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

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.

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.

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)

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)

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