DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Einleitung

Der Klimawandel ist eines der großen Probleme unserer Zeit, vielleicht sogar das größte. Was man dagegen tun muss, ist klar: Wir dürfen nicht so viel von dem Gas Kohlenstoffdioxid wie bisher in die Atmosphäre „pusten“. Am besten gar nichts und das möglichst schnell. Denn es handelt sich dabei um ein Treibhausgas: Es sammelt sich in der Lufthülle unseres Planeten und heizt sie auf. Dabei lässt es die Sonnenstrahlen zwar in die Atmosphäre hinein, aber nicht mehr alle Wärme hinaus – wie das ein Treibhaus ja auch tut. Man nennt das den Treibhauseffekt. Genauer spricht man vom „künstlichen“ oder auch vom „menschengemachten“ Treibhauseffekt. Damit ist Folgendes gemeint: Es gibt auf der Erde auch einen natürlichen Treibhauseffekt, der sogar gut ist. Die Atmosphäre speichert einen Teil der Sonnenwärme und lässt sie nicht komplett ins Weltall entweichen. Sonst wäre es auf unserem Planeten nämlich eisig kalt. Aber mit dem künstlichen Treibhauseffekt übertreiben wir die Sache. Viele Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid, die jedes Jahr weltweit in die Luft gelangen, lassen die Temperaturen immer mehr ansteigen.

Wie die Treibhausgase das Sonnenlicht in die Atmosphäre hinein, aber nicht alle Wärme ins All zurück entweichen lassen, zeigt dir diese interaktive Animation. Du kannst dabei die Menge an Treibhausgas verändern und siehst, wie mal mehr und mal weniger Wärme nach oben abgestrahlt wird. Das ist natürlich ganz stark vereinfacht dargestellt. Quelle: PhET/University of Colorado

Um genauer zu verstehen, was beim künstlichen, also menschengemachten Treibhauseffekt passiert, hör dir mal diese Folge der „Sternengeschichten“ an. Das ist ein Podcast des Astrophysikers Florian Freistetter, der das hier in zehn Minuten sehr gut erklärt. Danach sehen wir uns an zwei Beispielen an, wie wir etwas dagegen tun können. Und zwar mit – Achtung: jetzt nicht erschrecken! – Physik und Chemie und jeder Menge moderner Technik. Dabei erklären wir dir alles ganz superleicht verständlich und ohne allen Formelkram …

Wenn Kohle verbrannt wird

Kohlekraftwerke bei Köln. Bild: K.-A.

Also: Damit es auf der Erde nicht immer wärmer wird, müssen wir mit dem Ausstoß von Kohlenstoffdioxid Schluss machen. Und wo entsteht dieses Treibhausgas bisher? Zum Beispiel in Kohlekraftwerken. Da wird Kohle verbrannt – und wie der Name schon sagt, besteht Kohle aus Kohlenstoff. Beim Verbrennen verbindet er sich mit Sauerstoff – und so bildet sich das Gas Kohlenstoffdioxid. Das setzt sich nämlich aus Kohlenstoff und Sauerstoff zusammen. Kleiner Ausflug in die Chemie: Alle Materie besteht bekanntlich aus Atomen. Von diesen winzig kleinen Teilchen gibt es verschiedene Arten – man nennt das die chemischen Elemente. Das können Wasserstoff oder Blei oder Eisen oder viele andere Stoffe sein. Manche wie zum Beispiel Helium sind „düdeldidü“ ganz leicht oder „glitzerglitzer“ wie Gold oder Silber sehr selten und wertvoll. Und die Atome können sich auch verbinden. Als ob sie sich die Hände reichen. Wenn Atome das tun – was sie ja in Wirklichkeit nie tun, weil sie keine Hände haben … Äh, also noch mal neu: Wenn sich Atome verbinden, nennt man das Moleküle. Zum Beispiel kann sich Eisen mit Sauerstoff verbinden. Das Ergebnis kennst du: Denn genau das passiert, wenn Eisen rostet. Und du kennst auch das Resultat, wenn sich Wasserstoff und Sauerstoff zusammentun: Da entsteht Wasser. Beim Kohlenstoffdioxid verbinden sich die Atome des Kohlenstoffs mit den Atomen des Sauerstoffs. Wobei immer ein Kohlenstoff-Atom mit zwei Sauerstoff-Atomen eine Verbindung eingeht. Daher kürzt man es auch CO₂ ab: Das C steht für den Kohlenstoff und der Sauerstoff wird mit O abgekürzt. Und weil dabei immer zwei Sauerstoff-Atome im Spiel sind, wird an das O die kleine Zahl 2 angehängt. Ein C plus zwei O ergibt also CO₂. So, das war es erst einmal mit der Mini-Chemiestunde – war doch nicht so schlimm, oder? Und hier kommt sogar noch eine kleine Zugabe, bei der du mit Atomen herumspielen darfst:

Wie Kohlekraftwerke funktionieren

So sieht eine Turbine in einem Kraftwerk aus. Bild: Siemens

Aber jetzt zu den „bösen“ Kohlekraftwerken. Da kommt jede Menge Kohlenstoffdioxid raus. Man könnte jetzt denken: Tja, dann schalten wir die Dinger doch einfach ab! Tataaa! Problem gelöst, aus die Maus und alles Bingo! Ganz so leicht geht das allerdings nicht. Denn wir benötigen ja den Strom, den sie erzeugen. Doch es gibt da einen anderen Weg, an dem auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet. Dafür müssen wir uns mal kurz ansehen, wie ein Kohlekraftwerk überhaupt funktioniert. Es erzeugt Strom, der in Leitungen bis in unsere Häuser kommt. Damit es den Strom erzeugen kann, muss sich im Kraftwerk ein Generator bewegen – so ähnlich wie der Dynamo an einem Fahrrad: Der dreht sich ja auch und erzeugt für die Lampe den Strom. Allerdings reden wir bei Kraftwerken nicht von einem kleinen Fahrrad-Dynamo, sondern von einem riesigen Generator! Puh, wie setzt man so ein monstermäßig großes Teil in Bewegung? Das geschieht im Kraftwerk durch eine Turbine, die sich rasend schnell dreht. Und wie wird die Turbine in Bewegung versetzt? Gegenfrage: Kennst du diese Weihnachtspyramiden, bei denen sich so ein Rad aus Holz über mehreren Kerzen dreht? Die Kerzenflammen lassen warme Luft nach oben aufsteigen – das tut warme Luft immer und deshalb steigt ja auch ein Heißluftballon in die Höhe. Und diese aufsteigende Luft versetzt den „Holz-Propeller“ darüber in Drehung. In einem Kraftwerk wird ganz ähnlich Wärme genutzt, damit sich die Turbine dreht. Nur reden wir auch hier wie beim Generator nicht über Kleinkram: Es geht nicht um ein kleines Holzrädchen, das sich langsam über Kerzen dreht. Sondern um riesige Turbinen, die bei hohen Temperaturen sehr, sehr schnell rotieren. So, wir haben die Erklärung, wie ein Kohlekraftwerk funktioniert, fast geschafft. Denn jetzt bleibt nur noch die Frage, woher die Hitze kommt, mit der die Turbine angetrieben wird. In Kohlekraftwerken wird dazu – du hast es erraten – keine Kerze aufgestellt, sondern es werden große Mengen Kohle verbrannt.

Hier haben wir mal ganz stark vereinfacht dargestellt, wie ein Kohlekraftwerk funktioniert. Bei der Verbrennung der Kohle entsteht das schädliche Treibhausgas Kohlenstoffdioxid. Bild: K.-A.

Noch mal kurz zusammengefasst: Kohle wird verbrannt, die Hitze treibt eine Turbine an, die versetzt einen Generator in Bewegung und der liefert den Strom. Oder noch kürzer gesagt: Vorne kommt Kohle rein, hinten kommt Strom raus – und eben leider auch Kohlenstoffdioxid. Und das ist eben das Problem.

Kohlekraftwerk ohne Kohle?

So könnte ein umweltfreundliches Kraftwerk aussehen. Es funktioniert mit Solarenergie und Windkraft, sodass keine Kohle verbrannt werden muss und keine Abgase entstehen.

Aber jetzt zur Lösung. Das ganze Kraftwerk ist ja in Ordnung. Zumindest ein großer Teil: Die Turbine und der Generator sind harmlos. Was geändert werden muss, ist eigentlich nur der Teil mit der Kohle. Werfen wir die mal in Gedanken eben raus! Da stellt sich natürlich die Frage, womit wir die Turbine stattdessen in Drehung versetzen. Woher nehmen wir dafür die Energie? Man könnte jede Menge Heimtrainer-Fahrräder im Kraftwerk aufstellen und die gesamte Bevölkerung bitten, in die Pedalen zu treten, um wie beim Fahrrad-Dynamo für die nötige Energie zu sorgen. Ja okay, kleines Späßchen. ;-) Die Lösung sieht logischerweise anders aus. Und sie ist eigentlich ganz einfach: Wir nutzen die Energie der Sonne! Große Solarzellen-Anlagen ersetzen die Sache mit der Kohleverbrennung und schon kann der Rest des Kraftwerks so bleiben, wie er ist. Fast jedenfalls. Denn ein letztes Problem müssen wir noch lösen: Die Sonne scheint nicht immer. Bekanntlich vor allem nicht nachts. Und auch bei schlechtem Wetter ist nicht genug Sonnenenergie verfügbar. Aber das Problem kriegen wir in den Griff – und zwar mit einem Speicher, der an sonnigen Tagen so viel Energie aufnimmt, dass man sie in Zeiten ohne Sonnenschein zur Verfügung hat. Außerdem gibt es ja auch noch die Windkraft, die ebenfalls Energie auf Vorrat liefern kann. Also: Unser „kohlefreies“ Kraftwerk braucht so etwas wie einen großen Energiespeicher. Das können zum Beispiel große Tanks sein, in denen bestimmte Flüssigkeiten an sonnigen Tagen aufgeheizt werden – dann nutzt man nachts oder an Regentagen diese gespeicherte Wärme.

Das war jetzt stark vereinfacht die Art und Weise, wie man aus klimaschädlichen Kohlekraftwerken klimaneutrale Wärmespeicher-Kraftwerke macht. In der Wirklichkeit ist dieser Umbau eines Kraftwerks natürlich viel komplizierter. Umfangreiche Forschungsarbeit ist nötig, um den sogenannten Wirkungsgrad zu erhöhen. Damit ist gemeint: Wie viel Strom kriegt man aus der Energie heraus, die man in ein Kraftwerk hineinsteckt? Je mehr Strom man gewinnt, desto höher ist der Wirkungsgrad. Und auch an der besten Art der Speicherung muss weiter geforscht werden, um eine Stromversorgung rund um die Uhr zu garantieren.

Wärmepumpe: Der umgekehrte Kühlschrank

Kommen wir jetzt noch zu einer anderen Art, wie wir das Kohlenstoffdioxid vermeiden können. Denn Kraftwerke sind nicht die einzigen Orte, an denen das Treibhausgas erzeugt wird. Auch in Fabriken kommt es aus den Schornsteinen. Denn bei vielen industriellen Prozessen wird Wärme benötigt. Aber auch die kann man klimaneutral erzeugen. Das Zauberwort heißt „Hochtemperaturwärmepumpe“.

Und nur mal als Tipp: Merk es dir! Spätestens wenn du mal Scrabble spielst, kannst du damit massenweise Punkte einsammeln! Für alle, die sich mit diesem Spiel gut auskennen: Ja, schon klar, das Wort hat so viele Buchstaben, dass man es auch durch Anlagen nicht zustande bekommt. Es sollte nur ein kleiner Witz sein, um dich beim Lesen dieses langen Textes bei Laune zu halten. ;-) Und an alle, die das Scrabble-Spiel nicht kennen: Vergesst die letzten Sätze mit dem dummen Joke einfach und lest weiter.

Jetzt aber mal wieder superstark vereinfach die Erklärung, was es mit dieser Hochtemperaturdingsda-Anlage auf sich hat. Es handelt sich um ein Gerät, das Wärme erzeugt. Dabei funktioniert es praktisch so wie ein Kühlschrank. Nur umgekehrt. Und nein: Du sollst jetzt nicht euren Kühlschrank in der Küche auf den Kopf stellen! Bloß nicht! Gemeint ist damit Folgendes: Ein Kühlschrank hält ja in seinem Inneren alles schön kühl. Dazu entzieht der dem Innenraum mit den Lebensmitteln und allem, was da sonst noch drin ist, die Wärme. Und wohin geht die Wärme dann? Sie kann ja nicht einfach verschwinden. Sondern sie wird durch kleine Röhren, die sich an der Rückseite des Kühlschranks befinden, nach außen geleitet. Drinnen kühl, außen warm. Ahnst du schon, worauf das hinausläuft? Die Rückseite des Kühlschranks ist praktisch so etwas wie eine Heizung!

Dazu hier ein kleines Gedanken-Experiment: Stell dir vor, der Kühlschrank würde genau in ein Fenster eurer Wohnung passen – mit der Kühlschranktür außen zur Straße oder zum Garten hin und mit der Rückseite ins Zimmer. Wichtig: Mach in Gedanken die Kühlschranktür auf! So, was passiert jetzt wohl? Logisch! Der Kühlschrank würde das tun, was er immer tut: Er versucht, dass es in seinem Inneren schön kühl ist. Das ist ja sein Auftrag und den erfüllt er ganz brav – denn er weiß ja nicht, dass wir ihn gerade ganz anders als sonst verwenden. Also entzieht er – wie er das sonst mit Butter und Milch und anderen Dingen macht – der Außenluft die Wärme. Er kühlt und kühlt und kühlt bei offener Tür auf Hochtouren und nimmt so jede Menge Wärme von außen auf. Draußen merkt man davon natürlich nichts – da ist ja massenweise Luft und auf der Straße oder im Garten wird es nicht spürbar kälter. Doch darum geht es uns ja auch gar nicht. Uns kommt es darauf an, wohin er die ganze Wärme ableitet. Und wohin leitet er sie ab? Die Antwort kennst du ja inzwischen: Er gibt sie wie immer über die Röhren auf seiner Rückseite ab und wärmt so den Raum auf.

Wärme wird ins Haus gepumpt

Eine kleine Wärmepumpe. Bild: Wikipedia

In unserem Gedanken-Experiment haben wir den Kühlschrank etwas „überlistet“: Wir haben einfach seine Rückseite als Heizung benutzt. Genau das passiert ganz ohne Überlistung bei einer Wärmepumpe: Sie ist dafür da, die Wärme von außen nach innen zu „pumpen“ – wie unser Kühlschrank im Fenster. Dazu sind die Röhren – genau wie die Röhren eines Kühlschranks – mit einer speziellen Flüssigkeit gefüllt. Sie transportiert die Wärme von draußen ins Haus. Wenn sie sich dabei erwärmt, verdampft die Flüssigkeit. Das ist so ähnlich wie Wasser in einem Topf auf dem Herd: Wird es erhitzt, verdampft es. Man sagt, dass es sich aus dem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand verwandelt. Danach kühlt das Gas in den Röhren der Wärmepumpe ab und wird wieder flüssig. Das ist so ähnlich wie im Badezimmer, wenn man länger warm geduscht hat: Der warme Wasserdampf kommt an den kühlen Spiegel – und da verwandelt sich der warme Dampf in kühlere Tröpfchen, die sich auf dem Spiegel niederlassen, sodass er beschlägt. Aus dem gasförmigen Zustand wird also in den Wärmepumpe-Röhren wieder der flüssige Zustand. So wechselt sich das immer wieder ab: Aus kühl und flüssig wird warm und gasförmig – das nennt man „sieden“. Und aus warm und gasförmig wird wieder kühl und flüssig – das nennt man „kondensieren“. Ganz nebenbei: Außer „gasförmig“ und „flüssig“ gibt es noch einen weiteren Zustand, und zwar „fest“. All diese Zustände – also gasförmig, flüssig und fest – werden auch Aggregatzustände genannt. Sie hängen davon ab, wie weit die Atome voneinander entfernt sind: Sind sie ganz eng zusammengepresst, ist etwas fest. Sind sie nicht ganz so eng zusammen, ist etwas flüssig. Und sind sie ganz weit auseinander, ist es ein Gas. Wie weit die Atome voneinander entfernt sind, hängt eben auch von der Temperatur ab. Ausführlicher lernst du das im Physikunterricht – oder bei uns auf dieser Seite. Oder du spielst einfach hier mal mit dieser interaktiven Animation rum:

Hier kannst du selbst den Aggregatzustand ändern, indem du im Menu oben rechts zum Beispiel Sauerstoff-Atome anklickst und dann unter dem Behälter die Temperatur veränderst. Quelle: PhET/University of Colorado

Wie Kreisklasse und Bundesliga

Wir haben dir jetzt erklärt, wie eine Wärmepumpe funktioniert. Natürlich werden da keine Kühlschränke in die Fenster gestellt. Aber es gibt Wärmepumpen, die man von außen als größeren Kasten an einer Hauswand erkennt. Das sind allerdings die „normalen“ Wärmepumpen, wie man sie bei normalen Häusern verwendet. Wenn das in einer Fabrik funktionieren soll, wo höhere Temperaturen gebraucht werden, sind viel größere Anlagen nötig. Und da wird‘s echt kompliziert. So eine Hochtemperatur-Wärmepumpe ist eine andere Sache als die Geräte an einer Hauswand. Das ist ein Unterschied wie … na ja, wie beim Fußball zwischen Bundesliga und Kreisklasse. Wobei wir nichts gegen die Kreisklasse gesagt haben wollen – auch da wird prima gekickt! ;-) Jedenfalls: Im DLR werden solche leistungsstarken Anlagen für die Industrie entwickelt. Das sieht dann wie auf diesem Foto aus – und da ahnst du vielleicht schon, dass viel Wissen und Können nötig sind, um so etwas zu konstruieren und immer weiter an Verbesserungen zu arbeiten.

Eine Hochtemperatur-Wärmepumpe im DLR in Cottbus. An diesem DLR-Standort werden solche Anlagen entwickelt.

Und damit sind wir am Schluss angekommen. Du hast vielleicht bemerkt: Ob man Kohlekraftwerke in umweltfreundliche Kraftwerke verwandeln will oder so komplizierte Anlagen wie die Hochtemperatur-Wärmepumpe baut: Das alles dient dem Ziel, den Klimawandel in den Griff zu bekommen. Ganz stoppen kann man ihn nicht, aber man kann mit dieser modernen Technik dafür sorgen, dass er nicht immer schlimmer wird. Dafür muss man logischerweise diese ganzen technischen Dinge verstehen und sich sehr gut damit auskennen. Zahlreiche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im DLR und in Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen arbeiten daran. Viele von ihnen haben Ingenieurwissenschaften oder Physik oder Chemie studiert. Und die meisten haben auch schon in der Schule in solchen Fächern gut aufgepasst – denn sonst klappt das mit dem Studium nicht. Was wir dir damit sagen wollen? Wir würden uns wirklich sehr freuen, wenn du das auch machen würdest. Denn die Forschung muss ja weitergehen. Und dafür brauchen wir junge Leute, die in fünf oder zehn oder 15 Jahren da weitermachen. Also: Überleg mal, ob das nicht auch etwas für dich wäre! Es sind superspannende Berufe, bei denen man ständig Neues lernt und mit vielen Leuten im Team zusammenarbeitet, die alle dasselbe wollen: etwas Gutes für die Umwelt und für unsere Zukunft tun. Und dieses Gefühl ist im Berufsleben auch eine wichtige Sache. Denn da weißt du jeden Tag, wofür du arbeitest.