Klimamemorandum

Die Rolle der Atomkraft und der thermischen Großkraftwerke im Klimageschehen

In der Klimadiskussion gilt es gemeinhin als Tatbestand, dass Atomkraftwerke Klima schonend seien, weil sie keine CO₂ oder Methanemissionen erzeugen. Deshalb hoffen die Protagonisten der Atomenergie auf deren Renaissance, je alarmierender die Klimaveränderungen werden. Selbst manche Atomkraftwerksgegner sind schon bereit ihre ablehnende Haltung unter Verweis auf das Klimaproblem zu relativieren. Tatsächlich tragen aber besonders Atomkraftwerke wesentlich zur veränderten Dynamik der Atmosphäre bei und zwar nicht über unmittelbare CO₂-Emissionen, sondern über die durch den Betrieb von Atomkraftwerken erfolgenden hochkonzentrierten Interventionen in das regionale und kontinentale Kühlsystem, des für den Gesamtwasserhaushalt (Fließ- und Stillgewässer und den ebenso wichtigen Wasserdunst über der Landschaftsfläche) von eminenter Bedeutung ist. Dieser Wirkungszusammenhang wurde bisher kaum berücksichtigt.

In Wechselwirkung mit der Sonne werden täglich an der Erdoberfläche dynamische Gradienten (Übergänge) zwischen verschiedenen Druckverhältnissen, Kalt und Warm, Feucht und Trocken aufgebaut und wirken auf Dynamik und Verteilung der atmosphärischen Klimahülle und ihren Prozessen auf der Erde.

Die Entwicklung der Organismen war dabei die „kühlste" Lösung bei gegebenem Energiefluss. Unter Einbeziehung der Wasser- und Vegetationsprozesse wurden dabei eine Atmosphäre und eine Umwelt geschaffen, in der es zur Entwicklung von höheren Organismen (wie auch dem Menschen) mit ihren Funktionen bei optimaler Energieverteilung (Dissipation) kam.

Voraussetzung für diese Entwicklungsprozesse waren stabile dynamische Verteilungen, die vom täglichen Sonnenpuls angetrieben und erhalten wurden.

Der wichtigste Temperatur regelnde und verteilende Faktor war dabei ortsbezogen immer Wasser in seinen drei Aggregatszuständen mit einer hohen Wärmekapazität. Nachgeordnet ist die Atmosphäre und deren Dynamik.

Die Temperaturregelung auf den Kontinenten konnte im Gegensatz zum Meer nur durch die Entwicklung von speziellen Energie speichernden Strukturen auf Zeit mit der Fähigkeit zur Reproduktion und gesteigerter Wärmekapazität erfolgen. Die Fähigkeit von Pflanzen und Bäumen mit sich ständig vergrößernder Verdunstungs­fläche (z.B. den Blattflächen) aktiv zu verdunsten und damit die Landschaft zu kühlen, lässt bei der entstehenden Druckverteilung zwischen Land und Meer einen Strom von Niederschlagswasser mit den Wolken über Kontinente eindringen, der die Abflüsse aus der Landschaft mit den Gewässern steuert (Beispiele Afrika, Australien, Wüsten). Während in den damaligen Kulturen die unmittelbare Wasserversorgung durch sich zunehmend verteuernde, künstliche Systeme erfolgte, brach die mittel­bare Wasserversorgung aus den Flüssen durch sich ständig vergrößernde Wasser­kreisläufe aus Mangel an natürlichen Kühlsystemen wie Waldvegetation und zivilisatorischen Effekten durch wirtschaftsbedingte Bodenerosion zusammen, so dass in zunehmendem Maße Siedlungsplätze durch Wassermangel aufgegeben werden mussten.

Noch heute beträgt der Niederschlag auf der Erde im Durchschnitt über 880 mm (geschätzt) im Jahr. Während jedoch bei intakter Vegetationsdecke eine durch­schnittliche Aufenthaltszeit des Wassers in der Atmosphäre von etwa einem Tag oder kürzer (gemessen im Urwald bei optimaler Verdunstung) die Temperaturpulse zwischen Tag und Nacht auf Schwankungen zwischen 3-6 °C ausgeglichen werden, wurden in Wüstengebieten bei fehlender Verdunstung Temperaturunterschiede bis über 25°C festgestellt. Bei Zusammenbrechen des Wasserhaushalts durch verschwindende Vegetations-Verdunstung können diese Temperaturunterschiede nicht mehr ausgeglichen werden und die mittlere Aufenthaltszeit des Wassers in der Atmosphäre steigt weltweit an. Sie stieg in den letzten Jahren auf etwa 9-11 Tage und weist enorme und immer schwerer voraussagbare Schwankungsbreiten auf.

Durch Menschen gemachte Eingriffe ist die Temperatur- und Druck-steuernde Vegetation nicht mehr so verteilt, dass die Dynamik der Atmosphäre in relativ gut vorhersagbaren gedämpften Mustern erfolgt, wie dies bei einem Minimum von Wind bei hinreichender Flächenkühlung der Fall wäre. Bei fehlendem Wind (Homothermie auf der Landschaftsoberfläche) bildet die Vegetation nahezu ortsfeste und optimal Temperatur ausgleichende Wasserkreislaufzyklen aus.

Aufgrund dieser Überlegungen ist leicht einzusehen, dass jegliche Eingriffe in den Wasser- und den daran gekoppelten Temperaturhaushalt und seiner Verteilung auf den Kontinenten zu starken Auslenkungen des Regionalklimas in immer mehr Regionen führen, die oft weit von den für die Organismen optimalen Bereich abweichen. Nachhaltige Umweltschäden bzw. Absenkungen des Wirkungsgrads (Steigerung der irreversiblen Prozesse) bei einem Zuviel oder Zuwenig zeigen, dass eine zunehmende Auslenkung von räumlichen und zeitlichen Extremwerten die Elastizität der Ökosysteme übersteigt und damit die Funktion des Systems nachhaltig beeinträchtigt. Bei unzureichender Verteilung der Flächenkühlung kommt es lokal oder temporär zu Überhitzungen, und zu erheblichen Druck- und Temperatur­schwankungen. Spontane Stürme, Vegetationsschäden, gesteigerten Material­verlagerungen in die Troposphäre über die von Kreisläufen bestimmten System­grenzen hinweg durch Emissionen und Verwüstung des vernetzten oberflächen­nahen Klimasystems der „Natur" sind die Folge.

Die Natur hat durch Versuch und Irrtum gezeigt, wie nur ein von lokalen Kreisläufen bestimmtes, modular aufgebautes System von optimierter Größe und geeigneter Kopplung beständig ist.

Insbesondere die zentralisierte Energie-, Wasserver- und -entsorgung bei gesteigertem Bedarf an Logistik und Produktivität haben bisher eine Absenkung des Systemwirkungsgrads mit sich geführt - mit denselben Folgen, die für den Klimawandel vorausgesagt wurden. Die Ausweisung von trockenen Treibhausgas­emissionen wie CO₂ und Methan als wichtigste Elemente der Klimaveränderung bilden die Realität nur sehr unzureichend ab. Zwar ist Wasserdampf seitens der Meteorologie als das wichtigste Treibhausgas identifiziert. Die Emissionen bei der Wasserkühlung von thermischen Großkraftwerken blieben jedoch als erhebliche Punktemissionen von Wasserdampf und Druckwellen im Klimamodell unberücksichtigt.

Atomkraftwerke mit teilweise über 1000 MW und zentralisierte thermische Großkraftwerke erzeugen lokal einen hohen Bedarf an Kühlung. Die Verdampfung bzw. Verdunstung von Wasser sowie die Kondensation bewirken dabei erhebliche Druckwellen in der Atmosphäre. Sie erzeugen „Hot Spots" in der Land­schaft und erhöhen die Varianzen unseres Klimas hin zu suboptimalen bis irreversiblen Bereichen durch Überhitzung der Atmosphäre und massive Eingriffe in den gesamten Wasserhaushalt also über die Fließgewässer und stehenden Gewässer hinaus. Schon heute wird der größte Teil des zur Verfügung stehenden Wassers für die räumlich ungleich verteilte Produktion von Wasserdampf und Erwärmung der Kühlwässer verwendet mit der Folge einer zunehmenden Generierung von regionalen bis schließlich kontinentalem Wassermangel sowie ablandigen, d.h. überhitzten Winden, die erst über dem Meer durch Verdunstung gekühlt werden. So entstehen zunehmend Hurrikane bzw. Taifune.

Entsprechend ihrer Leistung sind Kraftwerke die wichtigsten konzentrierten Wärmeemittenten. Mit ihrer hohen Energiedichte sind sie punktförmig in der Landschaft verortet. Zwar werden die thermischen Emissionen durch lokale Wasserkühlung gemindert und gedämpft. Da sie auf relativ kleiner Fläche stattfinden, üben sie jedoch mittels der Treibhausgase Wasserdampf und CO₂ erhebliche und konzentrierte Wirkungen auf die Atmosphäre aus. Der Druck steigt auf relativ kleinen Flächen stark an, und die mit den Treibhausgasen erzielten Druck- und Temperatur­inkremente können sich bei entsprechenden Überlagerungen zu katastrophalen Witterungsbedingungen verdichten.

Zusammen mit den versiegelten überwärmten Flächen in den Städten oder großer Felder und der Vernichtung natürlicher Baumvegetation bei zunehmender Absenkung des Grundwasserspiegels erfolgten dramatische Veränderungen des wasserbasierten Kühlsystems. Diese sind bereits in „Google Earth" sowie in den thermalen Signaturen erfasst, ohne dass die Gründe dafür erkannt oder benannt sind.

Dieser Effekt wird noch gesteigert, wenn hohe Energiedichten gekühlt bzw. ausgeglichen werden müssen, wie dies bei thermischen Großkraftwerken der Fall ist: Wasser wird als wichtigstes Kühlmittel in den Kondensationskraftwerken eingesetzt. Die Dissipation der Wärme erfolgt vorrangig durch den Wechsel der Aggregats­zustände zwischen Wasser und Wasserdampf in der Atmosphäre. Der Kühlprozess erfolgt in einer sich von der Quelle ausbreitenden Druckwelle. Bei der Generierung von Dampf erfolgt eine Drucksteigerung, bei der Kondensation eine Drucksenkung, begleitet von starken Temperaturschwankungen. Pro 1000 MW Stromproduktion ist ein Kühlwasserbedarf von etwa 30-40 m³ / Sekunde erforderlich. Zittel & Altmann (1994) haben in ihrer Studie „Einfluss des Wasserdampfs auf das Klima" ermittelt, dass in der Bundesrepublik pro Kilowattstunde aus Kondensationskraftwerken 1,5 kg Wasser verdampft werden. Bei einer Stromproduktion in Deutschland von etwa 600 Mrd. kWh, wovon gut 75% aus den Kondensationskraftwerken kommen, wären das 675 Mio. t Wasserdampf gegenüber knapp 500 Mio t. CO₂, die diesen Prozess massiv beschleunigen.

Die besondere Problematik des Wasserdampfs ergibt sich aus der wesentlich höheren mittleren Konzentration der Wärme und wird durch die immer ungleich­mäßigere Flächenverteilung der Vegetation verstärkt. Diese Faktoren steigern auf den Kontinenten die Katastrophenwahrscheinlichkeit überproportional.

Die Emissionsschäden, die heute über die Emissionszertifikate abgedeckt werden sollen, müssten das demnach überdurchschnittliche Gesamtschadenskalkül vorrangig den Emissionen von lokal verdampften oder zusätzlich verdunsteten Kühlwassermengen zuordnen. Der emittierte Wasserdampf dringt bereits lokal in sehr hohe Atmosphärenbereiche vor, kondensiert dort und löst dabei eine Welle von Über- und Unterdruck aus. Es entstehen „thermische Großsäulen". Die über die Atmosphäre transportierten Wassermengen werden dann vorrangig über kühleren Stellen bzw. den Meeren abgeregnet. Unter Berücksichtigung eines gesteigerten Schadenspotentials würde dies auch den Strompreis aus zentralen Großkraftwerken mit Kondensationstechnologie erheblich beeinflussen, während demgegenüber dezentral gewonnene, erneuerbare Energie eine Amplituden dämpfende Wirkung haben. Mit erneuerbarer Energie wird also nicht CO₂ vermieden, sondern wird den Steigerungen der Klimavarianzen auf der gesamten Fläche entgegengewirkt. Mit kurzgeschlossenen regionalen Wasserkreisläufen wird die negative Klimawirkung erheblich gedämpft. Soweit noch fossile Energien eingesetzt werden, gebietet sich wegen dieses Zusammenhangs eine dezentrale, Kraft-Wärme gekoppelte Anordnung von Kraftwerken, was den negativen Klimaeffekt mindern hilft.