriebener Technik, mit der Ausnahme, dass sie nur tagsüber genutzt werden können. ¹⁰

In viel kleinerem Maßstab habe ich zu Hause direkten Solarstrom für einen Lötkolben, eine Klebepistole und eine Bewässerungspumpe (für den Balkon) verwendet. Weitere Beispiele für Geräte und Maschinen, die nur tagsüber genutzt werden könnten, sind Staubsauger, Nähmaschinen, Waschmaschinen, Spielkonsolen, Laserschneider und 3D-Drucker. Es ist gar nicht so schwer, sich eine moderne Gesellschaft vorzustellen, in der Tätigkeiten wie Staubsaugen und Heimwerkerarbeiten nur noch tagsüber stattfinden. Eine Rückkehr ins Mittelalter ist das sicher nicht.

Bild: Verschiedene Werkstattwerkzeuge auf der Living Energy Farm, von denen die meisten mit direktem Solarstrom betrieben werden. Aufnahme: Alexis Zeigler.

Bild: Mit direkter Sonnenenergie betriebene Metalldrehbank, Living Energy Farm. Aufnahme: Alexis Zeigler.

Bild: Löten mit direkter Sonnenenergie. Aufnahme: Marie Verdeil. [Video](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

Außerdem müssen nicht alle elektrischen Geräte ständig überwacht werden. Waschmaschinen oder Geschirrspüler, die sich automatisch einschalten, wenn die Sonne scheint, werden oft als Beispiele für ein „intelligentes“ Stromnetz angeführt. Dieser Ansatz setzt jedoch eine umfangreiche Infrastruktur aus Stromübertragungs- und Kommunikationsnetzen sowie elektronisch gesteuerten Geräten voraus.

Im Gegensatz dazu wird bei einem dezentralen, direkten Solaransatz die Intelligenz von der Sonne und der Drehung unseres Planeten bereitgestellt. Eine direkt solarbetriebene Wasch- oder Geschirrspülmaschine kann am Abend vollständig geladen und eingeschaltet werden. Die Maschine springt dann morgens „automatisch“ an. Sie können sogar Zeitschaltuhren (elektronisch oder mechanisch) verwenden, um verschiedene Geräte nacheinander zu betreiben.

Ob und inwieweit Wolken eine zusätzliche Einschränkung für eine direkte Solaranlage darstellen, hängt von der Größe der Solarmodule ab. Eine Verdopplung der Fläche der Solarmodule garantiert bei mäßiger Bewölkung eine ausreichende Sonnenenergie, während die Anlage viel billiger und nachhaltiger bleibt als ein System mit Batterien oder einer anderen Backup-Infrastruktur.

Eine noch größere Fläche mit Sonnenkollektoren könnte selbst bei starker Bewölkung ausreichend Energie liefern, aber eine Verzehnfachung der Größe des Systems bringt die Kosten wieder auf das Niveau eines autonomen Systems mit Batterien. Eine Vervierfachung der Fläche macht das System wieder gleichermaßen abhängig von fossilen Brennstoffen.

Viele Geräte haben bereits Batterien

Bei direkter Sonnenenergie lassen sich elektrische Geräte auch nach Sonnenuntergang nutzen. Wie bereits erwähnt, verfügt die Living Energy Farm über ein bescheidenes Batteriesystem, das nach Sonnenuntergang u. a. Strom für Beleuchtung, Ventilatoren und elektronische Geräte liefert. ¹⁰ Darüber hinaus verfügen viele moderne Geräte bereits über eingebaute Energiespeicher. Dies gilt für alle Arten von Elektrofahrzeugen, für die meisten elektronischen Geräte und für ältere Elektrogeräte mit AA-Batterien.

So können diese Geräte tagsüber mit direkter Sonnenenergie aufgeladen und nach Sonnenuntergang dank des eingebauten Akkus noch mehrere Stunden lang genutzt werden. In Kombination mit einer Lithium-Ionen-Powerbank kann ein direktes Solarpaneel USB-Geräte auch nach Sonnenuntergang laden. Das kann sogar für die Beleuchtung funktionieren, denn es gibt viele batteriebetriebene Lampen, die man als moderne Taschenlampen verwenden kann, aufgehängt an verschiedenen Stellen in Räumen und Gebäuden.

Bild: Ein mobiles Telefon, mit direkter Sonneneergie betrieben. Foto: Marie Verdeil.

Natürlich ist die Auslagerung der chemischen Energiespeicherung in das Gerät nicht die nachhaltigste Option. Für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien werden fossile Brennstoffe benötigt, und sie werden (im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien) nicht recycelt. Die beste Lösung ist natürlich, den Gebrauch von Elektrogeräten zu reduzieren. Aber sie mit direkter Sonnenenergie aufzuladen ist viel nachhaltiger und effizienter als über zusätzliche Batterien oder ein mit fossilen Brennstoffen betriebenes Stromnetz. Wenn wir schon High-Tech-Geräte verwenden, dann möglichst auf die intelligenteste Art und Weise.

Nicht-elektrische Energiespeicherung

Ein dritter Grund, warum direkte Sonnenenergie praktischer ist, als es auf den ersten Blick scheint, ist die Tatsache, dass einige elektrische Geräte dank thermischer Energiespeicherung auch nach Sonnenuntergang genutzt werden können. Dies ist viel billiger und nachhaltiger als die Speicherung elektrischer Energie. Die thermische Energiespeicherung ist für Raum- und Warmwasserheizungssysteme bereits recht gut etabliert, bei denen das solar erwärmte Wasser in einem isolierten Heizkessel oder (nur für die Raumheizung) in der Gebäudehülle gespeichert wird. Es ist keine Überraschung, dass die Living Energy Farm über solche Systeme verfügt, und die Solarthermie sorgt auch in meiner Wohnung für Warmwasser.

Der gleiche Ansatz funktioniert aber auch für zwei wichtige Haushaltsgeräte, die nach Sonnenuntergang funktionieren müssen und ebenfalls viel Strom verbrauchen: den Kühlschrank und den Herd. Anstatt den Strom aus einem Solarmodul in einer Batterie zu speichern, um dann nach Sonnenuntergang einen Kühlschrank oder einen Herd zu betreiben, verwenden diese Geräte auf der Living Energy Farm eine Wärmedämmung. Dadurch wird die Wärme im Inneren (im Falle des Herdes) oder außerhalb (im Falle des Kühlschranks) gehalten, wenn kein Strom vorhanden ist. Die Wärmedämmung sorgt auch für eine sehr hohe Energieeffizienz, so dass jedes dieser Geräte bereits mit einem Solarpaneel von nur 100-200 Watt betrieben werden kann.

Ein Kühlschrank, mit direkter Sonnenenergie betrieben

Es ist durchaus möglich, einen herkömmlichen Kühl- oder Gefrierschrank direkt an ein Solarmodul anzuschließen, aber ein solches Gerät würde sich in der Nacht sehr schnell aufheizen. Selbst Kühlschränke der energieeffizientesten Kategorie haben eine relativ geringe Isolierstärke (normalerweise 2,5 cm). Wird diese Dämmstärke jedoch auf etwa 12,5 cm erhöht, sinkt der Energieverbrauch eines Kühlschranks um das Vierfache. ¹² ¹³ Die passive Kühlleistung eines Kühlschranks kann durch Hinzufügen einer thermischen Masse in Form eines Wassertanks im Inneren des Geräts weiter erhöht werden. Tagsüber kühlt das Solarmodul das Wasser oder wandelt es in Eis um. In der Nacht verlangsamt dieses kalte Wasser oder Eis die Erwärmung des Kühlschranks. ¹⁴

Ein Kühlschrank, der mit direkter Sonnenenergie betrieben wird, lässt sich auch oben und nicht nur vorne öffnen. Kalte Luft ist schwer, und so geht auf diese Weise viel weniger Energie verloren, wenn jemand die Tür öffnet. All diese Design-Entscheidungen führen zu einer spektakulären Energieeffizienz. Eine Studie über Kühlschränke mit direkter Sonneneinstrahlung in sehr sonnigen Regionen (Texas und New Mexico, USA) zeigte, dass sie ihre Kühlleistung 6 oder 7 Tage lang ohne Stromzufuhr aufrechterhalten konnten. Die Geräte wurden das ganze Jahr über mit Sonnenkollektoren von nur 80 bis 120 Watt betrieben. ¹⁵ Die Living Energy Farm betreibt ihren Solarkühlschrank mit einem 200-W-Panel. ¹⁰

Bild: Der Sundanzer DDR165. Ein Kühlschrank, der eigens für direkte Sonnenenergie entwickelt wurde. Foto: Sundanzer.

Im Gegensatz zur solaren Heizung ist die solare Kühlung optimal auf die jahreszeitlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlung abgestimmt. Im Sommer, wenn mehr Sonnenenergie vorhanden ist, wird mehr Energie für die Kühlung benötigt. Der oben erwähnte Kühlschrank in New Mexico verzeichnete einen Energieverbrauch von 406 Wattstunden pro Tag im Sommer und nur 230 Wattstunden im Winter. ¹⁶ Außerdem kann die Technologie in der gesamten Kühlkette eingesetzt werden, von der der Haushaltskühlschrank nur ein kleiner (aber wesentlicher) Teil ist. Eine weitere Anwendung ist die Luftkühlung, die allerdings weniger gut erforscht und schwieriger zu realisieren ist. ¹⁷

Ein Elektroherd, mit direkter Sonnenenergie betrieben

Im Prinzip kann auch ein herkömmlicher Herd direkt an ein Solarmodul angeschlossen werden, aber wie bei einem herkömmlichen Kühlschrank ist das nicht sehr praktisch. Man kann nur tagsüber kochen, und man muss viele Solarpanels installieren. Eine einzige Kochplatte benötigt 1000 Watt elektrische Leistung. Ein elektrischer Solarkocher löst diese Probleme, indem er das Kochfeld mit einer Wärmedämmung ausstattet. Die Technologie ist im Grunde eine Kombination aus einem Elektrokochfeld und einer Kochkiste.

Bild: Test eines elektrischen Solarkochers. Foto: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Dank der Wärmedämmung speichert ein elektrischer Solarkocher tagsüber langsam Wärme, die dann nach Sonnenuntergang zum Kochen genutzt werden kann. Auf diese Weise kann eine viel geringere Stromzufuhr ausreichen, um hohe Temperaturen zu erreichen. Stellen Sie sich vor, Sie „laden“ Ihren Herd nicht mit Strom, sondern mit Wärme auf.

Forscher der US-amerikanischen California Polytechnic State University (Cal Poly) haben 2015 den ersten elektrischen Solarkocher gebaut. Ihr 12-Volt-Gerät, das inzwischen weiterentwickelt wurde, benötigt nur ein 100-W-Solarpanel, um zu funktionieren. Es kocht einen Liter Wasser in einer Stunde. Bei einem ganzen Tag Sonnenlicht können damit fast 5 kg Bohnen, Reis, Eintopf oder Kartoffeln gekocht werden. ¹⁸

Das Kochen nach Sonnenuntergang ist möglich, wenn ein Kochtopf mit einem viel dickeren Boden (5-10 kg) verwendet wird. Dem Forschungsteam des Cal Poly gelang es, die Temperatur dieses festen Wärmespeichers mit einem 100-W-Sonnenkollektor in fünf Stunden auf 250 °C zu bringen. Anschließend konnten sie einen Liter Wasser nach Sonnenuntergang in drei Sekunden zum Kochen bringen. In einem anderen Test haben sie 1 kg Gemüse in zwei Minuten angebraten. Die ideale Konfiguration besteht aus zwei Kochtöpfen: einem mit und einem ohne Wärmespeicher. So kann ein elektrischer Solarkocher sowohl langsam als auch schnell kochen, je nach Tageszeit und Gericht. ¹⁹

Bild: Das Prinzip eines elektrischen Solarkochers mit festem Wärmespeicher. Zeichnung: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Thermisch oder elektrisch?

Wie die solare Warmwasserbereitung und Raumheizung können auch Kochen und Kühlen sowohl mit als auch ohne Strom funktionieren - mit PV-Paneelen einerseits und solarthermischen Kollektoren andererseits. Doch während die solare Raumheizung und Warmwasserbereitung ohne Strom kosten- und energieeffizienter sind, ist es bei der solaren Kühlung und dem solaren Kochen genau umgekehrt.

Für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung sind relativ geringe Temperaturunterschiede erforderlich, die durch kostengünstige thermische Solarkollektoren aus Glasplatten und Wasserrohren erzeugt werden können. Zum Kühlen und Kochen hingegen sind größere Temperaturunterschiede erforderlich, für die anspruchsvollere (Vakuumröhren- oder Parabolrinnen-) Sonnenkollektoren benötigt werden - und diese sind teurer als PV-Module. ²⁰ ²¹

Die einzige Ausnahme ist ein einfacher Solarkocher - ein isolierter Kasten mit einer Glasplatte. Allerdings kann er keine so hohen Temperaturen erreichen. Außerdem hat ein elektrischer Solarkocher einige zusätzliche Vorteile. Mit einem nicht-elektrischen Gerät muss man draußen kochen, was weniger praktisch, aber auch weniger effizient ist, vor allem im Winter: Ein thermischer Solarkocher verliert mehr Wärme an die Umgebung. Ein elektrischer Solarkocher ist außerdem energieeffizienter, da er von allen Seiten isoliert ist. Er funktioniert auch besser bei bewölktem Wetter und kann nach Sonnenuntergang verwendet werden. Auf der Living Energy Farm wird der Parabolspiegel-Solarkocher nur unter optimalen Bedingungen eingesetzt - bei voller Sonne und hohen Außentemperaturen.

Worin besteht die technische Herausforderung?

Obwohl die Living Energy Farm all diese Anwendungen der direkten Sonnenenergie in die Praxis umsetzt, gibt es einige technische Herausforderungen für diejenigen, die diesem Beispiel folgen wollen. Fast alle unsere modernen Technologien sind darauf ausgelegt, mit einer stabilen und nicht unterbrochenen Stromversorgung zu arbeiten. Das muss nicht so sein, aber im Moment erfordert die direkte Sonnenenergie in der Regel etwas Bastelei. Ein direktes Solarsystem ist viel einfacher zu bauen als ein autonomes System mit Batterien, aber es erfordert oft Modifikationen auf der Geräteseite.

Einige Geräte können direkt an ein Solarmodul angeschlossen werden: Es genügt, die positiven und negativen Kontakte des Solarmoduls und des Geräts zu verbinden. Maschinen mit Gleichstrommotor zum Beispiel vertragen große Schwankungen in der Stromversorgung. Die Metallwerkstatt und die landwirtschaftlichen Maschinen auf der Living Energy Farm funktionieren auf diese Weise. Wenn die Sonne durch Wolken verdeckt wird, kann die kombinierte elektrische Last größer werden als die von den Solarmodulen gelieferte Energie, aber das stoppt die Maschinen nicht. Alle Motoren werden langsamer, weil sie sich die verfügbare Energie teilen, aber sie verrichten alle weiterhin nützliche Arbeit. ¹⁰ ²²

Das Gleiche gilt für alle Geräte, die auf der Basis von Widerstandsheizelementen arbeiten, wie Wasserkocher, Kochplatten oder elektrische Heizsysteme. Sie arbeiten unabhängig von Leistung und Spannung, nur eben langsamer oder schneller. Ein direkt solarbetriebener Kühlschrank arbeitet vorzugsweise mit einem variablen Gleichstromkompressor, der seine Geschwindigkeit an die schwankende Solarstromproduktion anpassen kann. ¹⁰ ²³

Viele andere Geräte benötigen eine bestimmte und stabile Eingangsspannung, die in der Regel nicht mit der vom Solarmodul erzeugten Spannung übereinstimmt. Dieses Problem lässt sich lösen, indem man einen DC-DC-Wandler (einen „Buck“- oder „Boost“-Wandler) zwischen das Solarpanel und das Gerät schaltet. Dabei handelt es sich um ein kleines elektronisches Modul, das die schwankende Gleichspannung eines Solarmoduls in eine konstante Ausgangsspannung für ein Gerät mit niedriger Spannung umwandelt (5 V, 12 V oder höher). ²⁴

Bild: Experimente mit direkter Sonnenenergie. Foto: Marie Verdeil.

Wenn sie zusätzlich einen Wechselrichter verwenden, können sogar Wechselstrom-Geräte direkt an einem Solarpanel betrieben werden. ²⁵ DC-DC-Wandler sind für alle Geräte, die elektronische Komponenten enthalten, unerlässlich. Das ist heute bei vielen Geräten der Fall, auch bei solchen, die bis vor kurzem noch ohne Elektronik auskamen, wie z. B. Waschmaschinen oder Kaffeemaschinen. Daher gibt es oft zwei Möglichkeiten, solche Geräte mit direktem Solarstrom zu betreiben. Entweder man baut einen Gleichspannungswandler ein oder man modifiziert das Gerät, indem man die Elektronik umgeht.

Selbstbauanleitungen und kommerzielle Geräte

Die meisten Anwendungen der direkten Solarenergie arbeiten mit Kleinspannung, so dass man in den Selbstbau einsteigen kann. Das Low-tech Magazine wird demnächst eine Anleitung dazu veröffentlichen. Die Living Energy Farm verwendet jedoch für eine Reihe von Anwendungen Gleichstrom mit höheren Spannungen. Beispiele dafür sind die Werkzeugmaschinen in der Metallwerkstatt (90V) und eine Reihe von leistungsstarken elektrischen Solarkochern (48V, 180V). Es ist keine gute Idee, diese Systeme selbst zu bauen, wenn Sie nicht die Hilfe eines qualifizierten Elektrikers haben, da diese Spannungen zu tödlichen Unfällen führen können.

Wer seinen eigenen elektrischen Solarkocher (mit niedriger Spannung) bauen möchte, findet sowohl bei Living Energy Farm als auch bei Cal Poly umfassende Anleitungen. ²⁶ Die Geräte können mit einfachen Materialien hergestellt werden. Das Isoliermaterial sollte feuerfest sein. Beispiele sind Steinwolle, Glasfaser, Naturwolle oder Ton.

Für Heizelemente können verschiedene Technologien verwendet werden, aber das Einbetten von Nickelchromdrähten in Zement ist die einfachste Möglichkeit. Diese Drähte können von einer Vielzahl von Geräten wie Toastern, Öfen und Kochplatten übernommen werden. Im Prinzip können die Heizdrähte direkt am Kochtopf angebracht werden, aber es ist praktischer, ein beheiztes „Nest“ zu bauen, in das ein Topf gestellt werden kann.

Bild: Von der Arbeit von Cal Poly inspiriert entwickelte Living Energy Farm auch eine gewisse Zahl von elektrischen Solarkochern. Einer wird [auf ihrer Website zum Verkauf angeboten](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). Der "Roxy Oven" kann als Kochplatte oder als Ofen verwendet werden, zum Beispiel, um Brot zu backen. Die Tür bleibt auch dann geschlossen wenn das Gerät als Kochplatte genutzt wird. Dieser Solarkocher speichert keine Energie.

Bild: Der "Roxy Oven" ohne Tür und mit Sicht auf die Isolierung mit Glaswolle. Das Gerät - das in der Metallwerkstätte mit direkter Sonnenenergie hergestellt wurde - benötigt 48V und ein Solarpanel mit 200 bis 500 Watt. Living Energy Farm bietet außerdem den Solarkühlschrank von Sunstar [im online-Verkauf an](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

Wird Energie verschwendet bei direkter Sonnenenergie?

Die Nachhaltigkeit einer Solaranlage hängt nicht nur von der Energie ab, die für die Herstellung und Wartung der Infrastruktur benötigt wird, sondern auch von der Energie, die von den Solarmodulen während ihrer Lebensdauer erzeugt wird. Einige mögen argumentieren, dass die direkte Nutzung von Solarenergie in dieser Hinsicht herkömmlichen netzgekoppelten oder batteriebetriebenen Solaranlagen unterlegen ist.

Schließlich werden Staubsauger, Waschmaschine und Bohrmaschine nicht jeden Tag benutzt, und wenn kein elektrisches Gerät angeschlossen ist, wird auch ein Solarmodul keinen Strom erzeugen. Folglich nimmt die vom Modul erzeugte Strommenge im Laufe seiner Lebensdauer ab, während der Energiebedarf für die Herstellung des Moduls gleich bleibt. Dies macht den Strom aus einem direkten Solarmodul kohlenstoffintensiver.

Da jedoch die Energiespeicherung in Batterien (oder die netzgekoppelte Alternative) einen so großen Anteil an der investierten Gesamtenergie ausmacht, kann ein eigenständiges Solarmodul ziemlich viel Energie verschwenden, bevor es weniger nachhaltig ist als sein Gegenstück mit Batteriespeicher oder Netzanschluss.

Außerdem entfallen bei der direkten Nutzung von Solarstrom die durch Batterien verursachten Lade- und Entladeverluste oder die Energieverluste in der Übertragungsinfrastruktur bei netzgekoppelten Systemen. Beides muss durch zusätzliche Solarmodule ausgeglichen werden. Außerdem vergeuden an Batterien oder das Netz angeschlossene Solarmodule auch Energie - eine Folge des großen Unterschieds in der Energieerzeugung zwischen Sommer und Winter.

Maximierung der direkten Sonnenenergie mit kollektiven Dienstleistungen

Dennoch ist es wichtig, die Energieproduktion eines direkten Solarmoduls zu maximieren. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, kurz auf das ursprüngliche Beispielsystem auf meinem Balkon zurückzukommen. Direkte Sonnenenergie könnte eine schöne Ergänzung zu diesem System sein, insbesondere für den Kühlschrank und den Herd. Wegen dieser Geräte bin ich 2016 zu dem Schluss gekommen, dass es unmöglich ist, meine Wohnung vollständig vom Stromnetz zu trennen.

Die Living Energy Farm zeigt jedoch, dass das möglich ist: Auf dem Balkon ist Platz für weitere 200 Watt Solarmodule (4 x 50 W), genug, um sowohl einen wärmeisolierten Kühlschrank als auch ein Kochfeld zu betreiben. Eine zusätzliche Batteriekapazität wäre nicht erforderlich.

Für andere Geräte ist direkter Solarstrom in meinem Fall jedoch kaum von Nutzen. Es wäre nicht sehr effizient, ein zusätzliches Solarpanel für die Waschmaschine oder die Bohrmaschine zu installieren, da sie nur gelegentlich benutzt werden. Das scheint einem „intelligenten“ Stromnetz in die Hände zu spielen, denn auf diese Weise können viele Haushalte denselben Solarstrom nutzen - es gibt immer jemanden, der Wäsche waschen oder ein Loch bohren muss.

Ein solches intelligentes Netz erfordert jedoch eine umfangreiche Infrastruktur, selbst wenn direkte Sonnenenergie in dieser Größenordnung genutzt werden würde. Es braucht vielleicht keine Batterien oder fossile Brennstoffe als Backup, aber es braucht eine Übertragungs- und Kommunikationsinfrastruktur.

Bild: Ein Schallplattenspieler, mit direkter Sonnenenergie betrieben. Foto: Marie Verdeil. [Video](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

Die Living Energy Farm zeigt eine alternative Lösung: die gemeinschaftliche Organisation von Haushaltsaufgaben und Arbeit. Anstelle eines kommunalen Stromnetzes, das Energie an viele einzelne Haushalte verteilt, können wir kollektive Dienste mit dezentraler Energieerzeugung einrichten.

In der Gemeinschaftswerkstatt der Living Energy Farm kann direkter Solarstrom viel effizienter genutzt werden als in einer einzelnen Werkstatt, die nur gelegentlich genutzt wird. Eine kollektive Wäscherei in jeder Straße würde ebenfalls die direkte Sonnenenergie viel effizienter nutzen. Außerdem sparen wir auf diese Weise eine Menge Energie bei der Herstellung von Geräten und gewinnen eine Menge Platz.

Direkte Windenergie?

Diese Strategie wird noch wichtiger, wenn wir uns nicht für direkte Sonnenenergie, sondern für direkte Windenergie entscheiden - oder für eine Kombination aus beidem. Die Living Energy Farm befindet sich in einer sonnigen Region, aber der gleiche Ansatz könnte auch an windigen Orten funktionieren.

Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen Solarenergie und Windenergie. Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls hängt nicht von seiner Größe ab, was die Solarenergie ideal für die dezentrale Energieerzeugung macht. Im Gegensatz dazu steigt der Wirkungsgrad einer Windturbine mit zunehmendem Rotordurchmesser überproportional. Viel besser als eine Windturbine pro Haushalt ist daher eine etwas größere Windturbine für eine Gemeinschaft von Haushalten, z. B. für den Betrieb einer gemeinsamen Wäscherei oder Werkstatt.

Die Lebensdauer von Blei-Säure-Batterien hängt von vielen Faktoren ab. Wenn sie zu tief entladen oder nicht regelmäßig vollständig aufgeladen werden, kann die Lebensdauer kürzer als drei Jahre sein. Andererseits kann eine Blei-Säure-Batterie, die kaum oder gar nicht entladen wird, viel länger als fünf Jahre halten. In der Fachliteratur wird jedoch eine Lebenserwartung von drei bis fünf Jahren angegeben, und dies ist auch meine Erfahrung mit den Batterien, die ich seit 2016 verwende. Siehe, zum Beispiel “Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage”, A. Celik, in “Progress in Photovoltaics: Research and Applications”, 2008. und “Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects”, E.A. Alsema, in “Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion”, July 1998. ↩︎
Um eine Blei-Säure-Batterie herzustellen (in weiten Teilen aus wiederverwendetem Material) braucht es etwa 1 MJ Energie je Wattstunde Speicherkapazität. Meine Batterie mit 100 Ampèrestunden entspricht einer Speicherkapazität von 1200 Wattstunden, und demnach beträgt die graue Energie 1200 MJ. In 30 Jahren brauche ich im besten Fall sechs dieser Batterien, das ergibt also 7200 MJ insgesamt. Quelle: “Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” and “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). Energy Conversion and Management 46, 2005. ↩︎
Über die graue Energie von Ladereglern gibt es nicht viel Forschung. Die klarste Aussage, die ich gefunden habe, geht von einem Wert von 1 MJ pro Watt Spitzenleistung aus: Kim, Bunthern, et al. “Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries.” Journal of cleaner production 208 (2019): 1459-1468. Bei einer Leistung von 120W (mein Laderegler hat eine Maximalleistung von 10A x 12V = 120W), entspricht dies 120 MJ. Die geschätzte Lebensdauer wird mit Werten zwischen 7 und 12.5 Jahren angegeben: gleiche Literatur wie oben und außerdem: Kim, Bunthern, et al. “Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment.” IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Deshalb habe ich eine geschätzte Lebensdauer von 10 Jahren berechnet. ↩︎
Nawaz, I., and G. N. Tiwari. “Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level.” Energy Policy 34.17 (2006): 3144-3152. Folgt man dieser häufig zitierten Quelle braucht man 3500 MJ, um 1 qm Solarpanelfläche herzustellen. Meine zwei Solarpaneele haben zusammen eine Fläche von 0,65 qm, was Gesamtenergiekosten von 2275 MJ entspräche. Eine neuere Literaturübersicht schätzt die Energiekosten für die Herstellung verschiedenartiger Solarpaneele auf den Bereich zwischen 1034 and 5150 MJ/qm. Die dort enthaltenen jüngsten Untersuchungen zu Solarmodulen aus Silizium schätzen die Energiekosten auf etwa 1000 MJ/qm, viel geringer als die Zahl, die ich verwende. Siehe: Ludin, Norasikin Ahmad, et al. “Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018): 11-28. ↩︎
Lithium-Ionen-Batterien sind wesentlich teurer als Blei-Säure-Batterien, aber im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien können sie tiefer entladen werden (bis zu 15 % ihrer Gesamtkapazität) und haben eine längere Lebensdauer (7 bis 10 Jahre). Folglich werden weniger und kleinere Batterien benötigt. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren belaufen sich die Kosten für die Lebensdauer der Batterie auf 750 Euro im Vergleich zu 1020 Euro für Bleibatterien. Andererseits erfordern Lithium-Ionen-Batterien einen anspruchsvolleren und teureren Laderegler: Ein 10-A-Laderegler kostet je nach Qualität zwischen 200 und 600 Euro. Geht man von einem Preis von 400 Euro für den Laderegler und einer Lebensdauer von 10 Jahren sowohl für die Batterie als auch für den Laderegler aus, so macht die Batteriespeicherung 95 % der Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer aus (insgesamt 2070 Euro, viel mehr als die Gesamtkosten für das System mit Blei-Säure-Batterien). Quellen: https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎
Die Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie kostet zwar mehr Energie als die einer Blei-Säure-Batterie (1,4-1,9 MJ/Wh gegenüber 1 MJ/Wh), doch wird dies durch eine längere Lebensdauer und eine höhere Entladekapazität ausgeglichen. Die Energiekosten von Lithium-Ionen-Batterien über eine Lebensdauer von 30 Jahren liegen dann bei etwa 3000 MJ und damit deutlich unter denen eines vergleichbaren Blei-Säure-Batteriesystems. Im Gegensatz dazu enthält der Laderegler eine komplexere Elektronik. Leider gibt es keine Angaben zu den Energiekosten eines solchen Ladereglers. Es bleibt also nichts anderes übrig, als die Energiekosten auf der Grundlage der finanziellen Kosten zu schätzen, die vier- bis zwölfmal so hoch sind wie die eines Ladereglers für eine Blei-Säure-Batterie. Geht man von viermal höheren Kosten aus, steigt die eingebettete Energie des Ladereglers auf 480 MJ bzw. 1440 MJ über einen Zeitraum von 30 Jahren. Die Gesamtenergiekosten für das System betragen dann 6685 MJ, weniger als bei einem vergleichbaren System mit Blei-Säure-Batterien. Davon entfallen fast 70 % auf den Batteriespeicher. ↩︎
Nickel-Eisen-Batterien sind noch größer und schwerer als Blei-Säure-Batterien und müssen regelmäßig gewartet werden. Aber sie können vollständig entladen werden und haben eine sehr lange Lebensdauer (20 Jahre). Außerdem können sie mit denselben Ladereglern wie Blei-Säure-Batterien verwendet werden. Die Lebensdauerkosten über 30 Jahre für die Batterie betragen 750 € und sind damit günstiger als die sechs Bleibatterien mit ähnlicher Kapazität. Die Gesamtkosten für die Lebensdauer eines Nickel-Eisen-Batteriesystems mit 100-W-Solarmodulen belaufen sich auf 1.020 €, wovon 85 % auf die Energiespeicherung entfallen. Leider sind Nickeleisenbatterien schwer zu finden, vor allem die kleineren Modelle. Quellen: https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ und https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
Bei einer etwas größeren Solaranlage wäre der Preis der Solarmodule proportional sogar noch geringer. Das liegt daran, dass Solarmodule mit kleinen Abmessungen (z. B. 50 W) pro Watt Spitzenleistung proportional teurer sind als Solarmodule mit herkömmlichen Abmessungen (ab 250 W). Mehr oder weniger dasselbe gilt für die Energiekosten. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, der Gründer der Living Energy Farm, hat ein Buch über das Projekt geschrieben, das online erhältlich ist: Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. Es kann auch als gedrucktes Buch bestellt werden. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Da bei direkter Sonnenenergie kein Laderegler für jedes einzelne System erforderlich ist, verursacht die Aufteilung einer Solaranlage keine zusätzlichen Kosten und keinen zusätzlichen Energieverbrauch. ↩︎
Untersuchungen zeigen, dass eine Verdoppelung der Isolierstärke von 2,5 cm (Standardisolierung) auf 5 cm den jährlichen Stromverbrauch eines Kühlschranks (50 Liter Fassungsvermögen) von 250 auf 125 Kilowattstunden reduziert. ¹³ Bei einer Dämmdicke von 10 bis 12,5 cm halbiert sich der Stromverbrauch nochmals auf etwa 60 Kilowattstunden pro Jahr. Eine noch dickere Isolierung führt zu einer geringeren Verringerung des Stromverbrauchs und ist nicht mehr attraktiv, da eine dickere Isolierung auch die Kosten und die Größe des Kühlschranks erhöht. Die Studie bezieht sich auf einen solarbetriebenen Wechselstrom-Kühlschrank, der mit einem Wechselrichter und einer Batterie betrieben wird, was weniger energieeffizient ist als ein direkt solarbetriebener Kühlschrank. ↩︎
Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, and Jyotirmay Mathur. “Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator.” Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014): 55-67. ↩︎ ↩︎
Diese thermische Masse kann im wahrsten Sinne des Wortes ein Behälter mit Wasser sein, der im Inneren des Kühlschranks platziert wird, oder einige Wasserflaschen zum Trinken. Das Wasser kann aber auch in Behältern an der Seite des Geräts aufbewahrt werden, hinter einer Innenverkleidung, die sie an Ort und Stelle hält und vor Blicken verbirgt. Wasser hat eine höhere Wärmespeicherdichte als Luft und hält die Temperatur länger stabil. ↩︎
Ewert, M., et al. “Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results.” Proceedings of the solar conference. American solar energy society; American institute of architects, 2002. ↩︎ ↩︎
Dieser Vorteil gilt nur, wenn der Kühlschrank in einem unbeheizten Raum aufgestellt wird. Die moderne Gewohnheit, einen Kühlschrank in einer beheizten Küche aufzustellen, wenn die Außentemperatur im Winter gleich oder niedriger ist als die Temperatur im Kühlschrank, ist natürlich eine absurde Verschwendung. Aber auch in tropischen Ländern, in denen das ganze Jahr über hohe Temperaturen herrschen, gilt dieser Vorteil nicht. ↩︎
Die Nutzung direkter Sonnenenergie zur Raumkühlung wurde nicht so gründlich untersucht wie die Nutzung von Haushaltskühlschränken. Siehe: Luerssen, Christoph, et al. „Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications.“ Applied Energy 273 (2020): 115145. Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass damit gleichgroße Energieeinsparungen erzielt werden. Ein Kühlschrank ist immer isoliert, aber im Falle eines luftgekühlten Raums oder Gebäudes ist dies nicht unbedingt der Fall. Außerdem wird ein Kühlschrank in einem Raum aufgestellt, in dem eine stabile Temperatur herrscht. Ein Gebäude ist größeren Temperaturschwankungen unterworfen und kann auch durch direkte Sonneneinstrahlung aufgeheizt werden. Die direkte solare Luftkühlung ist also viel komplizierter. Siehe: Qi, Ronghui, Lin Lu, and Yu Huang. “Parameter analysis and optimisation of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions.” Energy conversion and management 106 (2015): 1387-1395. ↩︎
Solarelektrisches Kochen, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Siehe auch diese Präsentation vom gleichen Autor. ↩︎
Isolierter Solarelektrischer Kocher mit Wärmespeicherung, Andrew McCombs et al., 2022. Siehe auch dieses Video. ↩︎
Siehe: Ferreira, Carlos Infante, and Dong-Seon Kim. “Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data.” International Journal of Refrigeration 39 (2014): 23-37. ///// Riffat, James, et al. “Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations.” International Journal of Green Energy 19.10 (2022): 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. “Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage.” Building and Environment 206 (2021): 108324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. “Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview.” Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022): 7911-7944. ↩︎
Mangels Forschungsergebnissen ist nicht klar, ob dies auch für die graue Energie gilt. ↩︎
In beiden Fällen ist es jedoch notwendig, den Schalter des Geräts zu umgehen, da Gleichstrom mehr Wärme erzeugt als Wechselstrom. Stattdessen kann ein geeigneter externer Schalter helfen, aber damit umgeht man den Sicherheitsmechanismus des Geräts, was natürlich ein Risiko darstellt. ¹⁰ Auch dies muss nicht der Fall sein: Es ist technisch möglich, Geräte zu bauen, die für direkten Solarstrom geeignet sind. ↩︎
Ein Kompressor mit fester Drehzahl kann nur 50 % des erzeugten Solarstroms sinnvoll nutzen, während ein Kompressor mit variabler Drehzahl etwa 75 % sinnvoll nutzt. ¹⁵ Ein Kondensator wird benötigt, um dem Kompressor in der Startphase einen Energieschub zu geben. ↩︎
Anstelle eines DC-DC-Wandlers können Sie auch eine kleine „Pufferbatterie“ und einen Laderegler einbauen. Wie ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler sorgt der Laderegler für eine stabile Ausgangsspannung. Darüber hinaus kann die kleine Batterie einen begrenzten Energiespeicher bereitstellen, der nützlich sein kann, um kurze Stromspitzen zu verarbeiten. Einige Geräte weisen beispielsweise beim Aufladen eine Stromspitze auf. Der Nachteil einer Pufferbatterie ist, dass die Kosten und die eingebaute Energie steigen und zusätzliche Komponenten ausfallen können. Ein Kondensator wäre eine andere Technologie zum Abfangen von Stromspitzen. ↩︎
Die Verwendung von Niederspannungs-Gleichstromgeräten ist jedoch wesentlich energieeffizienter, da Solarmodule ebenfalls Niederspannungs-Gleichstrom erzeugen: https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎
Bauanleitung für isolierten Solarkocher, Living Energy Farm. Bedienungsanleitung für isolierten Solarkocher, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Bedienungsanleitung Roxy Oven, Living Energy Farm. Videopräsentation solarelektrische Kocher, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Video-Handbuch für die Herstellung von Heizdrähten. Thermische Wärmespeicherung: Isolierter solarelektrischer Kocher mit Wärmespeicher, Andrew McCombs et al., 2022. Siehe auch dieses Video. ↩︎

Wie entkommt man der Eisenzeit?

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

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

Gefangen in der Eisenzeit

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

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

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

Wo steckt der ganze Stahl?

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

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

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

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

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

Der ökologische Fußabdruck der Stahlindustrie

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

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

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

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

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

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

Wie kann man Stahl ohne fossile Brennstoffe herstellen?

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

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

Nicht genug Schrott vorhanden

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

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

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

Immer hochwertigere Stahlsorten

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

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

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

Stahl und erneuerbare Energie

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

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

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

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

Stahl und Windkraft

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

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

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

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

Kürzere Lebensdauer

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

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

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

Infrastruktur für die Energieübertragung

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

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

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

Kohlenstoffarme Netze können nicht aus recyceltem Stahl hergestellt werden

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

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

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

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

Die Hightech-Lösungen

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

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

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

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

Die Lowtech-Lösungen

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

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

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

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

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

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

Mit Muskelkraft betriebenes Luftkompressor— und Energiespeichersystem

Sun, 09 Jul 2023 00:00:00 +0000

Bild: Mit Muskelkraft betriebenes Luftkompressor- und Energiespeichersystem. Foto von Andy Lagzdins.

Wenn ich mich in meiner Motorradwerkstatt umschaue, sehe ich überall Druckluftwerkzeuge. Von Handgeräten wie Schlagschraubern, Schleifmaschinen, Schneidwerkzeugen, Sägen und Winkelschleifern bis hin zu großen Geräten wie einer Sandstrahlkabine und einer Bereifungsmaschine – Druckluft ist ein wesentlicher Faktor bei der Verrichtung einer Vielzahl von Arbeiten.

Der Druckluftkompressor, den ich seit den 1990er Jahren einsetze, verwendet einen 220-Volt-Elektromotor mit 7 PS, der eine zweistufige Druckluftpumpe mit 800 Umdrehungen pro Minute antreibt, die den 80-Gallonen-Tank in etwa fünf Minuten auf 150 psi füllt. Die Maschine ist so zuverlässig, dass ich kaum noch auf sie achte. Erst bei einem Stromausfall wird mir bewusst, wie sehr ich mich auf den ständig verfügbaren Vorrat an Druckluft verlasse.

Weil in unserer sich schnell verändernden Welt preiswerte und verlässliche Energie immer weniger selbstverständlich ist, hatte ich mir vorgenommen, ein System zu bauen, mit dem ich meine Drucklufttanks ohne Strom oder Treibstoff füllen kann. Meine Konstruktion sollte frei von jeglicher Elektronik sein, und die Komponenten sollten bei minimaler Wartung ein Leben lang halten. Ich wollte so viele gebrauchte Teile wie möglich verwenden, um die Kosten niedrig zu halten und zu Recycling und Wiederverwertung anzuregen.

Komponenten

Als Erstes musste ich einen Drucklufttank finden. Ich fand einen 80 Gallonen (300 Liter) Ingersoll Rand Druckluftkompressor, der 1952 hergestellt wurde. Ich entfernte die Druckluftpumpe und den Elektromotor. Die ursprüngliche Pumpe wurde durch eine neue von Speedaire ersetzt, die für 115 psi ausgelegt ist und normalerweise einen 0,5-PS-Motor zum Betrieb benötigt. Die Pumpe ist an der Oberseite des Druckufttanks mit einer Stahlplatte befestigt, die mit der ursprünglichen Motorplatte verschraubt ist.

An der Stelle des Elektromotors habe ich eine massive Stahlwelle mit selbstzentrierenden Stehlagern installiert. Diese Welle trägt drei 20 kg schwere Kompressorscheiben, die als Schwungräder dienen, um den Betrieb zu stabilisieren. Diese Riemenscheiben haben eine 1 ⅜"-Bohrung und einen Durchmesser von 16". Ein einzelner Keilriemen der Größe 4L verbindet die Schwungradwelle mit der Druckluftpumpe.

Bild: Kompressor und Kompressor-Riemenscheiben als Schwungräder. Foto von Andy Lagzdins.

Bild: Massive Stahlwelle mit drei Kompressor-Riemenscheiben, die als Schwungräder dienen. Foto von Andy Lagzdins.

Als Nächstes stand die Suche nach einem auf Muskelkraft basierenden Antrieb zum Drehen der Schwungräder auf dem Programm. Ich fand einen Schwinn-Heimtrainer aus den 1970er Jahren, der sehr gut konstruiert war und fast nur aus Stahlteilen bestand. Ich zerlegte ihn bis auf das Nötigste und baute eine Sturmey Archer Nabenschaltung mit acht Gängen anstelle des ursprünglichen Speichenrads ein. Diese Nabe hat einen Übersetzungsbereich von 1:1 bis 3,25:1, und die Gänge werden mit einem Hebel am Lenker geschaltet.

Um das Treten zu erleichtern, wurden die Tretkurbeln durch Kurbelarme aus Cr-Mo-Stahl, abgedichtete Lager und Plattformpedale von einem BMX-Rennrad ersetzt. Lenker und Vorbau wurden ebenfalls durch Cr-Mo-Komponenten ersetzt, um das Durchbiegen bei starker Beanspruchung zu minimieren, und für hohe Belastbarkeit wurden ⅛"-Fahrradketten verwendet.

Anschließend wurden der ehemalige Heimtrainer und der Druckluftbehälter ausgerichtet und in der richtigen Position auf einen Rahmen aus Kanthölzern (15x15cm) montiert. Das Ausgangsritzel des Fahrrads wurde durch eine weitere Kette mit einem ähnlichen Ritzel am Ende der Schwungradwelle verbunden. Damit war das Antriebssystem komplett.

Bild: Ein Schwinn-Heimtrainer aus den 1970er Jahren. Die Tretkurbel wurde durch Kurbelarme aus Cr-Mo-Stahl, abgedichtete Lager und Plattformpedale von einem BMX-Rennrad ersetzt. Foto von Andy Lagzdins.

Bild: Sturmey Archer Nabenschaltung mit acht Gängen. Foto von Andy Lagzdins.

Um den Luftstrom zu steuern, habe ich ein zweistufiges System gebaut. Ein 10-Gallonen-Tank (38 Liter) und der 80-Gallonen-Tank (300 Liter) sind mit separaten Ventilen versehen, so dass ich jeden Tank unabhängig voneinander oder beide zusammen befüllen oder Druckluft von einem Tank in den anderen umfüllen kann. Manometer an jedem Tank dienen zur Überwachung des Drucks. Wenn der große Tank zum ersten Mal befüllt wird, bringe ich ihn auf 50 psi, indem ich ihn direkt mit der Druckluftpumpe befülle. Dann beginne ich, den kleinen Tank auf 100 psi aufzufüllen um anschließend die Druckluft von dort aus in den großen Tank zu leiten.

Acht-Gang-Schaltung

Die Acht-Gang-Schaltung ist eine große Hilfe beim Füllen des Drucklufttanks. Wenn der Fülldruck niedrig ist, kann das Fahrrad in den höheren Gängen gefahren werden. Wenn der Druck im Bereich von 70-100 psi liegt, werden die niedrigeren Gänge verwendet, um den wachsenden Widerstand der Druckluftpumpe zu bewältigen.

Um die leeren Tanks auf 100 psi aufzufüllen, muss man sich etwa eine Woche lang täglich 5-10 Mal aufs Fahrrad schwingen. Wenn ich in der Werkstatt viel zu tun habe, ist es eine gute Möglichkeit, einen klaren Kopf zu bekommen, und bei kaltem Wetter wärmt es mich auf und bringt meinen Kreislauf in Schwung. Ich kann einen niedrigen Gang einlegen, wenn ich beim Treten telefonieren oder Musik hören will.

Dass ich in die Pedale treten muss, um die Druckluft zu erzeugen, sorgt dafür dass ich beim Einsatz der Werkzeuge keine Druckluft mehr verschwende, und ich achte auch mehr darauf, dass alle Anschlüsse richtig abgedichtet sind, damit keine Lecks entstehen.

Bild: Druckluftbetriebene Werkzeuge. Bild von Andy Lagzdins.

Die am stärksten strapazierten Teile dieser Maschine sind die Dichtungen der Druckluftpumpe, der Antriebsriemen und die Ketten, die Zahnräder und der zentrale Druckluftschlauch. Ich halte Ersatzteile für diese Teile vorrätig, um einen störungsfreien Betrieb für die nächsten Jahre zu gewährleisten. Alle Teile können mit einfachstem Werkszeug gewartet und repariert werden.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Druckluft zum Antrieb sind die niedrigen Kosten für Druckluftwerkzeuge. Der aktuelle Trend geht zu Akku-Geräten, so dass die Leute ihre “veralteten” Druckluftwerkzeuge verkaufen. Es gibt viele gebrauchte Druckluftkompressoren mit defekten Motoren oder Pumpen zu kaufen, die daher recht preiswert sind. Es gibt ein gutes Angebot an gebrauchten Heimtrainern, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass die Leute sie angeschafft hatten, um ein Fitnessprogramm zu beginnen, aber den Plan nie durchgezogen haben. Meine nächste Änderung wird darin bestehen, einen weiteren 80-Gallonen-Tank hinzuzufügen, um die Speicherkapazität zu erhöhen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hauptvorteile des fahrradbetriebenen Druckluftkompressors darin bestehen, dass kein Strom benötigt wird, dass er jederzeit auch in abgelegenen Gegenden betrieben werden kann, dass er aus größtenteils recycelten Komponenten besteht, die leicht repariert werden können, und dass er keine Betriebskosten verursacht. Es gibt weitere zusätzliche Nebeneffekte, und während ich dieses Gerät benutze, zeigen sich immer mehr positive Wirkungen – insbesondere ein gesunder Körper durch das Treten der Pedale und ein gesunder Geist durch das Denken außerhalb von festgefahrenen Bahnen.

Bild: Mit Muskelkraft betriebenes Luftkompressor- und Energiespeichersystem. Illustration von Andy Lagzdins.

Technische Daten:

Hauptlufttank: 80 Gallonen (300 Liter), horizontal, Ingersoll Rand
Fülltank: 10 Gallonen (38 Liter), 125 psi, SnapOn
Druckluftpumpe: Einstufig, 1 PS Max, 115 psi, Speedaire 40KH94
Heimtrainer: Schwinn Exerciser
Getriebe: 8-Gang-Nabenschaltung, Sturmey Archer S80 XRK8
Schwungräder: Gusseisen, 16" Durchmesser, 1 ⅜" Bohrung
Stehlager: P207 abgedichtet, selbstzentrierend, langer Fuß
Riemen: 4L Keilriemen
Ketten: 1/2 x 1/8 KMC Z1EHX Wide
Ventile: ½" NPT Kugelhähne, Messing
Luftfilter: K&N Pod, Textil- und Stahlgewebe