100.000 Jahre und mehr: Erneuerbare Energien in der Geschichte

 

Bei dem Begriff „erneuerbare“ Energien denkt man automatisch zuerst an Photovoltaik- oder Windkraftanlagen. Dabei werden das Sonnenlicht oder die Windenergie in der Atmosphäre in elektrische Energie umgewandelt. Diese modernen Formen der Energiegewinnung existieren seit ein paar Jahrzehnten – könnte man zumindest meinen. Tatsächlich reicht ihre Geschichte viel weiter zurück.

Das erste Mal, dass Windenergie in elektrische Energie umgewandelt wurde, reicht mindestens zurück bis zum Jahr 1887. Diese Pionierarbeit leistete der Schotte James Blyth. Er war Elektroingenieur und Wissenschaftler am Anderson’s College, der heutigen University of Strathclyde in Glasgow.

Damals konstruierte Blyth eine Art Windkraftanlage mit vier je rund vier Meter langen Armen mit Stoffsegeln. Die zentrale Drehachse trieb einen Dynamo an, der Strom erzeugte und direkt eine Batterie auflud. Damit beleuchtete er sein Ferienhaus – das weltweit erste Haus, das mit Windstrom versorgt wurde. Seiner Beschreibung zufolge erzeugte die Turbine bei „mäßiger Brise“ genug Strom, um zehn 25-Volt-Glühbirnen zu betreiben. Ebenso konnte er damit eine kleine Drehbank antreiben.

Andere Quellen sehen die erste elektrische Windkraftanlage beim österreichischen Erfinder Josef Friedländer. Er soll schon im Jahr 1883 auf der Internationalen Elektrizitätsausstellung in Wien ein Windrad zur Stromerzeugung präsentiert haben.

Das Prinzip ist hier im Groben das gleiche: Ein Windrad vom Bautyp Halladay – auch als Western-Windrad bekannt – mit 6,6 Meter Durchmesser trieb einen Dynamo an, der den erzeugten Strom in Batterien einspeiste. Die erste Nutzung des Windes reicht indes noch weiter zurück. Auch das Windrad ist erheblich älter.

Eine bekannte frühzeitliche Anwendung der Windkraft sind auch Windmühlen zum Mahlen von Getreide. Die ältesten stammen aus Nashtifan, Persien. Sie reichen nachweislich bis ins 7. Jahrhundert zurück und funktionieren noch heute.

Etwa seit 200 v. Chr. setzten Landwirte in China windbetriebene Wasserpumpen ein, um ihre Felder besser zu bewässern. In den folgenden Jahrhunderten wendeten auch andere Nationen windbetriebene Wasserpumpen an. Weltweit sind schätzungsweise noch mehr als eine Million derartiger Pumpen im Einsatz.

Schon vor der ersten Windkraftmaschine nutzten Menschen Windenergie für die Segelschifffahrt. Seit mindestens 7.000 Jahren spannen Menschen Segel auf, um ihre Boote anzutreiben. Das macht die Windenergie zu einer der ältesten Formen erneuerbarer Energien. Obwohl die meisten Schiffe heute inzwischen mit verschiedenen Motoren fahren, existieren noch zahlreiche kleine und große Segelschiffe, die sich direkt vom Wind antreiben lassen.

Erneuerbare Energiequellen sind demnach solche, die, gemessen am menschlichen Zeithorizont, praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen. Sie erneuern sich auf natürliche Weise und stehen – wenn auch teilweise mit Unterbrechungen – ohne menschliches Zutun zur Verfügung. Zu diesen Energiequellen zählen Sonnenlicht, Wind, Wasser (aus Regen, Seen und Flüssen), nachwachsende Biomasse, Erdwärme und Gezeiten.

Heute kennen wir die blauen Solarmodule mit den großen Zellen auf Hausdächern oder auf Feldern. Die Photovoltaik, also die Stromerzeugung aus dem Sonnenlicht, ist aktuell die am schnellsten ausgebaute Energiequelle auf dem Planeten – und eine sehr junge. Auf dem Massenmarkt verbreite sie sich erst seit rund 30 Jahren.

Die Entstehungsgeschichte der Lichtverstromung reicht jedoch ebenfalls bis ins 19. Jahrhundert zurück. Die erste funktionsfähige Solarzelle hat der US-amerikanische Erfinder Charles Fritts im Jahr 1883 gebaut. Während heutige Solarzellen meist aus Silizium bestehen, verwendete Fritts eine Selen-Schicht sowie eine dünne Goldbeschichtung.

Der Wirkungsgrad war damals mit rund einem Prozent weitaus niedriger als bei heutigen Solarzellen mit über 20 Prozent. Mehrschichtzellen im Labor erreichen bereits bis zu 47,6 Prozent und die rechnerisch-theoretische Grenze wurde zuletzt auf 66 Prozent angehoben.

Die wissenschaftliche Grundlage für die erste Solarzelle ist wiederum fast 50 Jahre älter und geht zurück auf die Formulierung des photoelektrischen Effekts im Jahr 1839 durch Alexandre Edmond Becquerel. Dem französischen Physiker gelang diese Entdeckung bereits im Alter von nur 19 Jahren. Er stellte fest, dass bestimmte Materialien eine elektrische Spannung erzeugen, wenn Licht auf sie fällt. Die erste verwendbare Silizium-Solarzelle entwickelten Forscher der Bell-Labore 1954.

Vor der Solarzelle nutzten die Menschen das Sonnenlicht ausschließlich entweder passiv oder mithilfe von Spiegeln. Passiv bedeutet, dass man ein Gebäude gezielt nach Süden ausrichtet, so dass die Sonnenstrahlen in der Übergangs- und Winterzeit die Wohnräume erwärmen können. Die im Sommer hochstehende Sonne soll dabei jedoch nicht in die Wohnräume gelangen, was durch die Bauform erreicht werden kann.

Um Sonnenlicht gezielt in Innenräume zu lenken, nutzte man Spiegel. Ebenso wurden mehrere Spiegel oder Linsen genutzt, um durch gebündeltes Sonnenlicht zu heizen oder ein Feuer zu entzünden.

Heutzutage hat das elektrische Licht diese Technik nahezu überall ersetzt, da es dauerhaft zur Verfügung steht. Zudem ist es einfacher, ein Feuer mit einem Feuerzeug oder einem Streichholz zu entzünden. Gebündeltes Sonnenlicht findet heute allerdings weiterhin Anwendungsgebiete – allen voran bei solarthermischen Anlagen.

Bei der Nutzung von erneuerbaren Energien darf auch die Wasserkraft nicht fehlen. Einige wenige Länder versorgen sich heute zu 100 Prozent oder zu einem Großteil durch sie, indem sie meist aufgestautes Flusswasser über eine Turbine fließen lassen, die durchgehend Strom erzeugen kann. Dazu gehören Norwegen, Island und Bhutan.

Der historische Ursprung der Wasserkraftverstromung führt uns wiederum in die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts. Der viktorianischer Erfinder und Ingenieur William Armstrong errichtete im Jahr 1870 das erste Wasserkraftwerk der Welt. Es entstand direkt an seinem Familienanwesen Cragside in der Nähe der britischen Stadt Rothbury. Wasser aus einem künstlichen See trieb eine Turbine und einen Dynamo an, die Strom erzeugte. Dies versorgte verschiedene elektrische Verbraucher auf dem Anwesen wie Kohlebogenlampen im Jahr 1878.

Nur rund zehn Jahre später kamen auch auf der anderen Seite des Atlantiks die ersten Wasserkraftwerke zum Einsatz. Um 1880 generierte ein durch eine Wasserturbine angetriebener Dynamo in der Stadt Grand Rapids im US-Bundesstaat Michigan Strom für ein Theater und eine Geschäftsfassade. Im darauffolgenden Jahr lieferte ein Dynamo, der mit einer Turbine einer Wassermühle verbunden war, Strom für Straßenlaternen in der Stadt Niagara Falls im US-Bundesstaat New York. Mit der Zeit entstanden mehr und größere Anlagen.

Schon lange vor der Elektrifizierung der Wasserkraft nutzte man fließendes Wasser, um kinetische in mechanische Energie umzuwandeln. Vor mehr als 2.000 Jahren nutzten die Menschen die Wasserkraft in der Landwirtschaft in Form von wasserbetriebenen Schöpfwerken. Dabei beförderten Eimerketten oder -räder das Flusswasser auf höher gelegene Ebenen, um etwa Felder leichter zu bewässern.

Später entwickelten die Menschen Wasserräder und Wassermühlen, um Getreide zu Mehl zu mahlen. Von einstmals rund 50.000 Wind- und Wassermühlen befinden sich heute in Deutschland laut der Deutschen UNESCO-Kommission nur noch rund 50 im Betrieb und erhalten das traditionelle Müllerhandwerk. Auch an vielen historischen Standorten arbeiten heute elektrisch betriebene Maschinen.

Wie schon erwähnt, nutzen die Menschen seit Jahrtausenden die Wasser- und die Windkraft. Bei der Frage nach der ältesten erneuerbaren Energie scheiden jedoch beide klar aus. Denn um ein Vielfaches älter ist die Nutzung von Biomasse, die ebenfalls zu den erneuerbaren Energien zählt.

Heutige Biomassekraftwerke wenden wie alle thermischen Kraftwerke das Dampfprinzip an. Zunächst verbrennen die Betreiber solcher Anlagen organische Stoffe. Die entstehende Wärme erzeugt Dampf, der eine Turbine antreibt. Diese setzt einen Generator in Bewegung, der Strom erzeugt und ins Stromnetz einspeisen kann. Im Jahr 2023 hatte Biomasse einen Anteil von acht Prozent an der weltweiten Stromerzeugung. In Deutschland lag der Biomasse-Anteil in der öffentlichen Stromerzeugung im vergangenen Jahr bei 8,7 Prozent.

Diese Art der Stromgewinnung geht ebenfalls auf das 19. Jahrhundert zurück. Spätestens seit 1889 nutzen Menschen Biomasse wie Holzabfälle auch zur Stromgewinnung. Dies geschah damals mit einem dampfbetriebenen Stromgenerator in der kanadischen Stadt Calgary. Der Unternehmer Peter Prince erkannte, dass die Abfallprodukte seines Sägewerks verbrannt werden konnten, um einen dampfbetriebenen Stromgenerator anzutreiben. So installierte er einen Dampfgenerator mit 75 Kilowatt (kW), der das Sägewerk und umliegende Beleuchtung in der Stadt versorgte.

Der Mensch verwendet Holz und andere biologische Materialien jedoch mindestens seit zehntausenden Jahren zum Verbrennen. Feuer brachte Licht und Wärme und konnte zum Kochen von Nahrungsmitteln verwendet werden. Diese kontrollierte Verwendung gilt als eine der wichtigsten frühen Entdeckungen der Menschheit und als älteste Nutzung erneuerbarer Energien.

Laut archäologischen Funden konnten schon die Neandertaler, die lange vor unserer Zivilisation – vor rund 40.000 bis 400.000 Jahren – gelebt haben, Feuer durch das Verbrennen von Holz nutzen. Ein Fund aus Israel datiert gezielt verbranntes Holz sogar auf eine Zeit vor rund 790.000 Jahren. Somit geht die Feuerbeherrschung auf noch frühere Menschen zurück.

Zu den erneuerbaren Energien gehören überdies noch die Geothermie, sprich Erdwärme sowie Erdkühle, und die Meeresenergie aus Gezeiten und Wellen. Diese Energiequellen tragen kaum zur Stromerzeugung bei.

Weltweit gibt es derzeit lediglich zwei Gezeitenkraftwerke – in Frankreich und Südkorea – mit Nennleistungen über 200 Megawatt (MW). Mit großem Abstand folgt eine inzwischen stillgelegte 20-MW-Anlage in Kanada, alle übrigen sind kleiner. Projekte mit bis über 80 Gigawatt Nennleistung wurden in der Vergangenheit geplant, aufgrund ungewisser Umweltauswirkungen aber bislang nicht realisiert.

Die „Moinho de Maré de Corroios“, an der Mündung des Tejo in Portugal ist einer der am besten erhaltenen Gezeitenmühle der Welt. Sie wurde 1403 erbaut und war bis Ende der 1970er Jahre kommerziell in Betrieb.

Auch geothermische Kraftwerke weisen im Regelfall Nennleistungen im zwei- oder niedrigen dreistelligen Megawatt-Bereich auf. Ihre Standorte beschränken sich jedoch nicht auf die Küste. So war die Geothermie 2025 mit rund 0,5 Prozent an der weltweiten Stromproduktion vertreten. In einzelnen Ländern, einschließlich Kenia, Island und Neuseeland, liegt ihr Anteil an der Stromerzeugung bei 15 bis 45 Prozent.

Das erste Geothermie-Kraftwerk entstand 1904 im italienischen Ortsteil Larderello und betrieb zunächst nur fünf Lampen, kommerziell lief es ab 1913 mit einer Leistung von 250 kW.

Die Erdwärme, also die Wärme unter dem Erdboden, wird auch heute noch als Wärmequelle genutzt. Gerade in den kälteren Monaten ist es unter der Erde einige Grad Celsius wärmer als an der Oberfläche. Diese Erdwärme nutzen heute Wärmepumpen mit einer Erdsonde oder Erdkollektoren. Doch bereits Anfang des 20. Jahrhunderts nutzten die Menschen Erdwärme zum Heizen ihrer Gebäude. Das älteste bekannte geothermische Nahwärmesystem ist seit 1332 in Chaudes-Aigues („heiße Quellen“) in Frankreich in Betrieb.

Lange vor ihrer Elektrifizierung heizte Geothermie zudem die Badeorte der Menschen und es entstanden Siedlungen direkt an den heißen Quellen. Diese Orte begeistern die Menschen mindestens seit der Eisenzeit. Die Römer integrierten die Thermalbäder fest in ihrer Kultur. Auch in der heutigen Zeit sind weltweit vielerorts Thermalbäder in Betrieb.

Zur Geothermie zählt jegliche Nutzung der Erdwärme – und Erdkühle. Analog zur direkten Nutzung oberflächennaher Erdwärme zur Heizung im Winter kann man, wenn der Untergrund im Sommer kühler ist, Gebäude kühlen. Oftmals liegt die Bodentemperatur stabil zwischen 10 und 18 Grad Celsius. Dazu versenken die Menschen bereits seit der Steinzeit ihre Hütten oder andere Wohnbauten (teilweise) im Erdboden.