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Radioaktiver Abfall

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Definition: radioaktives Material, welches nicht weiter nutzbar ist

Englisch: radioactive waste, nuclear waste

Kategorie: Kernenergie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 20.02.2013; letzte Änderung: 07.08.2016

Radioaktive Abfälle sind radioaktive Materialien, welche nicht mehr nutzbar sind und so entsorgt werden sollten, dass die davon ausgehenden Gefahren minimiert werden. Der Artikel über Radioaktivität erläutert etliche Grundlagen, während es hier um spezifische Aspekte von Abfällen geht.

Quellen radioaktiver Abfälle

Der weitaus größte Anteil radioaktiver Abfälle – gemessen an der Aktivität und nicht nach dem Volumen – stammt aus Kernreaktoren in Kernkraftwerken und wird umgangssprachlich oft als Atommüll bezeichnet. Kleinere Mengen von Abfällen entstehen, wo meist in Kernreaktoren erzeugte Radionuklide in der Medizin (für Diagnosen und Strahlentherapie), in der wissenschaftlichen Forschung, in der Industrie oder in der Landwirtschaft genutzt werden. Teils handelt es sich um Substanzen wie Cäsium 137, die aus abgebrannten Brennelementen extrahiert wurden, und teils um gezielt durch Bestrahlung in Reaktoren erzeugte Substanzen wie Cobalt 60.

Der Löwenanteil der Radioaktivität steckt in den hochaktiven Abfällen (engl. HLW = high level waste) von abgebrannten Brennelementen, obwohl diese vom Volumen her den kleinsten Teil der insgesamt anfallenden Abfälle ausmachen. In einem Kernkraftwerk mit 1 GW elektrischer Leistung fallen davon rund 20 Tonnen pro Jahr an. Diese Brennelemente sind so stark radioaktiv, dass die Zerfallsprozesse zu einer starken Wärmeerzeugung führen. Sie müssen deswegen ständig gekühlt werden, weil sie sich sonst immer mehr aufheizen, so dass gefährliche Stoffe freigesetzt werden könnten. Mittelaktive Abfälle dagegen strahlen zwar ebenfalls recht stark, so dass die Strahlung abgeschirmt werden muss, wenn sich Personen in der Nähe aufhalten sollen; jedoch ist die Wärmeerzeugung schwach, so dass keine besondere Kühlung notwendig ist. Darüber hinaus gibt es schwachaktive Abfälle, bei denen auch keine besondere Abschirmung gegen die Strahlung notwendig ist, aber die Aufnahme in den Körper verhindert werden muss. Beispielsweise sind Alpha-Strahler auch in der Nähe des Körpers harmlos, da ihre Strahlen nicht einmal die Haut durchdringen können; bei Verschlucken oder Einatmen dagegen können sie sehr gefährlich sein.

Vergleichsweise wenig problematisch ist abgereichertes Uran, d. h. was übrig bleibt nach der Urananreicherung. Es enthält fast nur das sehr langlebige Uran 238, welches recht schwach strahlt – weniger als Natururan. Bedenklich ist aber, dass große Menge davon in Form von Uranmunition in die Umwelt gebracht wurden. Insbesondere wenn Uran beim Aufschlag eines damit gehärteten Geschosses zerstäubt wird, kann es auch von Menschen aufgenommen werden und sich dann sehr schädlich auswirken.

Größere Mengen schwachaktiver Abfälle entstehen auch bei der Förderung von Erdöl und Erdgas. Sie werden in der Regel mangels staatlicher Überwachung unsachgemäß entsorgt und stellen dann ein erhebliches Gefahrenpotenzial dar, weil viele der enthaltenen Radioisotope ohne Weiteres in der Nahrungskette zirkulieren können.

Abklingen der Radioaktivität

Bei den radioaktiven Zerfällen wandeln sich die jeweiligen Atomkerne in andere um, die teils wieder radioaktiv sind. Früher oder später entstehen jedoch stabile Isotope, die also nicht weiter strahlen. Die Halbwertszeit eines Isotops ist die Zeit, nach der die Hälfte des Materials zerfallen ist. Die in radioaktiven Abfällen vorkommenden Isotope haben extrem unterschiedliche Halbwertszeiten – von weniger als einer Stunde bis hin zu Millionen von Jahren.

Häufig liegen Gemische verschiedener radioaktiver Isotope vor. In der Anfangszeit dominiert meist die Strahlung der kurzlebigen Isotope, da diese am meisten Zerfälle pro Sekunde aufweisen. Wenn diese Strahlung abgeklungen ist, bleibt jedoch noch die Strahlung der langlebigeren Isotope für entsprechend längere Zeit bestehen.

Die Wärmeentwicklung hochradioaktiver Abfälle stammt hauptsächlich von den kurzlebigen Isotopen. Sie lässt zunächst schon innerhalb einiger Wochen deutlich nach, sinkt dann aber innerhalb vieler Jahre immer langsamer ab. Nach einigen hundert Jahren ist die Wärmeentwicklung nur noch sehr schwach, obwohl das Material zumindest bei Aufnahme in den Körper immer noch sehr gefährlich wäre.

Quantifizierung von radioaktiven Abfallmengen

Es gibt sehr unterschiedliche Arten, um radioaktive Abfallmengen zu quantifizieren:

Was soll die “Menge an Radioaktivität” bedeuten? Es gibt sehr unterschiedliche Maße hierfür.

Man beachte, dass die Gefährlichkeit radioaktiver Abfälle sehr stark auch von weiteren Faktoren abhängen kann:

Die Gefährlichkeit radioaktiver Abfälle hängt längst nicht nur von der Menge der Abfälle oder der Stärke der Strahlung ab.

Beispielsweise kann die Verglasung von Abfällen die Gefahr des Austretens von Radionukliden stark verringern, und Abfälle in einem gut gesicherten Tiefenlager sind dort wesentlich weniger gefährlich als in einem Zwischenlager an der Erdoberfläche.

Entsorgung radioaktiver Abfälle

Zeiträume für die Lagerung

Soweit es sich um kurzlebige Substanzen handelt, können radioaktive Abfälle einfach für eine gewisse Zeit (ein Mehrfaches der Halbwertszeit) sicher eingeschlossen werden, bis die Radioaktivität auf ein ungefährliches Maß abgeklungen ist. Durchaus praktikabel ist dieser Ansatz für Halbwertszeiten bis zu einigen Jahren.

Im Falle von abgebrannten Brennelementen ist die Wärmeentwicklung anfangs so stark, dass nur eine Lagerung in einem Abklingbecken innerhalb des Kernkraftwerks praktikabel ist. Die Brennelemente werden also in einem Wasserbecken gelagert, wobei das Wasser sowohl die Wärme abführt als auch einen wesentlichen Teil der Strahlung abschirmt. Erst wenn die Wärmeentwicklung deutlich nachgelassen hat, werden die Brennelemente transportfähig. Sie können dann z. B. in ein Zwischenlager gebracht werden – verpackt in Behälter, die durch Luftzug gekühlt werden können.

Die Halbwertszeiten von Spaltprodukten, also von Produkten der Kernspaltung in Kernreaktoren, liegen oft bei einigen Jahrzehnten. Diese Substanzen müssen also für einige Jahrhunderte so gelagert werden, dass die gefährlichen Substanzen nicht in die Biosphäre gelangen können. Hierbei ist stets auch auf eine ausreichende Wärmeabfuhr zu achten, damit die Abfälle nicht überhitzt werden, was die Behälter beschädigen könnte. Bei solchen Zeiträumen sind bereits etliche Generationen von Menschen betroffen, und Phänomene wie die Korrosion von Behältern oder die Schädigung von Behältern durch Strahlenwirkungen oder durch äußere Einflüsse sind möglich.

Die langlebigen Anteile der Abfälle sind langfristig das größte Problem – auch wenn sie anfangs nur einen geringen Teil der Strahlung erzeugen.

Noch wesentlich problematischer ist die Lagerung sehr langlebiger Stoffe wie z. B. Plutonium 239 (Halbwertszeit über 24 000 Jahre) und anderer Transurane, teils sogar mit Halbwertszeiten von Millionen von Jahren. Auch einige Spaltprodukte wie z. B. Iod 129, Cäsium 135 und Technetium 99 sind recht langlebig. Es ist bis heute unklar, wie über dermaßen lange Zeiträume, die weitaus länger als die bisherige Geschichte der Menschheit, eine sichere Lagerung gewährleistet werden soll. Auch bei geologischen Tiefenlagern ist es schwer zu garantieren, dass innerhalb so langer Zeiträume keine geologischen Prozesse ein Lager gefährden. Man bedenke beispielsweise, dass die Landschaft Mitteleuropas allein schon innerhalb der letzten 30 000 Jahre mehrmals bei Eiszeiten völlig umgestaltet wurde; selbst relativ tief liegende Lager könnten davon tangiert werden. Hinzu kommt, dass in ferner Zukunft Menschen auf solche Lager stoßen könnten, die über die großen Gefahren nicht informiert sind; eine unmissverständliche Kennzeichnung unabhängig von heute genutzten Sprachen und vielleicht nur heute verstandenen Symbolen ist nicht einfach.

Ansätze für geologische Tiefenlager

Trotz verbleibender Unsicherheiten erscheinen geologische Tiefenlager als der am besten geeignete Ansatz, um gefährliche radioaktive Abfälle für lange Zeiten von der Biosphäre fern zu halten. Da die Verbringung von Abfällen in ein solches Tiefenlager als der letzte Schritt vorgesehen ist, spricht man auch von Endlagern. Grundsätzlich müssen die Abfälle zunächst geeignet verpackt werden in Behälter, die sie für möglichst lange Zeit sicher einschließen. Da aber kein Behälter für zehntausende Jahre oder länger garantiert dicht bleiben kann, muss als weitere Barriere die geologische Umgebung für lange Zeiträume stabil bleiben (z. B. nicht durch Erdbeben oder Vulkanismus verändert werden) und auch verhindern, dass ausgetretene Stoffe z. B. irgendwie nach oben wandern oder in das Grundwasser geraten können.

Die folgenden Konzepte für Endlager wurden bereits näher untersucht:

Für geologische Langzeitlager gibt es unterschiedliche Konzepte – mit spezifischen Vor- und Nachteilen.

  • Gewisse Granitgesteine und ähnliche kristalline Gesteine wie Gneis sind sehr druckfest und sehr alt. Gerade ihr Alter legt die Vermutung nahe, dass sie über sehr lange Zeiten stabil bleiben können. In gewissen Regionen z. B. in Schweden und Finnland gibt es stabile Granitformationen, die relativ gut geeignet zu sein scheinen. Sie bleiben stabil, auch wenn Schächte in diese Formationen getrieben werden, und sind wenig wasserdurchlässig (falls sie höchstens gering zerklüftet sind). Gleichzeitig sind sie gut wärmedurchlässig. Für die Einlagerung geschaffene Zugangswege müssten auf geeignete Weise wieder verschlossen werden, um z. B. das spätere Eindringen von Wasser zu verhindern. In Deutschland gibt es allerdings keine solche kristallinen Gesteinsvorkommen, die alle Anforderungen an ein Endlager erfüllen könnten.
  • Salzstöcke sind ebenfalls alte Formationen, die über lange Zeiten (teils hunderte von Millionen Jahren) nicht von Wasser durchdrungen wurden, welches sonst das Salz aufgelöst hätte. Das Salz neigt außerdem durch sein “Fließen” dazu, Hohlräume selbstständig innerhalb relativ kurzer Zeiten zu schließen – auch wenn äußere Einwirkungen zu starken Verformungen führen. Allerdings besteht das grundsätzliche Problem, dass menschliche Aktivitäten, wie sie zur Errichtung eines Endlagers unabdingbar sind (z. B. das Bohren von Schächten), die Strukturen verändern. Insbesondere können Wassereinbrüche gerade so ausgelöst werden, selbst wenn ein Salzstock vorher über sehr lange Zeit wasserfrei war.
  • Eine weitere Möglichkeit bieten gewisse Tonformationen, z. B. in Norddeutschland und in der Schweiz. Solche Gesteine weisen eine sehr niedrige Wasserdurchlässigkeit auf, außerdem eines hohes Sorptionsvermögen (welches den Transport von Radionukliden verlangsamt) sowie zumindest bei plastischen Tonen auch eine “Selbstheilung” von Defekten. Die Wärmeleitfähigkeit ist allerdings gering, was bei stark wärmeentwickelnden Abfällen eine geringe Lagerdichte erfordert.
  • Vulkanische Tuffe, wie sie z. B. in den USA vorkommen, könnten ebenfalls geeignet sein.

Im Detail ist die Untersuchung der Eignung verschiedener Gesteine für ein Endlager wie auch deren Vergleich sehr kompliziert. Jedes Gestein hat spezifische grundsätzliche Vor- und Nachteile, die schwer gegeneinander abzuwägen sind. Hinzu kommen standortspezifische Details.

Im Prinzip könnte ein Endlager so geschaffen werden, dass das Problem dauerhaft gelöst ist, d. h. dass keine weitere Kosten anfallen. Insofern hätte man dann nicht mit Ewigkeitskosten zu tun. Allerdings ist nicht klar, ob dies gelingen kann.

Rückholbare Endlagerung?

Eine grundsätzliche Entscheidung bei der Errichtung eines Endlagers ist, ob die Lagerung rückholbar gestaltet werden soll. Der Grundgedanke der Rückholbarkeit ergab sich aus der Einsicht, dass sich diverse Umstände mit der Zeit ändern können und deswegen die Möglichkeit späterer korrigierender Einflüsse vorteilhaft sein könnte. Andererseits hat die Rückholbarkeit auch klare Nachteile; die dafür erforderliche Zugänglichkeit erhöht auch die Gefahren eines ungewollten Austritts oder von nicht erwünschtem menschlichen Zugang. Ob ein rückholbares Lager insgesamt sicherer wäre, ist deswegen umstritten.

Vertrauen der Bevölkerung

Damit ein Endlager angelegt werden kann, ist das Vertrauen zumindest des Großteils der Bevölkerung in der weiteren Umgebung unabdingbar. Dieses wurde allerdings vielerorts nachhaltig zerstört. Während in Ländern wie Russland schon lange horrend gefährliche Verhältnisse bekannt waren, beispielsweise mit der Lagerung hochgefährlicher Abfälle einfach unter freiem Himmel ohne besonderen Schutz und mit starker Verseuchung von Flüssen, wurde z. B. für Deutschland ein viel verantwortungsvollerer Umgang mit den Gefahren erwartet. Jedoch ist auch dort inzwischen viel Vertrauen zerstört worden:

Die Erfahrungen mit Asse II haben das Vertrauen der Bevölkerung massiv geschädigt.

  • Ein Versuchs-Endlager für schwach- und mittelaktive Abfälle wurde ab 1965 im ehemaligen Salzbergwerk Asse II in Niedersachsen eingerichtet. Ab ca. 2008 wurden schwere Missstände öffentlich bekannt, nachdem von den Behörden jahrelang nennenswerte Risiken kategorisch ausgeschlossen worden waren. Insbesondere dringt nun zunehmend Wasser in den Salzstock ein; dies war zwar offenbar schon lange bekannt, aber trotzdem wurde noch in 1972 behauptet, das Eindringen von Wasser sei so gut wie unmöglich. Genau dies dürfte aber früher oder später zum Einsturz wesentlicher Teile der Anlage führen. Auch die zunehmende Verformung des Salzstocks als Folge der vielen geschaffenen Hohlräume könnte die Wasserzuflüsse noch wesentlich verstärken. Die Salzlauge ist bereits in Kontakt mit eingelagerten Stoffen gekommen und dadurch stellenweise stark radioaktiv kontaminiert geworden. Andererseits korrodieren die eingelagerten Fässer durch die Lauge viel schneller als vorgesehen, und dabei entsteht auch Wasserstoffgas, welches weitere Gefährdungen hervorruft. Es gibt nun Pläne für eine Rückholung der Abfälle, aber es gibt auch begründete Zweifel daran, ob dies überhaupt noch rechtzeitig gelingen kann und ob die dabei auftretenden Gefahren nicht größer sind als die eines Verzichts darauf. Eine andere Möglichkeit wird in der Flutung mit einer Magnesiumchlorid-Lösung gesehen, die jedoch aus guten Gründen internationalen Standards widersprechen würde. Bislang ist unklar, wie nun vorgegangen werden sollte. Auf jeden Fall ist mit Kosten in Milliardenhöhe zu rechnen, ohne dass damit die entstandenen Gefahren damit sicher gemeistert werden könnten. Übrigens ist auch bekannt geworden, dass die in Asse II eingelagerten Abfälle nur sehr schlampig und fehlerhaft dokumentiert wurden, so dass nicht einmal Klarheit darüber besteht, was genau eingelagert wurde.
  • Für hochaktive Abfälle wurde seit 1979 bis 2000 der Salzstock Gorleben erkundet. Dieses Projekt dürfte politisch nicht mehr durchsetzbar sein, nachdem viele irritierende Umstände bekannt geworden sind. Bereits die ursprüngliche Auswahl des Standorts scheint am wenigsten durch Sicherheitsüberlegungen motiviert gewesen zu sein. Negative Resultate der Erkundungen wurden durch Änderung der Sicherheitskriterien weggewischt. Die Proteste der Bevölkerung sind mit der Zeit sehr stark geworden. Durch das spektakuläre Scheitern des Projekts Asse II (siehe oben) ist die Endlagerung in Salzstöcken noch schwieriger geworden, auch wenn zwischen Asse II und Gorleben wesentliche Unterschiede bestehen.
  • Es ist ebenfalls bekannt geworden, dass erhebliche Mengen hochaktiver Abfälle aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz ganz im Gegensatz zur offiziellen Atompolitik nach Sibirien verfrachtet worden sind, wo sie unter unglaublichen Verhältnissen – z. T. unter offenen Himmel – gelagert werden.

Solche und andere Vorfälle dürften das Vertrauen der Bevölkerung so schwer geschädigt haben, dass jegliche zukünftige Vorhaben der Einrichtung von Endlagern z. B. in Deutschland auf extremes Misstrauen stoßen und damit schwer durchsetzbar sein dürften. Trotzdem bleiben Endlager mit ausreichend großen Volumen unbedingt notwendig, da die weitere provisorische Lagerung nahe der Erdoberfläche auf Dauer noch viel gefährlicher ist. Eine Lösung dieses Dilemmas ist bislang nicht absehbar. Dies ist einer der Gründe, warum die Forderung nach einem Atomausstieg in einer zunehmenden Zahl von Ländern immer lauter wird. Damit wird allerdings nur das weitere Anwachsen der Abfallmengen verhindert bzw. für die Übergangszeit des Ausstiegs vermindert. Die Notwendigkeit von Endlagern wird damit nicht grundsätzlich entfallen.

Die EU-Kommission fordert von den Mitgliedsländern, bis 2015 eine Lösung der Endlagerproblematik vorzulegen. Es ist nicht klar, wie dies gelingen sollte.

Andere Optionen für die Entsorgung?

Es wurde vor längerer Zeit vorgeschlagen, hochradioaktive Abfälle mit Hilfe von Raketen ins Weltall zu schießen. Wenn sie beispielsweise von der Sonne verschluckt würden, bestünde keine Gefahr mehr. Diese Art der Entsorgung scheitert jedoch sowohl an den enormen Kosten als auch an der erheblichen Gefahr, dass abstürzende Raketen zu großflächigen Verseuchungen führen würden.

Flüssige Abfälle werden auch heute noch in großen Mengen in das Meer geleitet – vor allem bei Wiederaufarbeitungsanlagen wie denen von Sellafield (Großbritannien) und La Hague (Frankreich). Allerdings handelt es sich um einen sehr kleinen Teil der Radioaktivität, die in diesen Anlagen gehandhabt wird. Immerhin ist die erhöhte Radioaktivität im Meerwasser selbst in großen Entfernungen solcher Anlagen problemlos nachweisbar. Die Versenkung fester Abfälle, die früher jahrelang auch z. B. durch die Schweiz praktiziert wurde, gilt inzwischen als kriminell.

Die Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente kann insofern ein wenig zur Entschärfung der Abfallprobleme beitragen, dass man damit das Plutonium 239 teilweise wieder der Kernspaltung zuführen kann. Allerdings müsste selbst mit konsequenter Wiederaufarbeitung ein wesentlicher Teil des Plutoniums schließlich endgelagert werden, ebenso wie diverse andere Transurane und langlebige Spaltprodukte. Hinzu kommt, dass das Gesamtvolumen der Abfälle bei der Wiederaufarbeitung meist stark zunimmt, die Radioaktivität also auf ein größeres Volumen verteilt wird.

Die Transmutation langlebiger Abfälle könnte im Prinzip eine Problemlösung sein – erscheint jedoch als kaum praktikabel.

Theoretisch sehr attraktiv wäre das Verfahren der Transmutation: Langlebige Radionuklide würden durch starke Bestrahlung mit Neutronen in wesentlich kurzlebigere Isotope umgewandelt, so dass die nötige Lagerzeit massiv reduziert würde, nämlich auf einige hunderte Jahre. Leider erscheint dieses Verfahren kaum praktikabel und könnte, selbst wenn es einst genutzt würde, in der Praxis auch nur einen Teil der langlebigen Isotope beseitigen.

Kosten der Entsorgung radioaktiver Abfälle

Grundsätzlich besteht Einigkeit darüber, dass die Kosten der Entsorgung radioaktiver Abfälle von den jeweiligen Verursachern getragen werden sollten. Die praktische Umsetzung des Verursacherprinzips krankt aber vor allem daran, dass die Kosten für eine Endlagerung, für die noch nicht einmal das grundsätzliche Verfahren bekannt ist und die erst in relativ ferner Zukunft beginnen wird, naturgemäß nur sehr schwer schätzbar sind. Endgültige Entscheidungen z. B. über die Art des Wirtsgesteins und die rückholbarkeit stehen noch aus.

Werden die Rücklagen der Kraftwerksbetreiber für die Endlagerung ausreichen? Bislang sind die Kosten dafür nicht bekannt.

Die Betreiber von Kernkraftwerken machen heute finanzielle Rücklagen, aus denen die Endlagerung später genauso wie die Beseitigung der Kraftwerksanlagen finanziert werden soll. Ob diese Rücklagen später dann tatsächlich ausreichen werden, ist heftig umstritten. Große Zweifel daran sind angebracht, zumal die Berechnung der nötigen Rücklagen z. T. auf extrem optimistischen Annahmen beruht. Die Finanzierung wird durch einen Atomausstieg womöglich noch prekärer, da dann weniger Zeit besteht, um die Rücklagen anzusammeln. Aus all diesen Gründen besteht ein hohes Risiko, dass am Ende der Staat, also die Allgemeinheit für hohe zusätzliche Kosten wird aufkommen müssen. In Deutschland wird seit 2011 die Kernbrennstoffsteuer erhoben, um die Industrie stärker an den Kosten zu beteiligen, jedoch ist unklar, wie lange diese Steuer bestehen bleibt und wie viel Kosten für den Staat dennoch bleiben werden.

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