Physischer Fußabdruck im Vergleich: Kernenergie, Solarenergie und Windkraft
Die Leistungsdichte bei der Kernenergie liegt bei etwa 1000 W/m2 im Vergleich zu 2-3 W/m2 bei der Windenergie und 100 W/m2 bei der Solarenergie (die Daten stammen von hier). Berücksichtigt man die Unterschiede bei den Kapazitätsfaktoren, so deuten diese Werte darauf hin, dass für die Erzeugung der gleichen Energiemenge Windkraftanlagen 500 und Solaranlagen (bei einem Wirkungsgrad von 20 %) etwa 50 Mal so viel Land benötigen. Wir werden den Flächenverbrauch (0,67 Quadratmeilen) für das 3,2-GW-Kernkraftwerk (Hinkley Point C) mit Beispielen von Wind- und Solarparks vergleichen, um zu sehen, wie sich diese Zahlen in der Praxis auswirken.
Der Komplex Hinkley Point C ist ein Kernkraftwerk der Generation III, das aus zwei EPR-Reaktoren (Europäische Druckreaktoren) mit einer Gesamtkapazität von 3,2 GW besteht. Es hat einen geschätzten Kapazitätsfaktor von 80 % und wird im Vergleich zu bestehenden Reaktoren 17 % weniger Uran als Brennstoff verwenden und ein Drittel der langlebigen radioaktiven Abfälle produzieren. Es wird erwartet, dass es während seiner 60-jährigen Lebensdauer (die wahrscheinlich auf über 80 Jahre verlängert wird) 9 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr ausgleicht. Es wird eine Fläche von 430 Acres (etwa zwei Drittel einer Quadratmeile) einnehmen und Strom für 6 Millionen Haushalte erzeugen. Unter der Annahme eines Kapazitätsfaktors von 80 % wird Hinkley C 22 426 GWh/Jahr erzeugen.
Eine einzelne Windturbine kann zwischen einigen 10 kW und mehreren MW Strom erzeugen. Turbinen mit einer Leistung von weniger als 100 kW sind für viele kleine Anwendungen wie Bauernhöfe, Wohnhäuser, Schulen oder kleine Industrieanlagen ausreichend. Turbinen mit größerer Leistung gelten als "utility scale" und werden in der Regel zu Windparks zusammengefasst, damit große Mengen Strom für die Einspeisung ins Netz erzeugt werden können. Solche Windparks müssen aus Gründen der Effizienz ausreichend Platz zwischen den Turbinen bieten. Andernfalls wirkt sich die Störung der Windströmung um eine Turbine herum auf die benachbarten Turbinen aus und verringert die gesamte Stromerzeugung. MacKay (https://www.withouthotair.com/) nennt beispielsweise einen Abstand von mindestens 5 Rotordurchmessern zueinander. Eine Vergrößerung der Windturbinen wird also nicht zu einer Verringerung der benötigten Fläche führen.
Ein Beispiel für den Flächenbedarf eines Onshore-Windparks ist der Whitelee-Windpark in der Nähe von Glasgow, der eine kombinierte Spitzenleistung (Namensschild) von 322 MW hat und 55 km2 (21,2 Quadratmeilen) einnimmt. Ausgehend von dieser Zahl würde ein Windpark mit einer Nennleistung von 3,2 GW (die Nennleistung von Hinkley Point C) eine Fläche von 550 km2 (212 Quadratmeilen) einnehmen. Wenn man diesen Wert um die Unterschiede im Kapazitätsfaktor korrigiert und davon ausgeht, dass Hinkley C eine Fläche von 0,67 Quadratmeilen einnimmt, müsste der Windpark Whitelee eine Fläche von 840 Quadratmeilen einnehmen, um die gleiche Strommenge wie Hinkley C zu erzeugen.
Allerdings nehmen die Turbinen nur etwa 1-2 % der Landfläche ein. Es wäre also möglich, den Großteil der Fläche für andere Zwecke zu nutzen, sogar für Solaranlagen. Ein Schlüsselfaktor ist, dass die anderen Aktivitäten den Windfluss über die Turbinen nicht beeinträchtigen dürfen. Ein sauberer Luftstrom ist bei der Suche nach geeigneten Standorten für Onshore-Windparks viel wichtiger als für Offshore-Windparks.
Einige Beispiele für Offshore-Windparks geben Aufschluss darüber, wie viel Meeresfläche benötigt wird. Der Windpark Kentish Flats mit einer Leistung von 90 MW nimmt eine Fläche von 10 km2 (3,9 Quadratmeilen) ein und der Windpark North Hoyle vor Prestatyn, Nordwales, hat eine Leistung von 60 MW (Namensschild) und nimmt 8,4 km2 (3,2 Quadratmeilen) ein. Bereinigt man diese Flächen um die Unterschiede beim Kapazitätsfaktor und der von Hinkley C beanspruchten Landfläche, so betragen die Meeresflächen, die The Kentish Flats und Prestatyn benötigen, um die gleiche Strommenge wie Hinkley C zu erzeugen, 440 bzw. 540 Quadratmeilen.
Offshore-Windparks haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie höhere Kapazitätsfaktoren erreichen können als Onshore-Windparks. Der durchschnittliche Kapazitätsfaktor für die 25 britischen Offshore-Windparks lag 2019 bei 38,4 %. Den höchsten Kapazitätsfaktor erreichte der Windpark Hywind in Schottland mit 59,1 %. Die erzeugte Gesamtleistung lag bei einer durchschnittlichen Leistung pro Flächeneinheit von 2,3 W/m2, was mit den von MacKay (in der 2009er Ausgabe seines Buches) angegebenen 2-3 W/m2 übereinstimmt. Zum Vergleich: Der durchschnittliche Kapazitätsfaktor für die 28 Onshore-Windparks im Vereinigten Königreich im Jahr 2019 betrug 26,6 %.
Ein Vergleich zwischen dem Flächenbedarf des Kernkraftwerks Hinkley Point C, des Solarparks Cleve Hall und der oben erwähnten Onshore- und Offshore-Windparks verdeutlicht diese Unterschiede in der Flächennutzung.
Ein Solarpark mit einer Kapazität von 3,2 GW und einem Kapazitätsfaktor von 15 % würde 3,2 x 24 x 365 x 15 % = 4.205 GWh/Jahr erzeugen. Um die gleiche Strommenge wie Hinkley C zu erzeugen, wären also 5 bis 6 Solarparks mit einer Leistung von jeweils 3,2 GW erforderlich. Diese Solarparks würden eine Fläche von 3,2 x 5000 x 5,5 = 88.000 Acres (etwa 138 Quadratmeilen) einnehmen. Diese Berechnung für Solaranlagen basiert auf der Aussage von quora.com, dass eine 1-MW-Solaranlage mit Namensschild 5 Hektar unbeschattetes Land benötigt. (Ein 1GW-Namensschild würde also 5.000 Acres (7,81 Quadratmeilen) beanspruchen). Der kürzlich von Wirsol Energy und Hive Energy geplante Solarpark Cleve Hall, der außerhalb von Faversham in der Nähe des Dorfes Graveney in Kent liegt, wird 450 Mio. £ kosten. Die 350-MW-Farm würde fast 900.000 Solarpaneele auf einer Fläche von 900 Hektar Ackerland umfassen. Mit diesen Zahlen würde ein 3,2-GW-Solarpark mit Namensschild eine Fläche von 8.229 Acres einnehmen. Wenn diese Zahl um die Unterschiede im Kapazitätsfaktor (80/20) korrigiert wird (nehmen wir großzügig einen Kapazitätsfaktor von 20 % für die Solarenergie in diesen Breitengraden an), würde die benötigte Fläche etwa 33.000 Acres (52 Quadratmeilen) betragen, um die gleiche jährliche Strommenge wie Hinkley C zu erzeugen.
Eine andere Schätzung ergibt sich aus der Behauptung der Entwickler, dass der Solarpark Cleve Hall genug Strom aus erneuerbaren Energien erzeugen würde, um 91.000 Haushalte mit Strom zu versorgen und die Kohlenstoffemissionen im Vereinigten Königreich um 68.000 Tonnen jährlich zu reduzieren. Vergleicht man die Zahlen für Hinkley Point C und den Solarpark Cleve Hall, so ergibt sich, dass für die Versorgung von 6 Millionen Haushalten (wie von Hinkley C, EDF behauptet) eine Fläche von etwa 28.350 Acres (44,3 Quadratmeilen) mit Solarpanelen bedeckt werden müsste.
Darüber hinaus behaupten die Entwickler, dass der Solarpark Cleve Hall die Kohlendioxidemissionen im Vereinigten Königreich um 68.000 Tonnen pro Jahr reduzieren und den Gemeinden Kent und Swale jährlich 1 Million Pfund einbringen würde. Da Hinkley C also eine jährliche CO2-Reduzierung von 9 Mio. Tonnen verspricht, wären etwa 132 Solarparks in der Größe von Cleve Hall erforderlich, um die gleiche jährliche CO2-Reduzierung zu erreichen. Außerdem müsste der Solarpark während der Lebensdauer von Hinkley C wahrscheinlich dreimal ersetzt werden.
Die Zahl von 132 Solarparks scheint zu hoch. Wir vermuten, dass der Unterschied darauf zurückzuführen ist, dass die Farm Cleve Hall Tonnen Kohlenstoffemissionen angibt, während Hinkley C Tonnen CO2 angibt. Um dies zu korrigieren, müssen die Kohlenstoffemissionen mit 3,67 multipliziert werden, um die Unterschiede im Atomgewicht von Kohlenstoff und im Molekulargewicht von Kohlendioxid zu berücksichtigen. Wenn diese Annahme richtig ist, würde der Solarpark Cleve Hall jährlich 68.000 x 3,67 Tonnen CO2 einsparen, was 249.560 Tonnen CO2 entspricht. Dies entspräche 132 / 3,67 = 36 Solarparks (9M/249.560), was einer Fläche von 32.370 Acres (51 sq. miles) entspricht.
Wir haben drei verschiedene Schätzungen vorgenommen und sind zu drei unterschiedlichen Zahlen gekommen: 33.000, 28.350 und 32.370 Acres, die aber alle in der gleichen Größenordnung liegen. Auf der Grundlage der obigen Berechnungen würde ein Solarpark etwa 30.000 Acres (65 Quadratmeilen) Land benötigen, um jährlich so viel Strom zu erzeugen wie Hinkley Point C. Diese Zahl liegt nahe an dem von MacKay angegebenen Wert von 50 Mal mehr Land, das ein Solarpark im Vergleich zu einem Kernkraftwerk benötigt, um die gleiche Menge an Strom zu erzeugen wie ein Kernkraftwerk.
Es gibt auch Überlegungen, eine der größten Energiespeicheranlagen der Welt in das Cleve Hall-Projekt einzubinden. Zwar wurden die Einzelheiten des Speichersystems noch nicht genannt, aber Medien berichten, dass es dreimal so groß sein könnte wie das von Tesla in Australien verwendete Lithium-Ionen-System.
Eine neuere Entwicklung von Oxford PV besteht darin, eine herkömmliche Solarzelle mit Perowskit zu beschichten. Dies verbessert die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, da Perowskitkristalle einen größeren Bereich des Sonnenspektrums absorbieren können als herkömmliches Silizium. Normalerweise kann eine Silizium-Solarzelle bis zu etwa 22 % der verfügbaren Sonnenenergie in Strom umwandeln. Doch im Juni 2018 übertraf die Perowskit-auf-Silizium-Solarzelle von Oxford PV die leistungsstärkste reine Silizium-Solarzelle und erreichte einen neuen Weltrekord von 27,3 %. Dies sollte zu einer Verbesserung der Kapazitätsfaktoren für Solaranlagen führen. Da der Kapazitätsfaktor jedoch eine praktische Schätzung der tatsächlich über einen bestimmten Zeitraum erzeugten Energie im Vergleich zur Kapazität des Namensschilds ist, bleibt abzuwarten, wie sich Perowskit-auf-Silizium-Solarzellen auf den Kapazitätsfaktor auswirken werden.
Mitwirkende
1. Duncan Roy, Lewes Grüne Partei
2. Peter Vaughan, East Devon Green Party
3. Mark Yelland, Brighton & Hove Grüne Partei