Strategien für die Zukunft

Das zweite Solarzeitalter

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe lässt weltweit die Temperaturen steigen, und Öl wird knapp: Die Zukunft gehört den erneuerbaren Energien. Die mit Abstand wichtigste zukünftige Energiequelle ist die Sonne, die in Zukunft wieder zur Grundlage unseres Energiesystems (1) werden wird.

In vorindustrieller Zeit nutzte die Menschheit ausschließlich Energien, die auf die Sonne zurückgingen (>> mehr). Dieses erste Solarzeitalter wurde durch die Nutzung fossiler Energien abgelöst - in 250 Jahren haben wir einen guten Teil dieses Kapitals der Erde, angesammelt in Millionen Jahren, einfach verbrannt. Jetzt merken wir, dass fossile Energien  endlich sind (>> mehr) und erhebliche Umweltprobleme wie den Klimawandel (>> mehr) verursachen. Ein zweites Solarzeitalters wird daher kommen. Moderne erneuerbare Energien - auch Wind- und Wasserkraft sowie Biomasse - basieren auf der Energie der Sonne und sind nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich. Die Sonne liefert etwa 10.000 mal mehr Energie, als die Menschheit heute verbraucht (>> hier), und inzwischen haben wir die Methoden und Technologien, den nötigen Bruchteil davon für uns zu nutzen.

Wasserkraft

Die Nutzung der Wasserkraft beruht darauf, Wasser auf eine Turbine zu leiten, die Strom erzeugt. Die Technik ist bewährt und gilt als zuverlässig: Wasserkraft liefert weltweit mit 10 EJ/Jahr 19 Prozent des Stroms und ist damit die zur Zeit mit Abstand wichtigste erneuerbare Energiequelle. In Deutschland sind über 7.000 Anlagen, meist Kleinanlagen, in Betrieb. Damit ist das Potenzial der Wasserkraft hierzulande weitgehend genutzt, Steigerungsmöglichkeiten gibt es vor allem durch Reaktivierung oder Verbesserung bestehender Anlagen. Weltweit ist das wirtschaftlich nutzbare Potenzial von 30 EJ/Jahr aber erst zu einem Drittel genutzt; große Reserven gibt es vor allem in Afrika, Südamerika und Asien. Dort geht auch der Zubau weiter, im Jahr 2005 wurden in China 7.000 Megawatt, in Brasilien 2.400 Megawatt und in Indien 1.300 Megawatt an großen Wasserkraftwerken errichtet, dazu kamen weltweit 5.000 Megawatt an Kleinanlagen.

Nicht jede mögliche Nutzung der Wasserkraft ist aber auch als nachhaltig zu bewerten: Dammbauten können negative ökologische Auswirkungen haben; mit Staudämmen verbundene Zwangsumsiedlungen sind in vielen Ländern traurige Realität (>> mehr). Diese ökologischen und sozialen Folgen von Dammbauten müssen insbesondere bei Großanlagen durch die Einhaltung internationaler Leitlinien verhindert werden; diese fordern u.a. die Sicherung internationaler Schutzgebiete und die Beteiligung der lokalen Bevölkerung an der Planung (>> mehr). Da in vielen Ländern die institutionellen Voraussetzungen für eine derartige nachhaltige Entwicklung fehlen, liegt das nachhaltig nutzbare Potenzial für den Ausbau der Wasserkraft erheblich unter dem wirtschaftlichen Potenzial: Der Wissenschaftliche Beirat Globale Umweltveränderungen (WBGU) schätzte es in seinem Gutachten “Energiewende zur Nachhaltigkeit” (2003) (>> mehr) auf 12 EJ/Jahr im Jahr 2030 und 15 EJ/Jahr im Jahr 2100. Zukünftige Projekte sollten nach seiner Ansicht eher im mittleren Leistungsbereich liegen.

Ausbaufähig ist aber die Nutzung der Wasserkraft im Meer: Nicht in Form von Gezeitenkraftwerken, die Flüsse vom Meer abschneiden und damit große Ökosysteme gefährden (derzeit wird nur in Südkorea ein neues Kraftwerk gebaut, Pläne gibt es aber auch in Großbritannien am Severn), sondern in Gestalt moderner Wellen- und Strömungskraftwerke: In Strömungskraftwerken treiben Meeresströmungen Turbinen oder Rotoren an; in Wellenkraftwerken wandeln schwimmende Metallschlangen die Wellenbewegungen in nutzbare Energie um (siehe auch Internet-Hinweise). In Deutschland soll ein erstes Wellenkraftwerk an der Nordseeküste installiert werden. Die Einschränkungen der Wasserkraftnutzung im Meer sind hohe Kosten für Netzanbindung und Wartung, wenn die Anlagen zu weit vom Land entfernt sind, und mögliche Konflikte mit Fischern, Schifffahrt und Tourismus in Küstennähe.

>> Telepolis-Beitrag “Energie aus dem Meer”
>> ZDF “Abenteuer Wissen” über das Wellenkraftwerk Pelamis
>> DIE ZEIT “Strom aus der Auster” über ein Wellenkraftwerk in Schottland

Biomasse

Biomasse deckt etwa 10 Prozent der weltweiten Energienachfrage; 2,5 Milliarden armer Menschen hängen ausschließlich von Bioenergie in Form von Brennholz, Holzkohle oder Dung ab. Unter “moderner” Energie aus Biomasse versteht man die Nutzung land- und forstwirtschaftlicher Reststoffe und die Nutzung speziell angebauter Energiepflanzen. Das technische und wirtschaftliche Potenzial der Bioenergie ist hoch; auf begrenzter Anbaufläche konkurriert der Anbau von Energiepflanzen aber mit der Nahrungsmittelproduktion oder geht zu Lasten natürlicher Ökosysteme - beides begrenzt das nachhaltig nutzbare Potenzial.
>> mehr

Windenergie

Windenergie Windkraftwerke bestehen aus einem Turm, einem Rotor, (oft einem Getriebe) und einem Generator. Der Rotor wandelt die Bewegungsenergie des Windes in Drehungen um und der Generator diese in Strom. Windenergie hat in den vergangenen Jahren weltweit einen Aufschwung genommen; dabei herrschen in Asien kleine Anlagen als Batterieladestationen vor, im Rest der Welt dagegen Großturbinen, die in das Stromnetz einspeisen. Die installierte Leistung betrug Ende 2009 fast 158.000 Megawatt, die größten Anlagen haben zur Zeit 5 MW Generatorleistung und können an guten Standorten 17 Millionen kWh Strom im Jahr erzeugen. Das technische Potenzial der Windenergie wird vom WBGU (siehe “Wasserkraft”) auf 1.000 EJ/Jahr geschätzt; Al Gore schätzt (in “Wir haben die Wahl”, Seite 78), dass Windenergie alleine das Fünffache des Weltenergiebedarfs decken könnte. Da in manchen Regionen gute Standorte an Land knapp werden und die Anlagen zudem wegen optischer Beeinträchtigungen manchmal auf Widerstand stoßen, werden zunehmend Meeresstandorte diskutiert; dort sind aber die ökologischen Folgen noch nicht ausreichend untersucht. Aus diesen Gründen ist nur ein Teil des technisch nutzbaren Potenzials nachhaltig nutzbar; der WBGU schätzt in seinem Energie-Szenario, dass die Windenergie ab 2040 mit 135 EJ/Jahr zu unserer Energieversorgung beitragen kann.

Dennoch spielt der Ausbau der Windenergie vor den Küsten (“Offshore-Windenergie) eine große Rolle bei den Plänen der Bundesregierung, den Anteil erneuerbarer Energien an der Stromproduktion bis 2030 auf 30 Prozent zu erhöhen. Im Frühjahr 2010 ging der erste deutsche Offshore-Windpark Alpha Ventus in der Nordsee in Betrieb, zahlreiche weitere sind geplant. Vor allem die großen Energiekonzerne wie E.on, EnBW, RWE und Vattenfall und die von dem ehemaligen russischen Gasmanager Arngolt Bekker gegründete Firma Bard Engineering wollen dort in großem Maßstab in die Erzeugung von Windenergie einsteigen. Auch in anderen Ländern ist Windenergie längst “big business” geworden: In den USA plant etwa der Ölmilliardär T. Boone Pickens den Aufbau riesiger Windfarmen (>> Pickens Plan), dort könnten bis 2030 20 Prozent des Stroms aus Windkraft erzeugt werden. China verdoppelt seine Windkraftkapazität seit 2005 jedes Jahr und wird Deutschland in diesem Jahr bei der installierten Leistung überholen.

Erfolgsmodell Windenergie

1990 erzeugten Windkraftanlagen 40 Millionen Kilowattstunden (KWh) Strom in Deutschland - im Jahr 2008 bereits 40.200 Millionen KWh. Auch weltweit stieg die installierte Leistung rapide an:
- Ende 2006: 74.000 Megawatt
- Ende 2007: 94.000 Megawatt
- Ende 2008: 121.000 Megawatt
- Ende 2009: 158.000 Megawatt

Die größte Kapazität steht in den USA mit über 35.000 Megawatt (Deutschland gut 25.000 MW). In Deutschland bietet die Branche 70.000 Arbeitsplätze.

Sonnenenergie

Die Sonne strahlt täglich weit mehr als 10.000-mal so viel Energie zur Erde wie die Menschheit verbraucht (>> hier) - Energie, die über Sonnenkollektoren zur Erzeugung von Warmwasser und Raumwärme oder über Solarzellen und andere Solarkraftwerke zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Das technische Potenzial der Sonnenenergie beträgt sowohl für die Wärme- als auch die Stromerzeugung ein Vielfaches des für die Zukunft prognostizierten menschlichen Energiebedarfs - kann also praktisch als unendlich betrachtet werden. Solarenergie kann auch zur Kühlung verwendet werden; zur Zeit sind die Anlagen zwar meist noch nicht wirtschaftlich, dieses könnte sich aber demnächst ändern (siehe zum Beispiel spiegel online: >> Kälte, die aus der Sonne kommt).

In Sonnenkollektoren erwärmt die Sonne ein Bauteil (den “Absorber”, meist ein dunkel beschichtetes Blech), der Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt, die an einen Wärmeträger abgegeben wird, der z.B. Wasser damit erwärmt. Je nach Standort sind heute Anlagen, die 60 bis 65 Prozent des Warmwasserbedarfs abdecken, wirtschaftlich bereits lohnend; je nach Wärmedämmung kann Sonnenwärme auch einen Teil der Heizung übernehmen (was sich vor allem bei niedrigen Vorlauftemperaturen lohnt, etwa bei Fußboden- oder Wandheizungen). Die Systeme sind technisch ausgereift; Forschungsbedarf gibt es bei der Entwicklung von Langzeitwärmespeichern, um Sonnenwärme auch im Winter ausreichend zur Verfügung zu stellen. Sonnenwärme wird auch in Passivhäusern genutzt: “Passiv” bedeutet, dass die Sonnenwärme nicht über technische Anlagen, sondern alleine durch ohnehin vorhandene Elemente (etwa gezielt ausgerichtete Fenster) gewonnen wird (>> mehr).

Solarzellen erzeugen dagegen Strom: Grundlage ist der “photovoltaische Effekt” (Lichtstrahlung trennt bei Halbleitern an einer Grenzschicht Ladungsträger), die erzeugte Spannung (bei Siliziumzellen etwa 0,5 Volt) wird durch Reihenschaltung erhöht. Solarzellen gibt es als kleine Systeme, etwa zur Stromerzeugung für Uhren, bis in den Megawattbereich. Am verbreitetsten sind Siliziumzellen. Das größte Hindernis für eine weite Verbreitung sind vor allem die Kosten, die bei der solaren Stromerzeugung in vielen Fällen noch nicht wettbewerbsfähig sind. Einer der Gründe: Siliziumzellen brauchen hochreines Silizium; Silizium ist zwar häufig, aber eben nicht in hochreiner Form. Forschungen gehen daher dahin, die nötige Menge an Silizium zu reduzieren oder auch “unreines” Silizium nutzbar zu machen. Weitere Kostenreduzierungen werden durch verbesserte Produktionsverfahren erwartet; ebenso wird mit anderen Materialien oder der Nutzung von Konzentratorzellen (Linsen, die Sonnenlicht konzentrieren) experimentiert. Da Solarzellen ähnlich wie Computerchips auf Halbleitertechnik basieren, wird erwartet, dass in den nächsten 20 Jahren ähnliche Effizienzsteigerungen und Preissenkungen wie bei diesen erzielt werden können.

Die Sonne kann aber auch in Sonnenwärmekraftwerken (auch: solarthermische Kraftwerke) Strom erzeugen: Gebündeltes Sonnenlicht erhitzt Öl oder Wasser, das eine Turbine antreibt. Diese Anlagen lohnen sich vor allem im “Sonnengürtel” der Erde; in Europa setzt vor allem Spanien auf diese Technologie. Die meist genutzten Techniken sind Parabolrinnenkraftwerke (verspiegelte, parabolförmige Rinnen konzentrieren das Sonnenlicht auf ein Rohr, dessen Wärmeträger auf etwa 400 Grad Celsius erhitzt wird) oder Sonnentürme (Spiegel richten die Strahlung auf einen zentralen Empfänger auf einem Turm; hier werden Temperaturen von über 1000 Grad Celsius erreicht). Daneben gibt es kleinere Dish-Stirling-Systeme, bei denen ein Parabolspiegel das Sonnenlicht konzentriert und ein Stirlingmotor einen Generator antreibt. Sonnenwärmekraftwerke sind in sonnenreichen Regionen heute billiger als Solarzellen, sie beruhen aber auf konventioneller Technik, so dass Effizienzsteigerungen und Kostensenkungen weniger stürmisch verlaufen dürften als bei Solarzellen. Dennoch dürften Solarwärmekraftwerke Zukunft haben, denn Wärme lässt sich leichter speichern als Strom; mit gespeicherter Wärme kann dann auch nachts Strom erzeugt werden. Wissenschaftler erwarten heute, dass Solarstrom um das Jahr 2020 nicht mehr teurer sein wird als Strom aus fossilen Kraftwerken - die Technologie wäre also genau dann marktreif, wenn das nachhaltig nutzbare Potenzial von Wasserkraft-, Bio- und Windenergie weitgehend genutzt wäre.

Wüstenstrom für Europa?

Deutschland ist dank der hohen Einspeisevergütungen für regenerativen Strom eines der führenden Sonnenenergieländer der Erde - ein Beweis für die Wirksamkeit guter Förderung. Von den natürlichen Bedingungen wären die sonnenreichen Staaten rund um das Mittelmeer jedoch insbesondere für solarthermische Kraftwerke viel besser geeignet. Eine Initiative des Club of Rome schlägt daher vor, solche Sonnenkraftwerke in Nordafrika und im Nahen Osten zu errichten; dazu Windkraftwerke dort, wo stetige Passatwinde wehen. Diese könnten mit Windkraftwerken an der europäischen Atlantikküste und anderen erneuerbaren Energien mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (>> mehr) verbunden werden. Die Länder, in denen die Anlagen stehen, könnten damit Meerwasser entsalzen und so den Wassermangel, eines der wichtigsten Entwicklungshemmnisse dort, reduzieren; die europäischen Partnerländer könnten erneuerbare Energien (auch) dort erzeugen, wo Sonne und Wind zuverlässiger sind als in Europa. Ähnliche Konzepte ließen sich auch in anderen Wüstenregionen der Erde, etwa in Amerika, Australien oder China umsetzen. Die Münchener Rückversicherung, die etwa wegen zunehmender Unwetter unter dem Klimawandel besonders zu leiden hätte, versucht derzeit, ein Konsortium deutscher Unternehmen für die Investition von 400 Milliarden Euro in diese Anlage zu gewinnen (>> hier).

Es gibt aber auch Vorbehalte: Hermann Scheer, der Vorsitzende des Weltrats für Erneuerbare Energien, fühlte sich an den technokratischen Glauben der 50er und 60er Jahre erinnert. Er wies darauf hin, dass die durchführenden Unternehmen genau die wären, die bisher erneuerbare Energien eher behindert hätten und die nur die alten, zentralistischen Strukturen in der Energiewirtschaft retten wollen (siehe auch >> Die Systemfrage). Der bisherige Erfolg erneuerbarer Energie hänge aber vor allem mit den dort aktiven Akteuren zusammen, die bei Investitionen in einer Größenordnung von 400 Milliarden Euro natürlich außen vor bleiben würden.

mehr:
>> Webseite Desertec
>> Stellungnahme Eurosolar

Zentrale oder dezentrale Energieversorgung?

Hinter der Auseinandersetzung um Wüstenstrom - und ähnlichen Projekten wie den als Seatec bezeichneten Offshore-Windkraftprojekten - steht die Frage nach der zukünftigen Struktur unserer Energieversorgung: Soll diese zentral - auf wenigen Großkraftwerken aufbauend - bleiben oder soll eine dezentrale Energieversorgung aufgebaut werden, die auf vielen kleinen Einheiten beruht? Die Vorteile einer dezentralen Energieversorgung liegen auf der Hand: Ausfälle von kleinen Einheiten haben nur kleinräumige Auswirkungen, die Energie muss weniger transportiert werden, Abwärme kann leichter genutzt werden, und geringere Investitionssummen und Infrastrukturen machen diese auch für kleinere Investoren interessant, wodurch den Großkonzernen der Energieversorgung echte Konkurrenz erwachsen könnte. Technisch wäre es natürlich kein Problem, die zukünftige Energieversorgung auf dezentrale Einheiten aufzubauen, die durch zentrale Einheiten wie Offshore-Windparks oder europaweite Hochspannungsnetze ergänzt würde, aber im echten Leben ist natürlich nicht auszuschließen, dass etwa zur Sicherung der Investitionen in Hochspannungsnetze die dezentrale Energieerzeugung politisch eingeschränkt würde. Ein Ausgleich der Schwankungen bei Wind und Sonne kann auch durch Blockheizkraftwerke erfolgen, die mit Biogas oder synthetischem Methan erfolgen), und schon im Interesse der Energiesicherheit und der Stärkung regionaler Wirtschaft sollte lokaler Energieerzeugung ein gesetzlicher Vorrang vor zentralen Projekten eingeräumt werden.

mehr:
>> Warum Stromkonzerne erneuerbare Energien nicht mögen

Erdwärme

Das Erdinnere ist heiß (>> Die Erde), und diese Hitze kann genutzt werden. In Deutschland liegt das technische Potenzial für Stromerzeugung mittels Erdwärme (geothermische Stromerzeugung) etwa beim 600fachen des gegenwärtigen Stromverbrauchs, das Potenzial zur Wärmenutzung noch weit darüber. Praktisch wird Erdwärme bisher vor allem da genutzt, wo heiße Thermalwässer an die Oberfläche gelangen: China, Schweden und Island sind weltweit führend. Hierzulande machen die hohen Bohrkosten den Betrieb meist unwirtschaftlich, die bisher einzige deutsche Anlage steht in Neustadt Glewe. Geothermische Stromerzeugung ist interessant, da ihre Verfügbarkeit nicht wie Wind und Sonne Schwankungen unterworfen ist, sie also grundlastfähig ist. Das Potenzial der Erdwärme wird in vielen Regionen der Erde vermutlich in 10 bis 20 Jahren wirtschaftlich nutzbar sein. An Standorten mit Erdbebengefahren können manche Verfahren der Stromerzeugung mittels Erdwärme zu Mikro-Erdbeben führen und sind dort nicht geeignet; der WBGU schätzt das nachhaltig nutzbare Potenzial daher vorsichtig auf nur 10 EJ/Jahr im Jahr 2030 und auf 30 EJ/Jahr im Jahr 2100; andere, etwa der US-Energieminister Steven Chu, sind hier viel optimistischer.

Um nicht zu tief in die Erde bohren zu müssen, wird bodennahe Erdwärme mit Wärmepumpen genutzt; hier ist allerdings der Gesamtwirkungsgrad des Systems der kritische Punkt: Eine strombetriebene Wärmepumpe muss aufgrund der Verluste bei der Stromerzeugung eine Arbeitszahl von mindestens 3,6 aufweisen, um diese Verluste zu kompensieren. Heißes Wasser aus tieferen Quellen kann dagegen direkt in Fernwärmenetzen oder zur Stromerzeugung über Turbinen oder Generatoren genutzt werden.

>> mehr zur Erdwärme: Kein Tropfen auf den heißen Stein (Spektrum der Wissenschaft)

Erneuerbare Energien könnten bis 2050 die gesamte Stromerzeugung und die Hälfte der Wärmeversorgung Deutschlands sicherstellen

Das Potenzial erneuerbarer Energien, zur Energieversorgung in Deutschland beizutragen, wurde im Jahr 2008 in der “Leitstudie 2008” für das Bundesumweltministerium untersucht. Deutliche Steigerungen sind vor allem bei Wind- und Sonnenenergie sowie Biomasse und Erdwärme möglich.

Bei der Windenergie beginnt ab etwa 2010 die wirtschaftlich relevante Nutzung der Offshore-Windenergie, so dass der Wind im Jahr 2030 142 TWh (= pro Einwohner 4,7 kWh/Tag) und im Jahr 2050 209 TWh (= pro Einwohner 7 kWh/Tag) liefern könnte. Der Anteil der Biomasse an der Stromerzeugung könnte im Jahr 2030 48,8 TWh (= pro Einwohner 1,6 kWh/Tag), im Jahr 2050 53,8 TWh (= pro Einwohner 1,8 kWh/Tag) betragen, und mit Solarzellen könnten im Jahr 2030 21,9 TWh (= pro Einwohner 0,7 kWh/Tag) erzeugt werden, im Jahr 2050 27,7 TWh (= pro Einwohner 0,9 kWh/Tag). Dazu kommt Strom aus solarthermischen Kraftwerken aus dem EU-Stromverbund, dessen Anteil in der Leitstudie im Jahr 2030 mit 18,2 TWh (= pro Einwohner 0,6 kWh/Tag) und im Jahr 2050 mit 91 TWh (= pro Einwohner 3 kWh/Tag) eingeschätzt wird. Aus anderen erneuerbaren Quellen dieses Stromverbundes könnten im Jahr 2030 17,6 TWh (= pro Einwohner 0,6 kWh/Tag) und im Jahr 2050 30 TWh (= pro Einwohner 1 kWh/Tag) dazukommen. Die Erdwärme könnte 2030 6 TWh (= pro Einwohner 0,2 kWh/Tag) und 2050 35,7 TWh (= pro Einwohner 1,2 kWh/Tag) liefern. Bei gleichbleibendem Anteil der Wasserkraft lieferten erneuerbare Energien damit pro Einwohner einen Beitrag zur Stromerzeugung von 9,3 kWh/Tag im Jahr 2030 und 15,8 kWh/Tag im Jahr 2050. Die Leitstudie geht davon aus, dass bei weiterer Förderung der Stromeffizienz der Strombedarf bis 2050 unter diesem Wert liegt; erneuerbare Energien könnten also ab dem Jahr 2050 die gesamte Stromerzeugung Deutschlands abdecken.

Der Beitrag erneuerbarer Energien zur Wärmeversorgung (Sonnenkollektoren, Abwärme aus Biomasse- und Erdwärme-Kraftwerken, Heizung mit Biomasse) könnte im Jahr 2030 189,5 TWh (= pro Einwohner 6,3 kWh/Tag) und im Jahr 2050 333 TWh (= pro Einwohner 11,1 kWh/Tag) betragen. Da auch der Wärmebedarf sinkt (>> hier), beträgt nach den Annahmen der Leitstudie der Anteil erneuerbarer Energien an der Wärmeversorgung im Jahr 2050 etwa 48 Prozent.

Schwieriger einzuschätzen ist die Entwicklung im Verkehr: Die Leitstudie geht von einem Beitrag von Kraftstoffen aus Biomasse (unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeit, >> hier) im Jahr 2030 von 325 PJ (= pro Einwohner 3 kWh/Tag) und im Jahr 2050 von 483 PJ (= pro Einwohner 4,7 kWh/Tag) aus, gut 15 bzw. 25 Prozent des angenommenen Treibstoffbedarfs. Durchbrüche bei der Batterietechnologie könnten jedoch zu einer verstärkten Verbreitung von Hybrid- und Elektroautos führen, die den Treibstoffbedarf sinken, den Strombedarf jedoch steigen lassen würden (>> hier). Da die Biomasse aber ohnehin besser zur Stromerzeugung eingesetzt wird (>> hier), sinkt die Bedeutung erneuerbarer Energiequellen dadurch nicht.

Die Leitstudie kann beim Bundesumweltministerium heruntergeladen werden: >> hier.

Erneuerbare Stromerzeugung bis 2030

Hermann Scheer, vor seinem Tod 2010 SPD-Bundestagsabgeordneter und Präsident von Eurosolar, skizzierte in seinem Buch “Der energethische Imperativ” (München 2010, Verlag Antje Kunstmann), dass die Stromerzeugung in Deutschland auch bis 2030 vollständig auf erneuerbare Energiequellen umgestellt werden könnte. Wichtigste Bausteine sind das sogenannte “Repowering” (bestehende Windkraftanlagen werden durch größere Anlagen ersetzt), die Nutzung der Windkraft auch in den Bundesländern, die dies bisher weitgehend verhindert haben, Kleinwind- und Kleinwasserkraftanlagen sowie Stromerzeugung aus Biogas sowie eine Steigerung der Energieeffizienz.

Szenarien für die weltweite Energieversorgung finden Sie auf der >> nächsten Seite..

Wasserstoff

Wasserstoff ist kein Energieträger, kann aber in einer nachhaltigen Energieversorgung ein Mittel sein, Energie zu speichern und zu verteilen: Seine Herstellung ist aus Wasser und Energie möglich; Wasserstoff wird daraus mittels Elektrolyse hergestellt (Elektrolyse ist der Weg, den wir beim Knallgasexperiment im Chemieunterricht kennengelernt haben). Das Gas ist leicht zu verteilen und bei seiner Nutzung entstehen keine Schadstoffe; es gilt als Weg, das schwankende Energieangebot erneuerbarer Energieträger wie Sonne und Wind auszugleichen. Für den Transport kann die bestehende Erdgasinfrastruktur genutzt werden; Wasserstoff kann auch wie Erdgas genutzt werden, oder über die neue Technologie der Brennstoffzellen direkt und emissionsfrei Strom und Wärme erzeugen. Bei der Elektrolyse geht jedoch die Hälfte der Energie als Wärme verloren.

Auch Haushalte können mittels Mikroelektrolyse-Anlagen zum Wasserstofferzeuger werden. Dort kann die anfallende Wärme zur Heizung und Erzeugung von Warmwasser genutzt werden; solche Mikroelektrolyse-Anlagen würden zudem die Kosten für eine Wasserstoff-Infrastruktur ersparen und die Realisierung einer kohlenstofffreien Energieversorgung der Haushalte ermöglichen: Solarzellen produzieren Strom, der bei Bedarf genutzt wird. Und wenn er nicht gebraucht wird, wird mittels Elektrolyse Wasserstoff herstellt, mit dem in sonnenarmen Zeiten in Heizungsanlagen, die auch Strom erzeugen können (>> hier) Strom und Wärme herstellt werden. Dabei sind die Häuser der Nachbarschaft miteinander vernetzt, um sich gegenseitig Strom liefern zu können, wenn es einmal nötig sein sollte.

Wasserstoff kann auch aus Kohlenwasserstoffen erzeugt werden - beim Erdgas kann so 85 Prozent der enthaltenen Energie genutzt werden. Diese Technik könnte den Übergang erleichtern: Aus Erdgas wird erst an der Nutzungsstelle Wasserstoff erzeugt, der dann mittels Brennstoffzellen Strom und Wärme erzeugt. Auch aus Biomasse kann nach einer Biomassevergasung mit dieser Technik Wasserstoff erzeugt werden. Eine Vision dieser Lösung (“Bio-Wasserstoff”) beschreibt Karl-Heinz Tetzlaff >> hier.

>> mehr zur Wasserstoffwirtschaft: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband; hier gibt es auch eine Broschüre “Wasserstoff - Der neue Energieträger” (pdf, 820 kB)

Ein japanischer Zukunftsplan: Magnesium

Auf die Verwendung von Magnesium als Energiespeicher setzt Mitsubishi in Japan: Magnesium reagiert bei Zugabe von Wasser unter Wärmeentwicklung mit Sauerstoff und setzt Wärme frei, die genutzt werden kann. Weiterhin entsteht Wasserstoff, mit dem Fahrzeuge angetrieben werden können. Bisher scheiterte die Verwendung an der enormen Energie, denn zur Gewinnung von metallischem Magnesium etwa aus dem Magnesiumchlorid der Weltmeere (oder später aus dem bei der Reaktion entstehenden Magnesiumoxid) sind Temperaturen von bis zu 4000 Grad Celsius nötig. Eine Arbeitsgruppe von Prof. Takashi Yabe vom Tokyo Institute of Technology plant nun, in Chitose (Japan) eine Pilotanlage zu errichten, in der mit Linsen von 4 Metern Durchmesser Sonnenlicht zu einer Art Sonnenlaser gebündelt wird, mit dem diese Temperatur erreicht wird. Das erzeugte Magnesium könne, so Prof. Yabe, auch in Magnesiumakkus verwendet werden, die sieben Mal so viel Energien wie heutige Lithium-Ionen-Akkus speichern können.

Und die Atomkraft?

Atomenergie ist zwar keine erneuerbare Energie: Uran und andere Kernbrennstoffe sind endlich und in Europa auch nicht in nennenswertem Ausmaß vorhanden; aber es ist eine relativ kohlenstoffarme Technologie - auch bei Berücksichtigung der beim Bau der Anlagen, der Uranförderung, -verarbeitung und -transport sowie beim Abfalltransport freigesetzten Kohlendioxidmengen setzen sie höchstens etwa halb soviel Kohlendioxid frei wie ein vergleichbares Gaskraftwerke. Damit scheinen auf den ersten Blick ein Weg, gegen den Klimawandel anzugehen. Aber die Atomenergie besitzt eigene Risiken (>> hier), die ja auch nach der Atomkatastrophe von Fukushima zum Ausstiegsbeschluss durch die Bundesregierung geführt haben. Der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen hatte ihre Risiken schon zuvor als unakzeptabel bewertet und die Atomkraft nicht in seine Überlegungen zur nachhaltigen Energiezukunft (>> hier) mit einbezogen. Tatsächlich ist selbst ihre Überlegenheit beim Klimaschutz fraglich: Da Atomkraftwerke weit weg von Städten gebaut werden, kann ihre Abwärme kaum genutzt werden. Ein Gaskraftwerk mit Abwärmenutzung setzt aber nicht mehr Kohlendioxid frei als ein Atomkraftwerk und Ölheizungen, die für die entsprechende Raumwärme sorgen.

Dass über eine Renaissance der Atomkraft zwar viel geredet, diese aber nicht wirklich geplant wird, hat aber einen anderen Grund: die hohen Kapitalkosten der Atomenergie. Atomkraftwerke sind enorm teuer; und bei sinkenden Preisen für erneuerbare Energien oder nach einem Unfall à la Fukushima stehen für die Stromkonzerne Multimilliarden-Investitionen in Frage. Daher hat sich die Atomenergie nur in Frankreich, wo das Atomprogramm staatlich gelenkt wird, durchgesetzt. Die Laufzeitverlängerung bestehender Atomkraftwerke war dagegen auch hierzulande für die Stromkonzerne attraktiv: Die abgeschriebenen Anlagen waren wie Gelddruckereien und verlängerte Laufzeiten hätten Milliarden-Gewinnmitnahmen in die Kassen der vier deutschen Betreiber von Atomkraftwerken (E.on, RWE, Vattenfall und EnBW) gespült. Aber dies ist wie gesagt, wenigstens in Deutschland Geschichte.

Mehr: >> Eine kleine Geschichte der Atomkraft

Und was ist mit der Kernfusion?

Immer wieder als mögliche Lösung aller Energieprobleme wird auch die Kernfusion genannt - bei der Kernfusion soll der Prozess, mit dem in der Sonne Energie erzeugt wird (>> hier) auf der Erde nachgeahmt werden: zwei kleine Atomkerne verschmelzen zu einem größeren, dabei wird Masse in Energie umgewandelt. Die mit der Kernfusion einhergehenden technischen Probleme haben sich allerdings als ebenso gewaltig erwiesen wie ihre Potenzial: Während in Sternen der für die Kernfusion notwendige Druck durch die Massenanziehung der riesigen Masse des Sternes erzeugt wird, sind hierfür auf der Erde riesige Energien notwendig. Bisher ist es noch nicht gelungen, mittels Kernfusion annähernd soviel Energie zu erzeugen, wie es brauchte, um sie in Gang zu bringen. Der internationale Forschungsreaktor ITER, der seit 2010 in Südfrankreich gebaut wird, soll - wenn alles glatt läuft - 2027 in Betrieb gehen, und niemand rechnet heute ernsthaft damit, dass ein für die kommerzielle Energieerzeugung verfügbares Verfahren vor Mitte des Jahrhunderts zur Verfügung stehen wird. Ganz ohne Radioaktivität würde auch die Nutzung der Kernfusion dann nicht ablaufen: Für die zur Zeit angedachten Verfahren wird Tritium benötigt, das in Kernreaktoren aus Lithium erzeugt werden muss, und auch die Fusionsreaktoren würden im Laufe der Zeit radioaktiv und damit zu Atommüll. Für Physiker mag die Technik als Grundlagenforschung attraktiv sein, für unsere Energieprobleme gibt es angesichts eines Fusionsreaktors, der tagtäglich das 10.000fache unseres Energieverbrauchs zur Erde schickt - die Sonne - eine attraktivere, schnellere und sicherere Lösung. Fusionsreaktoren, die riesig sein werden, werden in die bis zur Jahrhundertmitte hoffentlich entstehende dezentrale Struktur der Energieversorgung (>> hier) nicht mehr passen.

Energie und Verkehr

Effizienzverbesserungen bei den PKW-Motoren sind in der Vergangenheit oft durch höheres Gewicht und höhere Fahrleistungen ausgeglichen worden. Da das Erdöl zur Neige geht (>> mehr)), steht der Automobilindustrie eine Revolution bevor: Die Zukunft gehört dem Elektroauto. Es wird aber noch eine Weile dauern bis eine technisch und wirtschaftlich vertretbare Batterietechnologie zur Verfügung steht. Eine umweltfreundliche Alternative zu Batterien könnten Brennstoffzellen sein - wenn der Wasserstoff mit regenerativen Energiequellen erzeugt wird, produziert das System keine Treibhausgase und Luftschadstoffe; allerdings ist die Energieeffizienz durch mehrere Umwandlungsschritte wesentlich schlechter. Bis das Elektroauto marktreif ist, werden als Übergangstechnologie Erdgas- und Hybridfahrzeuge genutzt werden - Erdgas reduziert im Vergleich zu Diesel und Benzin Treibhausgase und Luftschadstoffe; mit Hybridantrieben (Verbrennungs- werden mit Elektromotoren kombiniert) können Batterie- und Speichertechnologien erprobt und weiterentwickelt werden.

Biokraftstoffe stellen dagegen nur in beschränktem Umfang eine nachhaltige Lösung dar - problematisch ist vor allem der hohe Landverbrauch, der oft zu Lasten der Nahrungsmittelerzeugung oder natürlicher Ökosysteme geht. Soweit sie überhaupt im Verkehr genutzt werden (>> Energie aus Biomasse), ist dieses nur dort vertretbar, wo der Elektroantrieb noch keine Alternative ist: bei Lastwagen, Flugzeugen und Schiffen.

mehr: >> Ein nachhaltiges Verkehrskonzept

Webtipps

>> Informationsportal zu Erneuerbaren Energien - Getragen vom Bundesumwelt-, Bundesverbraucherschutzministerium und verschiedenen Unternehmen der Branche, unter der Schirmherrschaft von Prof. Klaus Töpfer.

>> Informationsportal BINE - getragen von der Leibniz-Gesellschaft, soll für den Wissenstransfer aus der Forschung sorgen.

>> Bund für Umwelt- und Naturschutz zu erneuerbaren Energien.

Forschungsinstitute:
>> Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme
>> Institut für solare Energieversorgungstechnik der Universität Kassel

Weiter mit:
>> Mögliche Energiezukünfte - Die Energiewende zur Nachhaltigkeit des    Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, die    Energie-(R)Evolution von Greenpeace - und die Frage, was für eine Zukunft wir wollen.

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>> Übersicht Zukunftsstrategien

© Jürgen Paeger 2006 - 2011

EJ? Zu den Einheiten von Leistung und Energie und ihrer Umrechnung siehe >> Energie und ihre Einheiten.

Wasserkraftanlagen lieferten in Deutschland 2010 pro Einwohner 0,7 kWh/Tag, also 3,3 Prozent des Stromverbrauchs von 20,4 kWh/Tag.

Biomasse lieferte in Deutschland 2010 pro Einwohner 0,9 kWh/Tag, also 4,5 Prozent des Stromverbrauchs von 20,4 kWh/Tag.

Windkraftanlagen lieferten in Deutschland 2010 pro Einwohner gut 1,2 kWh/Tag, also 5,8 Prozent des Stromverbrauchs von 20,4 kWh/Tag.

Windturbinen könnten zukünftig die Ausbeute neuer Windkraftwerke erhöhen und die Kosten der Windenergie halbieren. Siehe Beitrag auf der Webseite >> Technology Review

Wind und Sonne schwanken, um diese Schwankungen auszugleichen, braucht es für eine Stromver- sorgung aus erneuer- baren Quellen eine spezielle Infrastruktur: >> hier.

Die Photovoltaik   lieferte in Deutschland 2010 pro Einwohner gut 0,4 kWh/Tag, also 1,9 Prozent des Stromverbrauchs von 20,4 kWh/Tag.

Mit einer Beschichtung auf Fenstern wollen Forscher des M.I.T. Sonnenlicht konzentrieren, so dass mit Solarzellen an den Kanten der Scheibe Strom erzeugt werden kann (>> mehr, englischsprachig) 

Könnte man nicht anstelle der teuren Solarzellen Strom mit einfachen Farbstoffen erzeugen, wie dies bei der Fotosynthese geschieht? Auch hieran arbeiten Forscher: >> mehr

Erneuerbare Energien   lieferten in Deutschland 2010 pro Einwohner gut 3,4 kWh/Tag, also 16,5 Prozent des Stromverbrauchs von 20,4 kWh/Tag.

“Regenerative Energien wie Sonne, Wasser und Wind können auch langfristig nicht mehr als 4 Prozent unseres Strombedarfs decken.”  Aus einer 1993 in allen großen Zeitungen geschalteten Anzeige der Stromwirtschaft.

aus: Erneuerbare Energien - Vorhersage und Wirklichkeit. Agentur für erneuerbare Energien (2009), www.unendlich-
viel-energie.de

Kann man Wasserstoff nicht auch wie bei der Fotosynthese direkt aus Sonnenlicht erzeugen? Auch hieran arbeiten Forscher: >> mehr