Sonstige nicht-fossile Energiequellen

Nicht-fossile Energiequellen lassen sich in Solarenergie, Geothermie und Energie aus Planetenbewegung unterteilen, wobei Wind, Wasserkraft und Biomasse auch auf Solarenergie beruhen. 

Geothermische Energienutzung kann unterschieden werden in untiefe Geothermie, die Bohrungen bis ca. $$500$$​ m umfasst und bei der Erdwärme aufgrund des noch geringen Temperaturniveaus in dieser Tiefe als Wärmequelle für Wärmepumpen dient. Die Temperatur in Erdreich steigt mit dem sogenannten geothermischen Gradienten, der in der Schweiz im Bereich von $$3 \,°C/100\, m$$​ liegt. Wenn an einem Standort also eine Jahresmitteltemperatur von ca. $$9 °C$$​ wie in Zürich vorliegt, dann liegt das Temperaturniveau in $$300$$​ m Tiefe ungefähr bei $$18 °C.$$​

Tiefe Geothermie mit Bohrungen über $$500$$​ m Tiefe lässt sich in hydrothermale und petrothermale Geothermie unterscheiden, die in Abbildung 1 dargestellt sind. Hydrothermale Geothermie nutzt natürliches, im Untergrund vorkommendes Wasser. Hydrothermale Systeme haben ein begrenztes Potenzial, weil einerseits genügend Wasser vorhanden sein muss und andererseits entsprechend hohe Temperaturen vorliegen müssen. Regional lassen sich aber bei günstigen Voraussetzungen grosse Potenziale erschliessen. In der Schweiz sollte in einem Projekt der Stadt St. Gallen ein hydrothermales Wasservorkommen in ca. $$3000$$​ m Tiefe genutzt werden. Aufgrund von erhöhtem Erdbebenrisiko und geringerem Potenzial als erwartet wurde das Projekt aber inzwischen gestoppt. Seit den 1990er Jahren bestehen in der Schweiz fünf hydrothermale Kleinanlagen zur Heizwärmeversorgung mit einer Gesamtleistung von $$3.4 \,MW$$​, die grösste von ihnen in Riehen. 

Petrothermale Systeme kommen zum Einsatz, wenn kein Wasservorkommen vorliegt und sind damit in quasi beliebigen Gesteinsformationen einsetzbar. Das Injektionswasser fliesst mit langsamer Geschwindigkeit durch das heisse Gestein in Richtung der Förderbohrung und wird durch diese zur Nutzung wieder an die Oberfläche gepumpt. Zurzeit sind die Hauptuntersuchungsgebiete das Kristallin im Mittelland und Jura. Problem ist allerdings, eine ausreichende Durchlässigkeit des Gesteins zu erzeugen. Dies wird mittels hydraulischer Stimulation durch Einpressen von Druckwasser vorgenommen, um so Mikrorisse im Gestein aufzuweiten. Das einzige Projekt in der Schweiz, das „Deep Heat Mining“ in Basel auf $$4500$$​ m, wurde 2006 gestoppt, nachdem durch das Druckwasser seismische Erschütterungen ausgelöst wurden. Ab einer Temperatur von $$120 °C$$​ kann neben der Wärmenutzung auch eine Elektrizitätserzeugung mit Hilfe der Geothermie erfolgen. Trotz der abgebrochenen Projekte wird nach wie vor Potenzial für Geothermienutzung in der Schweiz gesehen.

Biomassenutzung in der Schweiz lässt sich unterteilen in Holz als Brennstoff - und in geringem Masse auch für die Stromproduktion - und Biogasnutzung. Bei der Verbrennung von Holz entstehen die $$CO_2$$​-Emissionen, die bei Wachstum des Holzes über Photosynthese aus der Atmosphäre entzogen und im Holz gebunden wurden, womit Holz als $$CO_2$$​-neutraler Brennstoff bezeichnet und vor allem zur Wärmeerzeugung in Kesseln genutzt wird. Die Verbrennung eines Feststoffs ist jedoch aufwändiger als der Kesselbetrieb mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen und die Wirkungsgrade niedriger als bei Gaskesseln. Holzheizungen werden oft auch mit thermischen Solaranlagen kombiniert, wobei die Solaranlage das Warmwasser ausserhalb der Heizperiode vollständig deckt, wenn der Holzkessel nicht betrieben wird. Die Verbrennungsqualität ist auch im Hinblick auf feinste Partikel (Feinstaub) relevant, die einen der wesentlichen Schadstoffe von Holzheizungen darstellen. Die Verbrennungsqualität unterscheidet sich je nach Systemkonfiguration und der Form der eingesetzten Holzbrennstoffe. Holz ist verfügbar als Stückholz, Hackschnitzel und Pellets.

Stückholz ist am schwierigsten zu verbrennen und muss ggf. manuell nachgeführt werden. Hackschnitzel liegen von der Verbrennung und der Brennstoffzufuhr zwischen Stückholz und Pellets. Es ist eine vollautomatische Brennstoffzufuhr möglich, wobei meist eine zweistufige Verbrennung realisiert wird. Pellets sind ein homogener und leicht entzündlicher Brennstoff, der gut geeignet für vollautomatischen, modulierenden Betrieb ist. Die Betriebseigenschaften und der Betriebskomfort kommen anderen Feuerungen nahe. Zusätzlich benötigen Pellets am wenigsten Lagerraum. In der Schweiz beträgt der Zuwachs an Holz ca. $$9-10\, \,Mio. \,m^3/a$$​, was als theoretisches Potenzial der Energieholznutzung anzusehen ist. Das reale Potenzial wird aber durch Konkurrenz zur stofflichen Nutzung reduziert und viele Wälder sind mit derzeitiger Technologie und Infrastruktur unzugänglich. Weiterhin bestehen ökonomische Restriktionen. Holz könnte gesamthaft bezogen auf 1990 $$5\,\%$$​ des Gesamt- und $$10\,\%$$​ des Wärmebedarfs der Schweiz abdecken, mit sinkendem Bedarf durch Gebäudesanierung sogar höhere Anteile.

Biogas entsteht aus mikrobiellen Vergärungsprozessen unter Luftabschluss und ist aus ca. $$60\,\%$$​ Methan, $$35\,\% \,CO_2$$​ und $$5\,\%$$​ Wasser, Schwefel, Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefelwasserstoff zusammengesetzt. Die Prozesse zur Biogas-Vergärung laufen unter den Voraussetzungen von feuchter organischer Substanz, Wärme, Dunkelheit und sauerstoffarmen Milieu ab. Der Methangehalt hängt von der Zusammensetzung des organischen Materials ab, im Wesentlichen vom Anteil organischer Trockensubstanz.

Als grober Richtwert entstehen aus $$1 \,t$$​ kommunaler und gewerblicher Grün- und Bioabfällen $$100 \,m^3$$​ Biogas mit einem Energieinhalt von ca. $$6 \,kWh/m^3$$​. Die energetische Nutzung von Biogas ist auch in Abbildung 2 rechts dargestellt. Biogas kann wie Erdgas direkt zu Heizzwecken genutzt werden, mit einer speziellen Aufbereitungstechnik auch als Fahrzeug-Treibstoff und in Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen wie Gasmotoren oder Mikrogasturbinen in Wärme- und Elektrizität umgewandelt werden. Elektrische Wirkungsgrade liegen bis $$40\,\%$$​, bei thermischen Anteilen von $$45\,\%$$​ ergeben sich Gesamtwirkungsgrade bis $$85\,\%$$​. Aufgrund des Anteils an kommunalen Grünabfällen bestehen bei Biogas eher geringe Potenziale. Derzeitige Preise von Biogas entsprechen ca. dem Doppelten des Erdgaspreises.