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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 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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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 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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De Decker, Kris. “Heat your house with a mechanical windmill.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2019). here ↩︎

Wie zirkulär ist die Kreislaufwirtschaft wirklich?

Sat, 03 Nov 2018 00:00:00 +0000

Bild: Illustration von [Diego Marmolejo](https://www.behance.net/diegomarmolejo).

Die Kreislaufwirtschaft – das neuste Zauberwort aus dem Bereich der Nachhaltigkeit – verspricht wirtschaftliches Wachstum ohne Zerstörung oder Abfall. Das Konzept konzentriert sich allerdings auf einen nur kleinen Teil des gesamten Ressourcenverbrauchs und lässt die Gesetze der Thermodynamik außer Betracht.

Eine Einführung in die Kreislaufwirtschaft

In ihrem Bestreben den CO2-Ausstoß zu verringern, ist die Kreislaufwirtschaft für viele Regierungen, Institutionen, Firmen und Umweltorganisationen zu einem wichtigen Instrument geworden. In der Kreislaufwirtschaft würden Ressourcen kontinuierlich wiederverwertet werden, was bedeutet, dass es keinen Abbau von Rohstoffen in Minen mehr gäbe und auch keinen Abfall. Die Betonung liegt auf der Wiederverwertung, die dadurch ermöglicht wird, dass Produkte so entworfen werden, dass man sie leicht entsorgen kann.

Ein weiterer Fokus liegt auf der Entwicklung einer “alternativen Konsumkultur”. In der Kreislaufwirtschaft besitzen wir Produkte nicht mehr, sondern wir leihen sie. Ein Kunde könnte so zum Beispiel für Licht anstatt für ein lichtspendendes Produkt zahlen, wobei die Firma Eigentümer des jeweiligen Produkts bleibt und die Stromrechnung bezahlt. Ein Produkt wird auf diese Art und Weise zu einer Dienstleistung. Man geht davon aus, dass dies Firmen dazu anspornt, die Lebensdauer und Wiederverwertbarkeit ihrer Produkte zu verbessern.

Die Kreislaufwirtschaft wird als Alternative zu einem linearen Wirtschaftsmodell (“Wegwerfwirtschaft”) präsentiert – ein Begriff, der von den Befürwortern der Kreislaufwirtschaft erfunden wurde, und der darauf zurückzuführen ist, dass industrielle Gesellschaften wertvolle Rohstoffe in Abfall verwandeln. Obwohl natürlich klar ist, dass das heutige industrielle Modell nicht haltbar ist, bleibt dennoch die Frage, inwiefern die sogenannte Kreislaufwirtschaft wirklich einen Unterschied machen würde.

Verschiedene wissenschaftliche Studien (s. Quellenverzeichnis) beschreiben das Konzept als “idealisiert”, als einen “Mischmasch verschiedener Ideen aus verschiedenen Disziplinen” oder als “eine vage Idee, die auf pseudowissenschaftlichen Konzepten beruht”. Es gibt drei Hauptkritikpunkte, die im Folgenden besprochen werden.

Zu komplex fürs Recycling

Das erste Problem in Sachen Glaubwürdigkeit hat mit dem Recyclingprozess moderner Produkte zu tun, der weit davon entfernt ist zu 100% effizient zu sein. Eine Kreislaufwirtschaft ist eigentlich nichts Neues. Im Mittelalter wurden alte Kleider zu Papier verarbeitet, Essensreste an Hühner und Schweine verfüttert und neue Gebäude aus Überresten alter Gebäude erbaut. Der Unterschied zwischen damals und heute liegt in den verwendeten Rohstoffen.

Vor der Industrialisierung wurde fast alles aus Materialien hergestellt, die entweder kompostierbar waren – wie Holz, Stroh oder Hanf – oder leicht recycelt oder wiederverwendet werden konnten – wie Eisen und Backstein. Moderne Produkte bestehen aus einer viel größeren Bandbreite an (neuen) Bestandteilen, die oft nicht kompostierbar sind und auch nicht leicht recycelt werden können.

Eine Studie des modularen Fairphone 2 – ein Smartphone, das entworfen wurde, um leicht recycelt werden zu können, und eine längere Lebensdauer haben soll – zeigt zum Beispiel, dass Kunststoffe, Mikrochips und Batterien es unmöglich machen, den Kreislauf zu schließen. Nur 30% der Materialien, die im Fairphone 2 benutzt werden, können wiederverwendet werden. Eine Studie mit LED-Lichtern kam zu einem ähnlichen Ergebnis.

Durch die weitverbreitete Anwendung von Kunststoffen, Mikrochips und Batterien wird es unmöglich, den Kreislauf zu schließen.

Je komplexer ein Produkt, desto mehr Zwischenschritte werden benötigt, um es zu recyceln. Bei jedem Zwischenschritt gehen Energie und Ressourcen verloren. Zumal bei elektronischen Produkten der Herstellungsprozess selbst schon viel mehr Ressourcen verbraucht als das Extrahieren der Rohstoffe, was bedeutet, dass das Recyceln des Endproduktes ohnehin nur einen minimalen Teil des eigentlichen Aufwands wettmachen kann. Und obwohl manche Kunststoffe in der Tat recycelt werden, entstehen bei diesem Prozess schlussendlich minderwertige Materialien (“Downcycling”), die danach schnell im Abfall landen.

Die geringe Effizienz des Recyclingprozesses alleine ist Grund genug, um dem Konzept der Kreislaufwirtschaft den Garaus zu machen: Der Verlust an Rohstoffen während des Recyclingprozesses muss durch weiteren Raubbau an den Ressourcen dieser Erde kompensiert werden. Recycling wird sich natürlich weiterentwickeln, aber es bleibt immer ein Kompromiss zwischen einem Maximum an Wiedergewinnung von Materialien einerseits und einem Minimum an Energieverbrauch andererseits. Was uns zum nächsten Punkt bringt.

Wie Energiequellen recyceln?

Das zweite Glaubwürdigkeitsproblem der Kreislaufwirtschaft hängt damit zusammen, dass 20% der totalen Ressourcen, die weltweit genutzt werden, fossile Brennstoffe sind. Mehr als 98% davon werden als Energiequelle verbrannt und können weder erneut genutzt noch recycelt werden. Im besten Fall kann der Überschuss an Wärme, der etwa bei der Stromerzeugung entsteht, verwendet werden, um andere Wärmequellen zu ersetzen.

Wenn Energie übertragen oder umgewandelt wird, nimmt ihre Qualität ab (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Es ist zum Beispiel unmöglich ein Auto oder ein Kraftwerk mit der überschüssigen Wärme eines anderen Autos oder Kraftwerks zu betreiben. Dementsprechend müssen auch weiterhin fossile Brennstoffe gewonnen werden. Außerdem benötigt das Recyceln von Materialien selbst auch Energie, und zwar sowohl während des eigentlichen Prozesses als auch für den Transport von recycelten oder noch zu recycelnden Materialien.

Die Antwort der Kreislaufwirtschaftsbefürworter hierauf lautet: Dann satteln wir eben auf 100% erneuerbare Energie um! Aber auch dadurch schließt sich der Kreis nicht: Um Kraftwerke und die dazugehörige Infrastruktur für erneuerbare Energie zu bauen und in Stand zu halten, braucht man auch Ressourcen (sowohl Energie als auch Materialien). Darüber hinaus besteht die Technologie, die genutzt wird, um erneuerbare Energie zu gewinnen und zu speichern, aus Materialien, die nur schwer zu recyceln sind. Aus diesem Grund werden Solarzellen, Windturbinen und Lithium-Ionen-Akkus nicht recycelt, sondern verbrannt.

Der Input ist größer als der Output

Das dritte Glaubwürdigkeitsproblem der Kreislaufwirtschaft ist auch gleichzeitig das größte: Die globale Nutzung von Ressourcen – sowohl in Sachen Energie als auch Materialien – wächst von Jahr zu Jahr. Die Nutzung von Ressourcen ist im letzten Jahrhundert um 1400% gestiegen: von 7 Gigatonnen (Gt) im 19. Jahrhundert auf 62 Gt im Jahr 2005 und 78 Gt im Jahr 2010. Das ist ein durchschnittliches Wachstum von etwa 3% pro Jahr – mehr als doppelt so hoch wie das Bevölkerungswachstum.

Wachstum macht eine Kreislaufwirtschaft unmöglich, selbst wenn alle Rohstoffe recycelt würden und Recycling zu 100% effizient wäre. Die Menge an gebrauchten Materialien, die recycelt werden können, wird immer kleiner sein als die Menge an Material, die für Wachstum nötig ist. Um dies zu kompensieren, bauen wir immer mehr Rohstoffe ab.

Wachstum macht eine Kreislaufwirtschaft unmöglich, selbst wenn alle Rohstoffe recycelt würden und Recycling zu 100% effizient wäre.

Die Differenz zwischen Angebot und Nachfrage ist größer als man denken würde. Wenn wir den gesamten Lebenszyklus von Ressourcen in Betracht ziehen, dann wird deutlich, dass die Befürworter der Kreislaufwirtschaft nur einen sehr kleinen Teil des gesamten Systems im Blick haben, und es deswegen falsch verstehen.

Das Anhäufen von Ressourcen

Ein beträchtlicher Teil aller Ressourcen – ungefähr ein Drittel – wird weder recycelt noch verbrannt oder entsorgt: Diese Ressourcen sammeln sich in Gebäuden, in der Infrastruktur und Konsumgütern an. 2005 wurden 62 Gt Ressourcen weltweit verbraucht. Abzüglich der Energiequellen (fossile Brennstoffe und Biomasse) und des Abfalls aus dem Bergbausektors bleiben 30 Gt übrig, die für die Produktion materieller Güter eingesetzt wurden. Davon wiederum wurden 4 Gt genutzt, um Produkte herzustellen, die weniger als ein Jahr lang halten (Einwegprodukte).

Abbildung: Illustration von [Diego Marmolejo](https://www.behance.net/diegomarmolejo).

Die restlichen 26 Gt wurden zur Herstellung von Gebäuden, von Infrastruktur oder Konsumgütern eingesetzt, die länger als ein Jahr halten werden. Im gleichen Jahr wurden 9 Gt aller überschüssigen Ressourcen entsorgt, was bedeutet, dass die “Stocks” des materiellen Kapitals in 2005 um 17 Gt angewachsen sind. Zum Vergleich: Der gesamte Abfall, der 2005 recycelt werden konnte, belief sich nur auf 13 Gt (4 Gt Einwegprodukte und 9 Gt überschüssige Ressourcen), wovon nur ein Drittel (4 Gt) effektiv recycelt werden kann.

Ungefähr ein Drittel aller Ressourcen wird weder recycelt noch verbrannt oder entsorgt, und sammelt sich stattdessen in Gebäuden, in der Infrastruktur und Konsumgütern an.

Nur 9 Gt werden schließlich auf eine Deponie gebracht, verbrannt, oder anderweitig entsorgt – und es sind diese 9 Gt, auf die die Kreislaufwirtschaft ihr Augenmerk legt. Aber selbst wenn diese komplett recycelt würden und der Recyclingprozess zu 100% effizient wäre, wäre der Kreis immer noch nicht geschlossen: 63 Gt an Rohstoffen und 30 Gt an materiellen Gütern würden immer noch fehlen.

So lange wir Rohstoffe akkumulieren, bleibt das Schließen des Materialkreislaufes eine Illusion, selbst für Materialien, die im Prinzip recycelbar sind. Zum Beispiel können recycelte Metalle nur 36% der jährlichen Nachfrage an neuen Metallen decken, obwohl Metall relativ gut recycelbar ist, nämlich zu ungefähr 70%. Wir benötigen trotzdem mehr Rohstoffe für das System als durch Recycling wieder gewonnen werden können – und deswegen gibt es einfach nicht genug recycelbare Rohstoffe, um der kontinuierlich wachsenden extraktiven Weltwirtschaft einen Riegel vorzuschieben.

Das wahre Antlitz der Kreislaufwirtschaft

Eine verantwortlichere Nutzung von Ressourcen ist natürlich eine wunderbare Idee, aber um dieses Ziel zu erreichen, sind Recycling und Wiederverwertung nicht genug. Da 71% aller Ressourcen nicht recycelt oder wiederverwertet werden können (44% davon sind Energiequellen und 27% werden existierenden Stocks zugefügt), kann man nur eine Verbesserung erreichen, indem man den gesamten Verbrauch reduziert.

Eine Kreislaufwirtschaft würde deswegen voraussetzen, dass wir weniger fossile Brennstoffe nutzen (was nicht das Gleiche ist wie mehr erneuerbare Energien zu nutzen) und dass wir weniger Rohstoffe in Konsumgütern akkumulieren. Am allerwichtigsten ist, dass wir weniger Zeug herstellen: weniger Autos, weniger Mikrochips, weniger Gebäude. Das hätte gleich zwei Vorteile: Wir würden weniger Ressourcen benötigen und gleichzeitig würde das Angebot an ausrangierten Materialien für Recycling und Wiederverwertung für viele Jahr gewährleistet sein.

Es ist unwahrscheinlich, dass die Befürworter der Kreislaufwirtschaft diese zusätzlichen Bedingungen akzeptieren würden. Das Konzept der Kreislaufwirtschaft will Nachhaltigkeit und Wirtschaftswachstum miteinander verbinden – in anderen Worten: mehr Autos, mehr Mikrochips und mehr Gebäude. Die Europäische Union zum Beispiel geht davon aus, dass die Kreislaufwirtschaft ein “nachhaltiges Wirtschaftswachstum ermöglicht”.

Selbst die weniger ambitiösen Ziele der Kreislaufwirtschaft – das vollständige Recyceln eines Teils der Ressourcen – setzt eine weitere Kondition voraus, mit der die Befürworter wahrscheinlich auch nicht zufrieden wären: dass alles wieder aus Holz und einfachen Metallen hergestellt wird, und somit auf die Nutzung von Kunststoffen, Halbleitern, Lithium-Ionen-Akkus oder Kompositwerkstoffen verzichtet wird.

Quellenverzeichnis:

Haas, Willi, et al. “How circular is the global economy?: An assessment of material flows, waste production, and recycling in the European Union and the world in 2005.” Journal of Industrial Ecology 19.5 (2015): 765-777.

Murray, Alan, Keith Skene, and Kathryn Haynes. “The circular economy: An interdisciplinary exploration of the concept and application in a global context.” Journal of Business Ethics 140.3 (2017): 369-380.

Gregson, Nicky, et al. “Interrogating the circular economy: the moral economy of resource recovery in the EU.” Economy and Society 44.2 (2015): 218-243.

Krausmann, Fridolin, et al. “Global socioeconomic material stocks rise 23-fold over the 20th century and require half of annual resource use.” Proceedings of the National Academy of Sciences (2017): 201613773.

Korhonen, Jouni, Antero Honkasalo, and Jyri Seppälä. “Circular economy: the concept and its limitations.” Ecological economics 143 (2018): 37-46.

Fellner, Johann, et al. “Present potentials and limitations of a circular economy with respect to primary raw material demand.” Journal of Industrial Ecology 21.3 (2017): 494-496.

Reuter, Markus A., Antoinette van Schaik, and Miquel Ballester. “Limits of the Circular Economy: Fairphone Modular Design Pushing the Limits.” 2018

Reuter, M. A., and A. Van Schaik. “Product-Centric Simulation-based design for recycling: case of LED lamp recycling.” Journal of Sustainable Metallurgy 1.1 (2015): 4-28.

Reuter, Markus A., Antoinette van Schaik, and Johannes Gediga. “Simulation-based design for resource efficiency of metal production and recycling systems: Cases-copper production and recycling, e-waste (LED lamps) and nickel pig iron.” The International Journal of Life Cycle Assessment 20.5 (2015): 671-693.

Der Citroën 2CV: eine saubere Technologie aus den 40ern

Fri, 06 Jun 2008 00:00:00 +0000

Falls man sich wundert, warum energieeffizientere Technologie nicht gleichbedeutend ist mit energieeffizienteren Autos, kann man einen Blick in diese Sammlung von Citroën Broschüren werfen (die meisten in verschiedenen Fremdsprachen) aus den 50ern, den 60ern, den 70ern, und den 80ern (und mehr hier, hier, hier und hier).

Dies sind originale, eingescannte Broschüren des legendären französischen Hippie-Autos “2CV” oder “Deux Chevaux” (in verschiedenen europäischen Ländern auch bekannt als “Ente” oder “Ziege”). Trotz aller Hightech, die mittlerweile in Autos steckt, ist der 2CV von 1949 immer noch energieeffizienter als das kleinste Modell des französischen Automobilherstellers von heute. Warum?

“Der 2CV zeigt uns, dass wir nicht mehr sondern weniger Technologie benötigen, wenn wir wirklich energieeffizientere Autos wollen.”

Der 2CV wurde zwischen 1949 und 1990 hergestellt und beinahe ausschließlich in Europa verkauft. Als er auf den Markt kam, hatte er einen Hubraum von 375 cm³, und eine Leistung von 8 hp (DIN-HP) bei einer Höchstgeschwindigkeit von 65 km/h.

1954 wurde die Leistung auf 10 hp erhöht, wodurch eine Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h erreicht werden konnte. 1974 stieg die Leistung auf 25 hp an, mit einer Höchstgeschwindigkeit von 102 km/h. Spätere Modelle hatten einen Hubraum von 602 cm³, eine maximale Leistung von 30 hp und eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h.

500 kg

Trotz der stark verbesserten Performance (fast eine Verdopplung des Hubraums und der Höchstgeschwindigkeit sowie eine Vervierfachung der Leistung) blieb das Gewicht des Hippie-Autos beständig bei etwa 500kg. (Quellen: 1,2,3)

Heute existiert kein einziges Auto, das auch nur annähernd diese Werte erreicht. Das kleinste Citroën-Modell, das im Moment auf dem Markt ist, der C1, wiegt 810 kg (obwohl leichtere Materialien für seine Herstellung verwendet wurden). Der Citroën C1 hat einen Hubraum von 998 cm³, eine maximale Leistung von 68 hp und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 157 km/h.

8x mehr Leistung

Verglichen mit den ersten 2CV Modellen beträgt das Gewicht des kleinsten Citroëns heute beinahe das Doppelte, die Höchstgeschwindigkeit hat sich mehr als verdoppelt und die Leistung hat sich um ein Achtfaches gesteigert.

Überraschenderweise ist der Verbrauch mehr oder weniger derselbe geblieben. Der C1 verbraucht 4.6 Liter auf 100 km, der 2CV verbrauchte durchschnittlich 4.4 Liter.

Offensichtlich ist der Motor des C1 viel energieeffizienter als der des 2CV Modells, da letzterer die gleiche Menge Brennstoff benötigte, um ein viel leichteres und langsameres Fahrzeug zu bewegen.

In anderen Worten: Wenn wir diese moderne Technologie in einem Auto implementieren würden, das genauso leicht und langsam ist wie der 2CV aus den 50ern, würden wir jetzt Autos fahren, die kaum Brennstoff verbrauchen. Leider wurde aller technologische Fortschritt durch mehr Gewicht, mehr Leistung, höhere Geschwindigkeit, mehr Komfort und mehr Elektronik zunichte gemacht.

Sicherheitsgurte

Ein Teil des extra Gewichts kommt durch zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen. Autohersteller beharren immer auf diesem Punkt – und natürlich ist mehr Sicherheit eine gute Sache. Da aber gleichzeitig die Geschwindigkeit der Autos rasant angestiegen ist, und eine erhöhte Geschwindigkeit mit schwerwiegenderen Unfällen einhergeht, wird ein Teil dieses Fortschritts wieder zunichte gemacht – genauso wie die höhere Energieeffizienz durch eine bessere Performance aufgehoben wird. Zumal letztendlich Sicherheitsgurte der wichtigste Grund dafür sind, dass die Sterblichkeit bei Autounfällen seit den 1970ern gesunken ist, und dieser Mechanismus tatsächlich nur ein geringes Gewicht hat.

Komfort

Ein andere Grund für das höhere Gewicht und den höheren Energieverbrauch sind die Entwicklungen im Bereich Komfort und Elektronik. Die ersten 2CVs hatten ein Armaturenbrett, das den Namen kaum verdiente. Das Auto hatte keine Heizung, oder Klimaanlage, es gab nicht einmal eine Tankanzeige.

Wenn man wissen wollte, wie viel Benzin noch vorhanden war, musste man anhalten und einen Messstab in den Tank stecken.

Wenn man wissen wollte, wie viel Benzin noch vorhanden war, musste man anhalten und einen Messstab in den Tank stecken. Bis in die 1960er wurden die Scheibenwischer durch die Räder gesteuert – und funktionierten deswegen nicht, wenn das Auto stillstand (außer man trieb sie von Hand an).

Die Scheiben des 2CV konnte nicht auf mechanische Weise geöffnet werden, geschweige denn mit Elektrizität: Man musste sie mit dem Ellenbogen aufschieben. In heutigen Autos werden all diese (und jede Menge neue) Applikationen durch einen eigenen elektrischen Motor angetrieben.

Diese Elektronik steigert den Energieverbrauch, da sie das Gewicht des Autos erhöht und selbst Energie verbraucht (Elektrizität die durch den Verbrennungsmotor erzeugt wird). Wenn wir wirklich energieeffizientere Autos wollen, dann zeigt uns der 2CV, dass wir nicht mehr sondern weniger Technologie benötigen.

Broschüren via Things Magazine & Tecnología Obsoleta

Links (in English):

These sites have more information on the Citroën 2CV .

Also check out the brochures of the Panhard, the Hoffmann 2CV, the Dyane, the AMI, the plastic Mehari and other Citroën models.