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Schwer zu stillender Energiehunger
Einsteins Formel E = mc2 sagt uns, begehrte Energie sollte sich prinzipiell aus Masse - also Materie - gewinnen lassen. Sie sagt uns aber nicht wie, es gelten tiefer liegende dafür notwendige Bedingungen. Materie - aus der wir ja selbst bestehen - ist zum Glück in unserer Welt sehr stabil, etwa die Zahl der Baryonen und Leptonen verändert sich nicht (zumindest das Verhältnis zwischen ihnen), also Masse kann nicht einfach in Energie verwandelt werden. Die Quantentheorie hat Einsichten vermittelt, welche tiefer liegenden fundamentalen Bedingungen bei der Umwandlung von Masse in Energie und umgekehrt zu erfüllen sind. Bisher haben wir Menschen 3 prinzipiell unterschiedliche Mechanismen gefunden, unseren Hunger nach Energie zu befriedigen:
1. Chemische Reaktionen mit "positiver Energiebilanz" (etwa durch Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdgas, Erdöl, Methanhydrat und regenerativ erzeugtem Holz...). Bei diesen Reaktionen verringert sich die Masse insgesamt nur so gering, dass wir es nicht bemerken mit der Folge, dass für jede gewonnene Energieeinheit viel Brennstoff benötigt wird. Den Umgang mit Feuer beherrschen Menschen schon mehr als 300.000 Jahre (Altsteinzeit, Paläolithikum). Seine Nutzung war ein entscheidender Schritt der kulturellen Entwicklung. Noch heute bildet die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen die Basis der Energiegewinnung. Fossile Lagerstätten sind begrenzt und können nur mit wachsendem Aufwand erschlossen werden. Erdöl wird deshalb in 150 Jahren nur noch schwer zu fördern sein. Für Erdgas wird das in 250 Jahren erwartet. Die größten Vorräte fossiler Energieträger gibt es in Form von Kohle: Bei gleich bleibendem Abbau würden sie viele hundert Jahre reichen. Verfahren zur Umwandlung von gasförmigen und festen Energieträgern in flüssige und gasförmige werden deshalb wieder interessant werden. Im Meer lagert in Tiefen unter 300m bisher nicht genutztes Methanhydrat (teilweise auch im Dauerfrostboden Sibiriens). Mengenmäßig übertrifft dieses Methanhydrat alle sonstigen Kohlenstoff-Lagerstätten. Das bei der Verbrennung der Kohle(nwasserstoffe) in die Atmosphäre abgegebene CO2 gilt als Hauptursache der gegenwärtigen Klimaerwärmung. Die Kosten der Energieerzeugung aus fossilen Trägern werden künftig anwachsen, wenn eine "Endlagerung" des Verbrennungsprodukts CO2 erreicht werden soll. Die derzeit effektivste Energieumwandlung aus Erdgas geschieht mehrstufig: Strom wird zunächst in Gasturbinen-Generatorsätzen (Verbrennungstemperatur 1100°C) und danach vom Abgas (500°C) erhitztem Dampf in Dampfturbinen-Generatorsätzen erzeugt. Nach dem Prinzip der "Kraft-Wärmekopplung" kann die Restwärme zur Fernwärmeversorgung (Temperaturniveau 140°C) genutzt und die letztlich immer noch verbleibende Abwärme (100°C) zur Kälteerzeugung in einer zentralisierten Klimaanlage dienen (Absorptionskälteanlage).
2. Kernfusion mit Bildung dichter Atomkerne mit besonders fester Bindung zwischen den Kernteilchen (etwa Helium) aus weniger fest gebundenen Kernen (wie Deuterium und Tritium) oder Protonen (Wasserstoff). Bei gleicher Anzahl von Protonen und Neutronen ist die Kernmasse dann ein wenig geringer als zuvor. Doch dieser relative Massenverlust ist 7 Dezimalen größer als bei chemischer Verbrennung: für eine Energieeinheit wird entsprechend extrem viel weniger Brennstoff benötigt. Fusionsprozesse sind die Quelle der Sonnenenergie und damit mittelbar die Grundlage der innerhalb von Jahrmillionen auf der Erde angesammelten fossilen Energieträger und der meisten "regenerativen" Energiequellen. Im Innern der Sonne reichen die Brennstoffvorräte noch für etwa 5 Milliarden Jahre. Ungeregelt zeigt die Wasserstoffbombe das Potenzial dieses Mechanismus. Eine geregelte Energiegewinnung auf Basis der Kernfusion kann in den nächsten Jahrzehnten noch nicht großtechnisch genutzt werden, denn sie wird bislang nur kurzzeitig beherrscht und ist mit großem Aufwand verbunden (verschiedene Versuchsanlagen arbeiten nach dem Prinzip Stellarator oder Tokamak). Der Vorrat an Brennstoff wäre freilich fast unbegrenzt: Für die Fusion von Helium kann natürliches Deuterium aus Wasser gewonnen werden. Der zweite erforderliche "Brennstoff" Tritium kann aus Lithium mit überschüssigen Neutronen im Fusionsreaktor erbrütet werden. Neutronen erzeugen im Baumaterial der Anlage radioaktiven Abfall - insgesamt deutlich weniger als bei Kernspaltung anfällt. Eine Demonstrationsanlage wird gegenwärtig von einem internationalen Konsortium in Südfrankreich errichtet. Man hofft beim Betrieb auf eine positive Energieausbeute bis zu 90%.
3. Kernspaltung mit Bildung dichter Atomkerne aus weniger dichten besonders schweren Kernen. Da mittlere Atomkerne wie Eisen am dichtesten gepackt sind, lässt sich auch durch Spaltung eines schwereren Kerns in zwei mittlere Kerne insgesamt Masse vermindern und so Energie freisetzen wie die Atombombe eindrucksvoll beweist. Das Prinzip der Energiegewinnung mit einer sich selbst erhaltenden Spaltung durch den dabei auftretenden Überschuss an Neutronen wird in Kernkraftwerken (KKW) ausgenutzt. Auch dabei ist der Brennstoffeinsatz relativ gering (für eine Jahres-Leistung von 1GW wird nur eine Tonne "Brennstoff" benötigt). Für die geregelte Kernspaltung eignen sich nur wenige spaltbare "Brennstoffe" wie Thorium, Uran und Plutonium. Die Vorräte davon sind begrenzt, denn entstanden sind diese Elemente vor Milliarden von Jahren in Supernovaexplosionen jeweils innerhalb weniger Sekunden durch vielfache Neutroneneinlagerung. Das dabei auch entstandene Plutonium239 ist längst spontan zerfallen, denn es hat eine Halbwertszeit von "nur" 24.360 Jahren. Aus den im Raum zerstreuten Resten von mehreren solchen aufeinander folgenden Supernova-Ereignissen hat sich schließlich das Sonnensystem mit unserer Erde gebildet. Die bekannten Vorräte an Uran würden bei gleich bleibendem Verbrauch etwa 100.000 Jahre reichen. Thorium als Spaltstoff wäre gleichmäßiger auf allen Kontinenten vorhanden und fällt bei der Förderung seltener Erden (etwa bei Windkraftanlagen benötigt) als bisher ungenutztes Nebenprodukt an. So hat sich allein in Frankreich schon 10.000t Thorium als Vorrat angesammelt. Bei der Kernspaltung kann die Kettenreaktion im Reaktor beherrscht werden, weil etwa 1% der Neutronen erst innerhalb von einigen Minuten verzögert freigesetzt wird. So bleibt genug Zeit für mechanische Regelsysteme, um in einen stationären kritischen Zustand zu gelangen oder diesen zu halten.
Durch natürliche Radioaktivität zerfallen Atomkerne einiger Elemente mit hoher Ordnungszahl spontan mit Energieabgabe. Damit wird etwa die Hälfte die im Erdinnern entstehenden Wärme erzeugt, die an besonders geeigneten Standorten als geothermische Energie genutzt werden kann.
Ein Problem der Kernkraftwerke ist das "Restrisiko" beim Betrieb. Wie die mehr als 400 für die Stromerzeugung betriebenen Reaktoren beweisen, kann dieses Betriebs-Risiko beherrscht werden. In Deutschland ist die Akzeptanz für ein noch so kleines Restrisiko jedoch gesunken. Die derzeitigen Druckwasserreaktoren der 2. und 3. Generation erfordern eine ausfallsichere Kühlung auch nach Abschalten des Reaktors, denn die Brennstäbe geben danach weiter Wärme ab, anfangs etwa 60% der Leistung im Normalbetrieb, dann im Zeitverlauf exponentiell abfallend. Dies wird durch redundant ausgelegte Systeme gelöst für Kühlkreisläufe, Mess-, Steuer und Regeltechnik sowie einer autarken Stromversorgung, wenn der Eigenbedarf nicht mehr aus dem Hochspannungsnetz bezogen werden kann. Solche Vorkehrungen vermeiden ein Unglück wie in Fukushima. Menschliches Versagen muss ausgeschlossen werden, indem Sicherheitseinrichtungen nicht umgangen werden können wie in Tschernobyl. Ein anderer Ansatz ist, vom Druckwasserreaktor abzugehen und eine Kernschmelze aus physikalischen Gründen auszuschließen. Kandidaten dafür sind Hochtemperaturreaktoren, beschleunigergetriebene unterkritische Systeme und Flüssigsalzreaktoren mit Thorium-Zyklus wie sie u.a. Alvin Weinberg und die SINAP in Shanghai erforscht haben. Mit diesem drucklosen und passiv sicherem Reaktortyp könnte zugleich erreicht werden, dass beim Betrieb kein kernwaffenfähiges Plutonium entsteht. Man kann unterstellen, dass gerade deswegen solche Reaktortypen bislang weniger beachtet wurden.
Das andere Problem bei der Kernspaltung sind radioaktive Abfälle. Im Druckwasserreaktor eingesetzte Brennelemente müssen regelmäßig entnommen und aufgearbeitet werden. Nach einer Zeit von 1 bis 2 Jahren, in der die Strahlung kurzlebiger Isotope abklingt, kann das aufwendige Recycling beginnen, wobei das mit fast 1% darin enthaltene Plutonium sowie das restliche Uran abgetrennt werden. Derzeit werden in Deutschland verbrauchte Brennstäbe nicht mehr aufbereitet sondern in "Castoren" eingelagert. Nach Anreicherung mit U235 könnten deren Stoffe in neue MOX-Brennstäbe eingebracht und in den Brennstoffkreislauf zurück geführt werden. Im Abfall befinden sich jedoch nicht spaltbare aber radioaktiv strahlende Isotope, leider teilweise mit sehr langer Halbwertszeit bis zu einigen 100.000 Jahren. Diese minoren Aktinide sind in der Natur nicht vorkommende Isotope von Elementen wie Np, Am, Cm. Dafür wird für diese lange Zeit ein "sicheres Endlager" benötigt, für die Geologen eine belastbare Aussage treffen müssen, eine bislang in Deutschland politisch nicht gelöste Aufgabe. Experten beurteilen insbesondere Salzlagerstätten als sicheres Endlager. Günstiger stellt sich die Situation bei Reaktortypen mit Flüssigsalzbrennstoff im Thoriumzyklus dar, der mit Blei endet. Die dabei auch anfallenden radioaktiven Aktinide zerfallen mit Halbwertszeiten von einigen 100 Jahren. Ob sich ein Thoriumzyklus etablieren könnte hängt auch vom Preis für Uran ab (der gegenwärtig etwas gefallen ist). Der Recyclingsprozess könnte bei einem solchen Reaktor kontinuierlich ablaufen. Das wäre auch interessant wenn als Spaltmaterial Uran oder Plutonium im Salz gelöst kontinuierlich zugeführt und dann aufgearbeitet würde (MSR). Die Korrosion an der Anlage für die chemische Trennung ist dabei vielleicht das größte Problem.
In Reaktortypen der 4. Generation (internationales Forum GIF) wird versucht, durch Transmutation der Radionuklide die Halbwertszeit und damit die Endlagerzeit zu verkürzen. Viel hängt vom Kühlmittelkreislauf ab und hier wird mit sehr unterschiedlichen Stoffen experimentiert: flüssigem Natrium im SFR (Leistung 1000 bis 5000MW thermisch), flüssigem Blei oder Blei-Wismut im LFR (Erfahrungen gibt es in U-Booten, Leistung 125 bis 3600MW thermisch), geschmolzenem Salz (MSR, Leistung 3000MW thermisch) oder Helium (GFR oder VHTR, 600MW thermisch) - teilweise auch mit Graphit als Moderator. Klar ist, dass Kernkraftwerke auch auf Basis Kernspaltung und nicht nur der Kernfusion eine Zukunft haben werden. Beachtenswert ist dabei auch die Entwicklung kleiner Reaktoren, die modular in einer Fabrik gebaut, geliefert und am Einsatzort nur angeschlossen werden (SMR, NuScale, vgl. auch als schwimmendes KKW "Akademik Lomonosow). Solche Einheiten sind in U-Booten und Eisbrechern längst im Einsatz, wobei Varianten auch zur Erzeugung von Prozesswärme geeignet sind, sehr wichtig für Anwendungen in der chemischen Industrie oder der Fernwärmeerzeugung.
Das gegenwärtig beobachtete Ansteigen der mittleren Temperaturen besonders auf der nördlichen Halbkugel zeigt an, dass sich das feine Gleichgewicht des Klimas auf der Erde gegenwärtig wieder verschiebt. Trotz großer Anstrengungen bei Modellrechnungen ist eine genaue Vorhersage über größere Zeiträume wegen zu zahlreicher Einflussfaktoren bisher nicht möglich. Dabei ist es neben erkannten Ursachen schwer abzuschätzen, wie nach einer Temperaturerhöhung zusätzliche rückkoppelnde Faktoren die Erwärmung beschleunigen können - etwa freiwerdendes Methan und Kohlendioxyd aus den Kontinentalschelfen im Meer oder dem Dauerfrostböden Sibiriens und Kanadas. Und Kreisläufe des Kohlenstoffs sind ungenau bekannt. Meerwasser etwa enthält in sehr geringer Konzentration organische Verbindungen, die dennoch in ihrer Summe den in der Atmosphäre enthaltenen Kohlenstoff übertreffen. Wie Bakterien mit solchen Bestandteilen umgehen und wie sie Stoffkreisläufe unterhalten, es gibt mehr Fragen als Antworten. Der größte Teil des Kohlenstoffs ist auf der Erde im Gestein gebunden, ein weiterer Anteil befindet sich in den Ozeanen, der vergleichsweise kleinste Teil in der Atmosphäre. Der heutige CO2-Anteil in der Atmosphäre mit 0,04 Volumenprozent ist geringer als während fast aller erdgeschichtlichen Epochen zuvor, in denen es im Mittel auch wärmer war. Sogar während früherer Vereisungsperioden war der Kohlendioxydanteil wahrscheinlich höher als jetzt. Ein möglicherweise hoher Sauerstoffanteil von über 30% am Ende des Karbons (heute 21%) gemeinsam mit einem niedrigen Anteil an CO2 hatte jedenfalls nachfolgend ein kälteres Klima zur Folge. Viele Einflussfaktoren bewirken das komplexe Zusammenspiel "Klima", welches sich erst in einem längeren Zeitraum (in der Größenordnung 100 Jahre) einstellt.
In den letzten 2 Millionen Jahren gab es mehr als 20 Kälteperioden und wärmere Zwischeneiszeiten. In Europa können wir an den Alpengletschern und den Jahresringen von alten Bäumen ständige Klimaschwankungen bis in unsere Zeit ablesen. Diese Gletscher waren vor 8000 Jahren verschwunden, Bäume wuchsen in Bergregionen, die heute noch vergletschert sind. Wie die Rekonstruktion der Junitemperatur zeigt, gilt das auch für den hohen Norden Europas. Es wird spekuliert, nach der Eiszeit freigesetztes Methan könnte dafür verantwortlich sein. Vor 800 Jahren war es auch in nördlichen Breiten ebenfalls wärmer als heute, obgleich der Mensch damals weniger Einfluss auf das Klima hatte. Dagegen war es vor 350 Jahren kälter, was mit der damals verminderten Aktivität der Sonne zu erklären versucht wird.
© Tromsǿ Museum - Universitetsmuseet
Die meisten Klimaforscher nehmen als Ursache der gegenwärtigen Erwärmung eine sich gegenseitig steigernde Überlagerung "natürlicher" Ursachen mit vor allem vom Menschen verursachten Emission von Treibhausgasen an - besonders von CO2 - bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, etwa bei der Zementproduktion, der Energiewirtschaft, dem Verkehr usw... und von Kältemitteln, die als Ersatz für die die Ozonschicht schädigenden FCKW in Klimaanlagen verwendet wurden. Deshalb verdienen klimaneutrale Stoffkreisläufe als Zielstellung größte Unterstützung. Steigender Meeresspiegel und extreme Wetterereignisse verlangen künftig nach mehr Vorsorge. Während der letzten Kaltzeit war der Meeresspiegel etwa 100m niedriger als heute. Die britischen Inseln und Irland waren mit dem Festland verbunden ("Doggerland" in der jetzigen Nordsee). Vor 9000 Jahren beschleunigte sich das Abschmelzen des Laurentidischen Eisschilds, das in der letzten Eiszeit bis vor 12000 Jahren Kanada und große Teile der USA bedeckt hatte derart, dass der Meeresspiegel pro Jahrhundert um einen Meter anstieg. Ein Tsunami als Folge der Storegga Rutschung verschlang schließlich das restliche Doggerland vor etwa 8250 Jahren mit seinen Bewohnern in der Nordsee.
Zur Abtrennung schädlicher Anteile aus Rauchgasen werden verschiedene Verfahren in Pilotanlagen erprobt etwa mit Aminosäure-Salzlösungen. Ziel ist, schließlich zur Endlagerung geeignete Rückstände zu erhalten. Die Bestandteile des Rauchgases - wie Stickstoff, Argon, Stickoxyde, Schwefeloxyde und Kohlenstoffdioxid - müssen getrennt werden, bevor speziell CO2 in ein geeignetes "Endlager" verbracht werden könnte. Die kalte Tiefsee hat eine fast unerschöpfliche Kapazität als "CO2-Endlager" (z.B. als CO2-Hydrat). Es dort hin zu verbringen wäre eine technische Herausforderung. Derzeit wird eher das Verpressen in speicherfähige Erdschichten untersucht. Für eine dauerhafte Speicherung geeignete Schichten sind meist fern vom Ort der Energieerzeugung und ein unkontrollierter CO2-Austritt wird als Risiko angesehen. Alle bisher bekannten Verfahren sind aufwändig und verschlechtern letztlich den effektiven Wirkungsgrad in der Energiebilanz. Verschiedene Pilotanlagen befinden sich im Erprobungsstadium. Fürchten wir zu sehr Kosten und Risiken der CO2-Entsorgung und lassen es lieber die Natur selber "regeln"? Alle Möglichkeiten werden ihren Beitrag leisten müssen wie Energiegewinnung aus regenerativen Quellen, Kernenergie und CO2 - Abgas-Vermeidung in der Stoffwirtschaft einschließlich der Landwirtschaft.
Biologisch gebundener Kohlenstoff wird teilweise im Erdboden gespeichert. Schätzungsweise wird er dort durchschnittlich 250 Jahre in der Tundra, in den Tropen immerhin noch 15 Jahre gebunden. CO2 wird aus der Atmosphäre auch im Ozean gelöst, zunächst vor allem im relativ wärmeren Oberflächenwasser. Das Gleichgewicht der dort beheimateten Arten verschiebt sich. Mehr Wärme und Kohlensäure (Übersäuerung) gesellen sich zur Überfischung, die Lebensgemeinschaften verändern sich. Wenn die Eisdecke im Nordpolarmeer weiter wie bisher schwindet, hat das einen Nebeneffekt: es erleichtert die CO2-Absorption in kaltem Wasser mit Zirkulation zum riesigen Reservoir der Tiefsee. Ein besonders wichtiger Faktor ist das Phytoplankton. Es bindet mehr CO2 als der Regenwald und abgestorbene Algen sinken auf den Meeresboden, bilden in langen Zeiträumen neue "Lagerstätten". Erfolgversprechend beim Climate-Engineering sind am ehesten sanfte Methoden wie Aufforstung oder vielleicht Düngung des Ozeans mit Eisenverbindungen zur Förderung des Planktonwachstums.
Als Alternative zur Energiegewinnung wird ein Wechsel weg von der Kohlenwasserstoffverbrennung hin zu einer Wasserstoffwirtschaft diskutiert (Dekarbonisierung). Das beinhaltet "Carbon Capture and Use (CCU)". Wasserstoff als sekundärer Energieträger kann auf verschiedenen Wegen (leider mit nur geringem Wirkungsgrad - etwa mit nicht benötigtem Strom von Windkraft- oder Solaranlagen) erzeugt werden. Er kann leichter gespeichert werden als elektrische Energie. Und man kann mit Wasserstoff CO2-Abgase der chemischen Industrie oder bei der Herstellung von Baustoffen (Stahl, Zement und Mörtel) über Zwischenstufen wie Methanol, Methan oder Ameisensäure und Harnstoff klimaneutral in synthesche Treibstoffe für Schiffe und Flugzeuge und viele Produkte der chemischen Industrie umwandeln. Das größte Problem und Aufwand dabei die Trennung der zahlreichen Bestandteile des Abgases wie CO, H2S, SO2, HCl, HF, H2, N2 ... etwa im Hüttengas bei der Stahlerzeugung, dem Kokereigas bei der Koksherstellung, dem Konvertergas, dem Abgas der Zementindustrie... Die Herstellung von Stahl aus Eisenerz mittels Wasserstoff ohne Koks gelingt, doch die Wirtschaftlichkeit über den gesamten Prozess muss noch sichergestellt werden. Viele Fragen der Ökonomie einer Wasserstoffwirtschaft und auch indirekte Wirkungen auf das Klima sind noch im Stadium der Forschung. Zu befürchten ist die verglichen mit konventioneller Stoffwirtschaft höheren Kosten. Energieintensiver Prozesse werden in Länder abwandern mit geringen Umweltanforderungen und klimaneutrale Technologien werden sich in Entwicklungsländern schwer durchsetzen, obgleich gerade sie mit ihrem Bevölkerungswachstum bestimmend für den Erfolg einer "Energiewende" sein werden. Auch in Deutschland möchte niemand ein Windrad mit einer Nabenhöhe von 150m und einer Gesamthöhe von über 200m neben seinem Haus haben. Elektrolyseure zur Gewinnung des Wasserstoffs aus Wasser (mit Platin- oder Iridiumelektroden) aber auch Batterien zum Speichern von Strom können sich als Ressourcengrab herausstellen, vielleicht gelingt ein CO2-Ausstieg nur mit der Verschwendung anderer knapper Rohstoffe. Gerade deren Rückgewinnung in geschlossenen Kreisläufen ist die größte Herausforderung der Zukunft.
Fossile Kohlenstoff-Lagerstätten werden auch in ferner Zukunft für die Stoffwirtschaft bedeutsam bleiben - nicht nur für die Herstellung von "Kunststoffen" auch von Medikamenten... Ein wesentliches Anliegen muss immer im Mittelpunkt der Stoffwirtschaft stehen: Material soll restlos wieder verwertbar und Ressourcen schonend eingesetzt werden. CO2-erzeugende biologische Abbauprozesse von natürlichen oder künstlich erzeugten langlebigeren Produkten sollen möglichst vermieden werden zumindest aber möglicht langsam mit großer "Halbwertszeit" erfolgen.
Deutschland befindet sich in der so genannten "Energiewende". Kernkraftwerke werden stillgelegt, erneuerbare Stromerzeuger - vor allem Windkraftanlagen und Solarstrom - werden gefördert oder eine Zeit lang mit garantierten Einspeisepreisen subventioniert. Der sich in den nächsten Jahrzehnten einstellende Mix der Primärenergiequellen besteht aus jeweils kleinen Anteilen von Biobrennstoffen, Wasserkraft und Photovoltaik, einem wachsenden Anteil aus Windenergie und derzeit noch zur Hälfte aus fossilen Brennstoffen. Der technische Fortschritt ist bei Windkraftanlagen bemerkenswert und wird schon an ihrer Größe sichtbar: Sie erreichen eine Arbeitshöhe bis zu 240m bei einer installierten Leistung bis 8MW. Um die Größenordnung des Wandels zu verstehen: Ein modernes Großkraftwerk auf der Basis Kernenergie oder Kohle zu ersetzen sind dennoch 100 Windenergieanlagen nötig und weil die Windenergie nur wetterabhängig verfügbar ist sind zusätzlich Reserveeinheiten etwa in Form von Gasturbinenanlagen (oder GuD, kombinierte Gas- und Dampfturbinen) und ggf. Gasspeicher erforderlich. Betrachten wir die aktuelle Situation in Deutschland: Die Lastspitze also der maximal auftretende Gesamtbedarf liegt derzeit bei 80GW und wird sich in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich nicht kleiner sondern größer, denn Cloudspeicher und Internetkommunikation sowie Mobilfunk und Fahrzeuge mit Elektroantrieb verbrauchen mehr Strom. Inzwischen wächst die installierte Leistung von Windkraftanlagen stetig, leider nur zeitweilig deckt sie mehr als 30% bei mittlerer Last, bei guten Bedingungen bis zu 60%. Die Volatilität der von Windparks eingespeisten Leistung bleibt größtes Problem sowohl bei fehlendem Wind und Spitzenlastbedarf (Inversionswetter mittags und abends im Winter) wie bei starkem Wind und gleichzeitig schwacher Last (in späten Nachtstunden). Im ersten Fall müssen Reserveeinheiten für die nicht gedeckte Last hochgefahren werden (positive Regelreserve), für den zweiten Fall wird die Zuschaltung zusätzlicher disponibler Verbraucher (negative Regelreserve) nötig oder der Strom muss an Nachbarnetze mit negativem Preis verschenkt werden. Beide Situationen müssen beherrscht werden, doch Reserven zum Lastausgleich halten mit dem Bau neuer Windkraftanlagen nicht Schritt (Pumpspeicherwerke). Auch die Betriebsführung der Netze ist schwieriger geworden: Der Energiefluss wechselt häufiger seine Richtung, Lastfluss und Übertragungsleistung der Netzelemente sind ständigem Wechsel unterworfen. Um eine hohe Versorgungszuverlässigkeit auch künftig garantieren zu können, müssen die elektrischen Netze ertüchtigt werden, intelligentere Schutz-, Steuer-, und Regelsysteme sind nötig - mit denen eine wechselnde und auch zeitweilig höhere Auslastung der Betriebsmittel ermöglicht wird.
Um Havariesituationen im Netzbetrieb beherrschen zu können, wurden schon in der Vergangenheit Reserven im Netz und schnell verfügbare Erzeugerleistung aus Gasturbinenanlagen und Pumpspeicherwerken vorgehalten. Letztere verfügen über "Schwarzstartfähigkeit". Solche Kraftwerkseinheiten sind nach einem blackout zum Wiederaufbau des Netzes unverzichtbar. Pumpspeicherwerke werden in Deutschland schon seit 1929 erfolgreich zum Ausgleich von Lastschwankungen und als schnell verfügbare Havariereserve betrieben.
Ihr Wirkungsgrad konnte von anfänglich 65% auf fast 80% verbessert werden. Wegen der topografischen Gegebenheiten in Deutschland stößt die Errichtung solcher Anlagen an Grenzen. Und selbst in Norwegen wäre es schwierig, große Pumpspeicher zu errichten, ohne Grundwasser mit Meerwasser zu versalzen.
Die erreichten Fortschritte zur Erhöhung des Anteils regenerativer Energie an der Elektroenergieerzeugung besonders aus Windkraft- und teilweise auch aus Fotovoltaikanlagen ist bislang wenig nützlich im Bereich Wärmeversorgung, der Stoffwirtschaft (chemische Industrie, Zementproduktion, Stahlerzeugung) und im Verkehrswesen beginnt der Umstieg zögerlich. Bei Elektroautos etwa muss in der Bilanz die Herstellung der Batterien einbezogen werden. Dennoch, es wird an vielen Ansätzen geforscht, Pilotanlagen entstehen und neue Akkumulatoren erweitern die Reichweite von Elektroautos. Vielen gemeinsam ist bisher leider ein niedriger effektiver Wirkungsgrad und letztlich keine konkurrenzfähige Kostenbilanz im Vergleich zu bisher benutzten fossilen Energieträgern. Beispiele dafür sind die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff mit geringem Wirkungsgrad, Speicherung von Wasserstoff in Kavernen, seine Erzeugung in sonnenreichen Regionen mit photovoltaisch gewonnenem Srom, um von dort verflüssigt mit thermisch isolierten Tankern zu Verbrauchern transportiert zu werden oder über Pipelines zu ihnen zu gelangen. Das sind Träume, die nur in einer friedlichen Welt gelingen können. Die Erzeugung synthetischer flüssiger Treibstoffe (aus "grünem" Wasserstoff) für Flugzeuge, Autos, Traktoren und LKWs ist letztlich unerlässlich, doch offenbar auch teuer. Die Nutzung von wertlosem Strom in Schwachlastzeiten aus Windkraftwerken für die Wasserstofferzeugung ist dennoch unumgänglich, um den wachsenden Bedarf in der Stahlindustrie und der Stoffwirtschaft an Wasserstoff decken zu können. Die Ladung der Batterien von Elektroautos in nächtliche Schwachlastzeiten könnte helfen, den Lastgang etwas auszugleichen.
Spezielle Lösungen erfordern die Gebäudeheizung und Klimatisierung. Erfolgversprechend ist der Einsatz von Wärmepumpen für die Warmwasserbereitung und Heizung vor allem in Eigenheimen. Für die Fernwärmeversorgung sind Wärmespeicher mit höheren Temperaturen auf der Basis von Druckwasser oder verflüssigten Salzen interessant. Ziel wäre auch hier der Betrieb von Gasturbinen mit "grünem" Wasserstoff, nachfolgenden Dampfturbinen und Wärmespeicher oder Nutzung der Restwärme als Fernwärme mit Temperaturen über 100°C (GuD mit Kraft-Wärme-Kopplumg).
Druckluftspeicher, Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen... Wie auch immer eine Versorgung mit möglichst ausschließlich erneuerbaren Energien aussehen könnte, teurer für Verbraucher wird es jedenfalls. Das trifft auch für Modelle zum zellulären dezentralen Energiemanagement (wie virtuelle Kraftwerke mit Kleinerzeugern) zu, da viele kleine Anlagen in Summe immer teurere Investitionen sind als große Kraftwerke. Und wer sollte die wachsende Bevölkerung in ärmeren Ländern von höheren Kosten zugunsten der Umwelt überzeugen können?
Unter den erneuerbaren Energieformen haben Biogasanlagen den Vorteil einer kalkulierbaren Verfügbarkeit. Nachwachsende Rohstoffe und das erzeugte Gas lassen sich speichern - bevor es verheizt oder daraus Strom erzeugt wird. Alternativ könnte Biomasse auch als Rohstoff für die Wasserstofferzeugung dienen. Jährliche Schwankungen der Wachstumsfaktoren (wie durch Regen usf.) für diese Rohstoffe können leichter einkalkuliert werden ebenso wie die Aufwendungen für die Bodenbearbeitung und Düngerherstellung. Allerdings ist nicht nur die Wirtschaftlichkeit zu hinterfragen, auch Auswirkungen der Bodenbewirtschaftung auf die Klimabilanz und die begrenzt verfügbaren Anbauflächen für Nahrungs- und Futtermittel sind abzuwägen. Immerhin könnten vorrangig "biologische Abfallprodukte" als primäre Energieträger genutzt werden. In Deutschland wird der Anteil biologischer Brennstoffe im künftigen Energiemix 10% wohl kaum überschreiten können.
In Deutschland bestehen spezielle Probleme bei der erfolgreichen Umsetzung der "Energiewende". Gesetzliche Vorgaben mit Festpreisen für erneuerbare Energie schaffen Anreize etwa für den Bau neuer Windkraftanlagen. Entscheidend für den Erfolg der Energiewende ist jedoch nicht die installierte Leistung solcher Anlagen und auch nicht Mittelwerte der damit erzeugten Energiemenge. Aussagefähig und bestimmend für die Versorgungssicherheit ist einzig die Residuallast im Moment geringster Erzeugerleistung für erneuerbare Energie, die abgedeckt werden muss durch Energiespeicher oder notfalls konventionelle Anlagen. Bei schwachem Wind wie am 10. 18. oder 25. Januar 2021 musste fast die gesamte Last von etwa 60GW konventionell abgedeckt werden. Um den mit dem Ausbau der Windenergie wachsenden Bedarf an positiver Regelreserve zu decken sind regelbare Kraftwerke mit derzeit fossilen Energieträgern wie etwa Gasturbinenanlagen - einschließlich auch GuD-Anlagen mit Wärme-Kraft-Kopplung - unverzichtbar. Errichtung und wirtschaftlicher Betrieb von Anlagen zur Stabilisierung des Netzbetriebes - besonders von Pumpspeicherwerken - rechnen sich derzeit durch die politischen Vorgaben nicht. Sie sind derzeit wirtschaftlich benachteiligt. Letztlich wird ja ihre geringe Nutzungsstundenzahl angestrebt, wenn viel erneuerbare Energie eingespeist werden kann. Und alte Wärmekraftwerke mit schlechter CO2-Bilanz können nicht durch Investition in neue Anlagen mit besserem Wirkungsgrad ersetzt werden. Garantierte Erzeugerpreise für Strom aus erneuerbaren Quellen behindern deshalb die Weiterentwicklung des Energiesystems, besonders von Anlagen mit der Fähigkeit für Schwarzstart oder Graustart. Derzeit verfügen Pumpspeicherwerke über diese Fähigkeit. Letztlich sollte der Markt die erzielbaren Erzeugerpreise bestimmen - etwa entsprechend dem bewährten "Merit-Order-Prinzip". Für ("erneuerbare") aber nicht zuverlässig verfügbare und volatile Erzeuger vorzuhaltende Reserveeinheiten müssen sich durch hohe Preise während ihren geringen Nutzungsstunden finanzieren lassen. Letztlich muss eine "Wende auf dem Energiemarkt" der "Energiewende" in Deutschland erst noch zum Erfolg verhelfen. Das EEG (erneuerbare Energiegesetz) behindert langfristig die nötige Versorgungssicherheit, die zuverlässige Verfügbarkeit von Strom im Netz und leistet der Verletzlichkeit unserer technisierten Gesellschaft mit unzuverlässiger Stromversorgung Vorschub. Und bisher wenig im Brennpunkt betrachtete Beiträge können nicht nur in Island nützlich sein wie die das Projekt der geothermischen Wärmeversorgung in München beweist.
Derzeit ist noch nicht zu erkennen wie das zur Begrenzung des Klimawandels proklamierte Ziel der Reduktion des CO2-Ausstoßes weltweit erreicht werden könnte. Um eine Dekarbonisierung oder genauer einen Verzicht auf fossile Energieträger erreichen zu können - also ausgenommen nachwachsende - wäre eine weltweite Steuer auf die Förderung fossiler Rohstoffe wie Erdgas, Erdöl, Kohle und Kalk sinnvoll. Das würden alle Verbraucher spüren und natürlich müssten auch Treibstoffe für Flugzeuge eingeschlossen sein - die derzeit ohne Steuerbelastung zu Fernreisen verführen. Das System des Emissionshandels mutet dagegen wie mittelalterlicher Ablasshandel für CO2-Sünder an. Auf sehr lange Sicht besteht ein Zwang zu einer "Energiewende" ohnehin, wenn neue Quellen für Erdgas und Öl zunehmend schwieriger erschlossen werden können. Verbrennungsmotoren und Flugzeugturbinen gehören dennoch nicht zum "alten Eisen". Auch Kohle wird für die Stoffwirtschaft in der chemischen Industrie einst wichtig bleiben. Und Verfahren zur Kohleverflüssigung werden weniger zur Treibstoffherstellung (Fischer-Tropsch) in ferner Zukunft aber doch zur Herstellung von Medikamenten und Kunststoffen wieder aktuell werden und am Ende könnten Treibstoffe für Autos und Flugzeuge sogar aus CO2 der Atmosphäre gewonnen werden... Der Energiehunger in der Welt wird bleiben. Und Deutschland war in den vergangenen Jahrzehnten ein Land mit Energieimporten und wird das auch bleiben, vielleicht mit importierten Treibstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis, die aus CO2 und grünem H2 klimaneutral hergestellt wurden. Elektrolytisch kann Wasserstoff aus Solarstrom in Wüstengebieten und aus nicht verwertbarem Strom der Windkraftanlagen gewonnen werden. Wasserstoff kann auch zum Ausgleich des Lastgangs der elektrischen Netze beitragen. Als Energieträger kann er in der Stoffwirtschaft etwa bei der Stahl- und Zementherstellung die Dekabonisierung voranbringen. Potential hat er auch zur klimaneutralen Herstellung synthetischer Treibstoffe - über Zwischenstufen wie Methan - besonders für Flugzeuge und allgemein im Tranportwesen. Offen ist gegenwärtig immer noch, welche Technologien sich am Ende durchsetzen können und vom weltweiten Verbrauchern akzeptiert werden. Der Verbrauch kostbarer Rohstoffen und Ressourcen zur Herstellung von Batterien, Elekrolysatoren oder Windkraftanlagen ... und ihre Wiederverwendung finden noch zu geringe Beachtung. Das trifft auch zu auf den Energieverbrauch bei ihrer Herstellung - etwa von Elektroautos. Und Batterien erhöhen das Gewicht der Fahrzeuge, ein wichtiger Nachteil. Kleinere und leichte Fahrzeuge weisen vergleichsweise eine günstige Ökobilanz über alle Fertigungs- und Betriebsstufen aus.
Die Verschwendung der Menschen in Industriestaaten, vor allem aber das Wachstum in Schwellenländern mit großer Bevölkerung, sorgen für weiter steigenden Energiebedarf. Es ist eine Illusion zu glauben, künftige Gesellschaften würden global betrachtet mit weniger Energie auskommen wollen. Aus gegenwärtiger Perspektive wird es keine „richtige“ Energiepolitik für alle geben. Die Voraussetzungen in der Welt im Hinblick auf Ressourcen, Risikobereitschaft, technisches know how, Finanzierungsmöglichkeiten und Renditeerwartungen, Umweltbewusstsein… sind viel zu unterschiedlich. Keine Primärenergie ist klarer Favorit überall und für jeden. Der Beitrag regenerativer Quellen - einschließlich uns noch ungewohnter - wird sich hoffentlich vergrößern. Unterschiedliche Ressourcen wie Gezeitenkräfte, Geothermie, Wasserkraft von Flüssen, Windkraft, Wellenkraft in den Meeren, biologische Photosynthese, Photovoltaik/thermische Sonnenkraft sind zwar alle begrenzt doch hinsichtlich ihrer maximalen Verfügbarkeit auf der Erde bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Vielen ist gemeinsam, dass sie weit entfernt von Verbrauchern sind. Sonnenenergie etwa ist besonders reichlich vorhanden, leider vor allem in Afrika und Australien, also nicht zuverlässig für Verbrauchsschwerpunkte etwa in Europa verfügbar.
Und es werden mehr Anstrengungen für die Endlagerung von strahlenden Spaltprodukten der KKW und von Verbrennungsprodukten von Wärmekraftwerken nötig sein. Energie wird auch deshalb abgesehen von den Brennstoffkosten teurer werden. Öffentlich geführte Diskussionen von selbsternannten Experten erinnern oft eher an einen fanatischen Glaubenskrieg als an die sachgemäße Suche nach den besten Lösungen. Demagogische Sprüche werden durch Wiederholung nicht richtiger, wenn gesamtgesellschaftliche Auswirkungen verschwiegen werden. Verschwiegen wird meist wie gewaltig die versteckten wirtschaftlichen Interessen in diesem "Spiel" sind und wie sehr sie im Ergebnis die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie und auch die Preissteigerungen für jeden kleinen Verbraucher betreffen. Deshalb werden für die Übergangszeit Kompromisse geschlossen, etwa duch Fracking-Technologie gewonnenem Erdgas könnte Wasserstoff beigemengt werden. Und Erdgasreserven, die durch Fracking stimuliert und nutzbar gemacht werden können, gibt es auch in Deutschland.
Die Situation kann von derzeit noch "reichen" Volkswirtschaften verkraftet werden. Die meisten Energieverbraucher der Zukunft leben dagegen in Ländern mit geringem pro Kopf Einkommen und in einigen Regionen explodiert das Wachstum der Bevölkerung. Für diese Menschen muss Energie bezahlbar bleiben, denn vor allem sie werden entscheiden, ob der vom Menschen verursachte Klimawandel aufgehalten werden kann und wie zuverlässig Kernkraftwerke künftig betrieben werden. Weltweit zeichnen sich derzeit zwei Schwerpunkte ab, wie zum Schutz des Klimas beigetragen wird: direkte oder indirekte Nutzung der uns von der Sonne zugeführten Energie (Wind-, Biogas-, Solarkraftwerken) und eine weiter ausgebaute Kernenergie. Ein Weg, CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen, wäre Kohlenstoff aus dem Stoffkreislauf zu entfernen und mit ihm landwirtschaftlich genutzte Böden anzureichern mit dem positiven Effekt steigender Erträge (Schwarzerdeboden) - leicht gesagt, doch der schwer zu stillende Energiehunger... ist eine der vom Homo sapiens noch besser zu bewältigenden Aufgaben.
Über die zeitliche Einordnung des Anthropozäns in Erdzeitalter streiten Wissenschaftler noch, tatsächlich leben wir längst in ihm. Schon der Homo erectus hatte die Umwelt beeinflusst durch den Abbau von Steinen, den Gebrauch von Feuer und seine Jagd... Doch das Ausmaß des menschlichen Einflusses auf die Biosphäre, auf geologische Prozesse an der Erdoberfläche, auf Meere und Atmosphäre war noch nie so groß wie jetzt - und es ist Zeit, mehr Verantwortung zu übernehmen vor allem im achtsamen Umgang mit den begrenzten Ressourcen auf "unserer" Erde.
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