erneuerbare Energien: Perspektiven der Nutzung

erneuerbare Energien: Perspektiven der Nutzung
 
Energie entsteht nicht aus dem Nichts, sie kann auch nicht verloren gehen. In einem abgeschlossenen Raum ist Energie konstant. Aber jeder Energiewandlungsschritt geht mit einer Entwertung der Energie einher: Jede Maschine und jeder Prozess, der Energie verbraucht, hat einen Wirkungsgrad, der kleiner als eins ist, und immer kann nur ein Teil der Energie direkt technisch genutzt werden; der Rest führt nur zu einer Erwärmung der Umgebung, wenn er nicht durch entsprechende Vorrichtungen zumindest zum Teil verwertet wird. Nach jedem Glied einer Energiewandlungskette ist die Menge nutzbarer Energie kleiner geworden, bis am Ende der Kette ein Maximum der Entwertung erreicht wird, bei dem die Temperatur der Umgebungswärme entspricht. Umgebungswärme ist nur noch für die Abstrahlung in den kalten Weltraum tauglich, für den Menschen aber nicht mehr nutzbringend. Diese Feststellungen gelten für jede der drei Energiearten: fossile, nukleare und erneuerbare.
 
Aber es gibt einen signifikanten Unterschied: Während die erschöpfliche fossile oder nukleare Energie nach der Entwertung für immer für den Menschen verloren ist, bewirkt der unaufhörlich nachfließende Strom der erneuerbaren Energien, dass jede durch den Menschen vorgenommene Entwertung sogleich kompensiert wird. Die Sonne, die Erdwärme, die Gezeiten verfügen über einen nach unseren Maßstäben unerschöpflichen Energievorrat, den sie gleichmütig zur Verfügung stellen, unabhängig davon, ob der Mensch sie nutzt oder nicht. Es ist, als gleiche die Natur die Energieentwertung gleichsam ständig wieder aus.
 
Die Sonne strahlt seit 4,5 Milliarden Jahren, und es wird erwartet, dass sie erst nach weiteren 4,5 Milliarden erlischt. Was der Mensch an Energie verbraucht — zurzeit jährlich etwa 13 Milliarden Tonnen Steinkohleeinheiten —, entspricht nur dem Bruchteil eines Prozents dessen, was die Sonne im gleichen Zeitraum auf die Erde einstrahlt, und auch dies wird von der Sonne großzügig sogleich wieder kompensiert, als sei zuvor nichts geschehen. Das ist der fundamentale Unterschied zwischen den erschöpflichen und den erneuerbaren Energien, den der Mensch bei der Energienutzung in Zukunft zu beachten hat, will er den Kriterien der Nachhaltigkeit gerecht werden.
 
 Energieökologie
 
Fossile und nukleare Energien werden in absehbarer Zeit in der Weltenergiegeschichte als Einmalereignis gelten. Innerhalb weniger Hundert Jahre wird alles vorbei sein — oder doch nicht? Zwar wird im Rückblick die Ausbeutung der Lagerstätten — nach heutiger Kenntnis — vom 18. bis ins 21., vielleicht 22. Jahrhundert gedauert haben, Reste werden dann nicht mehr als Energieträger, nur mehr als Chemierohstoff verwendet werden. Energieökologisch aber wird noch lange nicht alles vorüber sein. Denn das Treibhausgas Kohlendioxid — das Produkt jeder Verbrennung fossiler Energierohstoffe — hat eine atmosphärische Aufenthaltsdauer zwischen 100 und 200 Jahren, und Plutonium-239 wird viele Tausend Jahre unter Aufsicht gestellt werden müssen, technisch sicher und sicher vor dem Zugriff Unbefugter — um nur diese beiden Langzeitwirkungen zu nennen.
 
Die Energieökologie der erneuerbaren Energien hingegen ist Teil des Lebensablaufs auf der Erde. Energetisch ändert sich für die Erde nicht viel, wenn der Mensch Teile der erneuerbaren Energien für sich nutzt, aber auch hier gilt der Grundsatz, dass nichts von dem, was der Mensch tut, ökologisch neutral ist.
 
Zwar ist wohl offensichtlich, dass die ökologischen Konsequenzen so argloser Dinge wie der passiven Nutzung der solaren Strahlungsenergie im Hochbau, des thermischen Kollektors auf dem Dach, der Wärmepumpe im Keller oder der Nutzung natürlich nachgewachsener Biomasse im Verhältnis zu den entsprechenden Konsequenzen fossiler und nuklearer Energien klein sein werden. Aber große Wasserkraftwerke, ausgedehnte Energieplantagen und Sonnenkraftwerke sind durchaus nicht von vornherein ökologisch arglos, wiewohl auch hier der Vergleich mit den fossilen und nuklearen Energien klar zugunsten der erneuerbaren Energien ausgeht. Es geht immer nur um die relativen Konsequenzen. Über sie geben Ökoinventarbilanzen Auskunft.
 
Die Umwandlungskette
 
Energieerzeugung und -nutzung heißt, einen Rohstoff eine Stoffwandlungskette und eine Anfangsenergie eine Energiewandlungskette durchlaufen zu lassen. Die Energieumwandlung erneuerbarer Energien, die bekanntlich ohne Rohstoff auskommt, beginnt gleich mit der Primärenergie: Der Kollektor wandelt Sonnenstrahlung in Niedertemperaturwärme um, das solarthermische Kraftwerk und die Photovoltaikanlage machen aus Sonnenstrahlung, das Windkraftwerk aus der Strömungsenergie des Windes elektrischen Strom.
 
Bei den fossilen und nuklearen Energien hingegen steht der Primärenergierohstoff am Anfang der Kette, die Stoffumwandlungsketten werden parallel zu den Energiewandlungsketten durchlaufen: Rohkohle wird zu Kohlenstaub für die Kraftwerksfeuerungen, in der Verbrennung zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Unverbranntem zerlegt; Schwefel wird zu Schwefeldioxid und durch die nachgeschalteten Entschwefelungsanlagen zu Calciumsulfat (Gips), Stickoxide werden in Entstickungsanlagen in molekularen Stickstoff und Sauerstoff umgewandelt.
 
Rohöl wird in Raffinerien in verschiedene Destillate wie Benzin oder Diesel gewandelt; sie werden unter Zustrom von Luft in Brennkammern, Verbrennungsmotoren, Ölbrennern zu Kohlendioxid verbrannt, das in die Atmosphäre entweicht. Ein Teil des Kohlendioxids wird von den Pflanzen photosynthetisch aufgenommen oder verschwindet in der Tiefsee, wo es in Form von Calciumhydrogencarbonat gebunden wird.
 
Uranerz wird in Uranminen geschürft, anschließend mechanisch und chemisch aufbereitet. Uranhexafluorid wird in Gasdiffusionsanlagen oder Gasultrazentrifugen in seinem spaltbaren Anteil Uran-235 gegenüber dem nicht spaltbaren Anteil Uran-238 angereichert, um es reaktortauglich zu machen. Daraus werden Reaktorbrennelemente gefertigt und in den Reaktorkern eingesetzt. Nach ihrem Abbrand werden die Brennelemente entnommen und endgelagert, oder man trennt in der Brennelementenaufarbeitung die radioaktiven Spaltprodukte, nicht abgebranntes Uran und erzeugtes Plutonium.
 
Diese Stoffketten sind es, die das eigentliche ökologische Schadenspotenzial bergen. Noch weiß niemand, was mit den heute 1700 Tonnen radiotoxischen Plutoniums auf der Welt geschehen soll, das zu zwei Dritteln aus zivilen Kernreaktoren stammt und sich um 80 Tonnen jährlich vermehrt; es hat eine Halbwertszeit von 24 000 Jahren, das entspricht der Zeitspanne vom Ende der Altsteinzeit bis heute! Noch gibt es weltweit keine schlüssige Strategie, das Kohlendioxid aus den Milliarden Feuerstellen der Kraftwerke, Industriefeuerungen, Automobilmotoren, Flugzeugturbinen oder Brenner nicht in die Atmosphäre eintreten zu lassen, wo es zum Treibhauseffekt beiträgt — außer es erst gar nicht entstehen zu lassen.
 
Die Beispiele zeigen: Ökologisch verantwortbar sind kurze Ketten. Die Energiewandler, die ihre Glieder bilden, sollten möglichst wenig Investivenergie und Investivmaterial brauchen. Stoffe sind so weit irgend möglich im Kreis zu führen, um den Bedingungen der Kreislaufwirtschaft gerecht zu werden.
 
Energiewandler erneuerbarer Energien haben es zunächst nicht leicht, dem Gebot des minimalen investiven Stoff- und Energiebedarfs zu entsprechen, denn die angebotenen solaren, tidalen oder geothermischen Energiedichten sind in aller Regel nicht groß. Um sie auf Energiedichten zu komprimieren, wie sie die gewachsene Energienachfrage kennt, ist viel Material nötig, dessen Bereitstellung wiederum viel Energie verlangt. Die Entwicklung der letzten Jahre zeigt aber, dass der Investivbedarf an Stoffen und Energie ständig zurückgeht. Es ist zu erwarten, dass der lebensdauerlange Bedarf an investiven und betrieblichen Stoffen und Energie fossiler und nuklearer Energie- und Stoffumwandlungsketten in der Summe bald größer sein wird als der Bedarf investiver Stoffe und Energie bei Ketten erneuerbarer Energien, denn die erneuerbaren Ketten sind kurz, die fossilen und nuklearen Ketten lang und werden durch Umwelt- und Sicherheitsauflagen immer länger. Zur Kürze der erneuerbaren Ketten trägt auch ganz erheblich bei, dass hier kein Primärenergiestoff zunächst mühsam um die halbe Welt transportiert werden muss.
 
Energierohstofftransport
 
Die Energierohstoffe sind nur selten dort vorhanden, wo der fossile oder nukleare Energiewandler ist; Kohle, Öl, Erdgas, Uran sind Teile des Weltenergiehandelssystems. Sie werden beispielsweise für Deutschland bis zu zwei Dritteln aus der ganzen Welt herangeschafft. Damit ziehen sich die Energie- und Stoffumwandlungsketten rund um den Globus. Anders die erneuerbaren Energien, sie sind allgegenwärtig. Jedes Land der Erde verfügt über die eine oder andere der erneuerbaren Energieformen. In Deutschland gibt es Wind an den Küstensäumen, Wasserkraft an den Flussläufen und in den Alpen, Sonnenstrahlung, Umgebungswärme und Biomassen überall, schließlich Geothermie in der norddeutschen Tiefebene. Diese Allgegenwart hat ökologische Vorteile: Die thermische Kilowattstunde aus dem Dachkollektor, die elektrische Kilowattstunde aus dem Photovoltaikmodul haben nur ganz kurze Wege zu ihren Nutzern zurückzulegen, zum Heizkörper oder zum elektrischen Kühlschrank, sie brauchen nicht verlustreich und ökologisch bedenklich aus großen Entfernungen herangeschafft zu werden.
 
 Technische Sicherheit
 
Kein technisches System der Welt ist absolut sicher. Die Umgangssprache, der leicht über die Lippen geht, dieses oder jenes sei »absolut sicher«, verkennt, dass ein wenn auch verschwindend kleines Risiko eines Unfalls immer besteht. Entscheidend ist auch die Frage, wie groß der Schaden ist, wenn tatsächlich einmal ein Unfall eintritt. Was das anbelangt, so ist der Unterschied zwischen der Havarie eines Vogelschwarms mit dem Rotor eines Windkraftwerks und dem Durchbrennen eines Atomreaktorkerns wie in Tschernobyl offensichtlich.
 
Energiewandler und technische Sicherheit — hier ist jede Energieform einzeln zu untersuchen, und zwar auf der ganzen Länge der Energiewandlungskette, von der Gewinnung des Primärenergierohstoffs über Produktion und Betrieb des Wandlers bis zum Schadstoffmanagement, zur Rezyklierung und Endlagerung.
 
Risikoquelle Primärenergierohstoff
 
Einen der permanenten Unsicherheitsfaktoren der erschöpflichen Energien kennen die erneuerbaren Energien nicht: die Sicherheit. Da der betriebliche Primärenergierohstoff und die aus ihm entstehenden Rest- und Schadstoffe fehlen, stellen sich auch keine Sicherheitsfragen. Wenn keine Kohle gebraucht wird, müssen keine Kohlekraftwerke betrieben werden, in denen es zu Unfällen kommt.
 
Wo kein Öl oder Gas gefördert werden muss, können auch keine Öl- oder Gasfelder brennen, müssen keine Exxon Valdez' stranden, ziehen keine Brent Spars Auseinandersetzungen um die umweltökologisch verantwortbare Entsorgung von Offshore-Plattformen nach sich, bersten keine Pipelines.
 
Wo kein Kernbrennstoff nötig ist, bleiben keine über Menschheitsgenerationen kontaminierten, aufgelassenen Uranminen zurück, können keine Tschernobyls geschehen, entsteht kein radiotoxisches Plutonium, dessen hermetischer Einschluss über Äonen gesichert sein muss, dessen Proliferationssicherheit gleichwohl kaum zu gewährleisten ist.
 
Wo die Primärenergierohstoffe sowie die Rest- und Schadstoffe aus ihnen fehlen, brauchen wir uns nicht weiter um sie zu kümmern, nicht technisch, nicht ökonomisch oder ökologisch, nicht finanziell und — nicht sicherheitlich!
 
Technische Sicherheit erneuerbarer Energien
 
Jede Maßnahme, den Strom der Primärenergierohstoffe einzudämmen, ist auch sicherheitlich willkommen; es ist nicht erkenn- bar, dass Maßnahmen zur Effizienzsteigerung nachteilige sicherheitliche Folgen hätten. Aufpassen muss man allenfalls, wenn größere Mengen Investivstoffe und Investivenergien aufgewendet werden, um Verbrauchsstoffe und Verbrauchsenergien zu reduzieren, beispielsweise bei Niedrigenergiehäusern oder, im größeren Maßstab, bei ganzen Volkswirtschaften, die den Bedingungen der Niedrigenergiebedarfswirtschaft genügen sollen. Hier verlagern sich Sicherheitsfragen aus dem Verbrauchsbereich in den Investivbereich.
 
Bei den erneuerbaren Energien stellen sich nur bezüglich der Rezyklierung von Solarzellen und Blättern von Windkraftwerken neue Sicherheitsfragen, die bei den fossilen und nuklearen Kraftwerken noch nicht aufgetreten sind. Da es aber eine Industrie für die sicherheitlich und umweltökologisch verantwortbare Behandlung bei Lebensdauerende noch nicht gibt, können auch keine Sicherheitsmaßstäbe angelegt werden.
 
Selbstverständlich wird es auch bei Sonnenkraftwerken, Windkraftwerken oder Biomassenanlagen Unfälle geben — absolute Sicherheit gibt es auch bei erneuerbaren Energien nicht —, und Schäden für Mensch, Natur und Sachen werden zu beklagen sein. Aber die inhärente Sicherheit bleibt sehr hoch, weil wegen des relativen Fehlens von Toxizitäten und des absoluten Fehlens von Radioaktivität und Radiotoxizitäten unumkehrbare Dauerschäden und Folgeschäden unbekannter Dauer ausgeschlossen bleiben; das gilt auch für die solare Wasserstoffenergiewirtschaft.
 
Sicherheit des Wasserstoffenergiesystems
 
Ein globales solares Wasserstoffenergiesystem unterscheidet sich nur wenig von dem etablierten globalen Erdgassystem; man muss sich lediglich dessen Anlagen am Anfang der Energiewandlungskette wie Bohrplattformen oder Bohrgerät ersetzt denken durch Sonnen-, Wasser- oder Windkraftwerke, Elektrolyseure und gegebenenfalls Verflüssiger. Die nachgelagerten Kettenglieder — wie etwa Pipelines, Kompressoren, Kryotankschiffe, Katalysen und Brennstoffzellen — unterscheiden sich vom Erdgassystem allenfalls unwesentlich.
 
Bezüglich der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Wasserstoff und Erdgas gibt es aber deutliche Unterschiede, die auch sicherheitsrelevant sind.
 
Wasserstoff ist in Luft wesentlich leichter entzündlich als Erdgas — die minimale Zündenergie ist um einen Faktor zehn kleiner, der Energiebereich, in dem Wasserstoff zündet, ist größer. Liegt ein zündfähiges Gemisch vor, so genügt bereits Reibungselektrizität zur Entzündung. Wasserstoff hat aber eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit in Luft. Findet ein unkontrollierter Austritt von Wasserstoff, die Bildung eines zündfähigen Gemisches und eine nachfolgende Zündung im Freien statt, so sorgt die hohe Diffusionsgeschwindigkeit in Luft dafür, dass Wasserstoff und das entzündete Gemisch rasch nach oben entweichen, und der etwaige Brand verlöscht rasch nach oben. In geschlossenen Räumen jedoch wird die Sache gefährlich. Hier müssen daher Wasserstoffdetektoren und sich rasch öffnende Durchlässe vorhanden sein, die der Diffusion nach außen keine Barriere entgegensetzen.
 
Ist Wasserstoff also gefährlicher als Kohlenwasserstoffe? Wer weiß nicht von der Knallgasreaktion aus dem Chemieunterricht, vom Unfall des Zeppelins, der 1937 in Lakehurst, New Jersey beim Andocken an den Landemast verbrannte, der Challenger-Katastrophe, als der aufsteigende Spaceshuttle vor den Augen der Weltöffentlichkeit auseinander brach! Wenn auch nicht erwiesen wurde, dass Wasserstoff ursächlich am Lakehurst-Unfall beteiligt war, wenn auch zweifelsfrei erwiesen ist, dass nicht primär die Wasserstofffüllung zum Zerbersten von Challenger geführt hat — auch ein mit Benzin, Kerosin oder Dieselöl gefüllter Tank wäre in dieser Situation explodiert —, so handelte es sich letztlich doch bei beiden Katastrophen um einen Wasserstoffbrand.
 
Auch in Zukunft werden Unfälle mit Wasserstoff nicht ausbleiben — absolute Sicherheit gibt es nicht. Aber es gilt das Gleiche wie für die anderen erneuerbaren Energieformen: Weil hier Radioaktivität, Radiotoxizitäten und Kohlenstoffverbindungen prinzipiell nicht auftreten, können Menschen, Fauna und Flora nicht verstrahlt oder vergiftet werden, auch zum anthropogenen Treibhauseffekt trägt Wasserstoff nicht bei, weil kein Kohlendioxid emittiert wird.
 
Einzig zu bedenken bleibt, dass auch eine künftige Wasserstoffluftfahrt zum Treibhauseffekt beitragen würde, flöge sie — wie heute üblich — weiterhin oberhalb der Tropopause, weil dort auch Wasserdampf ein Treibhausgas ist. Wasserstoffflugzeuge müssten also niedriger, unterhalb der Tropopause fliegen, dort, wo natürlicher Wasserdampf ohnedies in großen Mengen vorkommt.
 
 
Neben der Betriebssicherheit muss an ein Energiesystem auch die Frage nach der Versorgungssicherheit gestellt werden, die Frage, ob stets ausreichend Primärenergiestoffe oder Primärenergien vorhanden sind, um den Bedarf zu decken.
 
Auch hier gibt es für erneuerbare Energien wenig Negatives zu berichten, eine energierationelle Zivilisation vorausgesetzt: Die Zurückdrängung des Primärenergierohstoffbedarfs durch Maßnahmen der rationellen Energiewandlung, der rationellen Energieanwendung und der höheren Effizienz ist positiv; ein geringerer Bedarf kann vielleicht auch diversifizierter gedeckt werden. Die Nutzung erneuerbarer Energien geschieht großenteils lokal, der noch verbleibende Bedarf wird regional, schließlich global gedeckt. Das Energiesystem einer Niedrigenergiebedarfswirtschaft, deren Bedarf großenteils durch erneuerbare Energien gedeckt wird, ist autonomer als das der etablierten Versorgungswirtschaft mit ihren hohen Anteilen importierter Energierohstoffe.
 
Schließlich der solare Wasserstoff: Er trägt die Merkmale des gewachsenen globalen Erdgashandelssystems, mit allen ihm innewohnenden Stärken und Schwächen der Versorgungssicherheit, wenn auch die Zahl der potenziellen Lieferanten solaren Wasserstoffs im äquatorialen Erdgürtel, in den Ländern hoher Wasserkraft-, Windenergie- oder Biomassendichte um ein Vielfaches größer ist als die Zahl der Erdgaslieferanten. Die ausgeprägten Lieferoligopole für Erdöl oder Erdgas sind für solaren Wasserstoff kaum vorstellbar.
 
 
In Marktwirtschaften hat das Energiesystem wirtschaftlich zu sein. Das Kriterium der Wirtschaftlichkeit muss aber immer im Kontext der jeweiligen Zeit, des Ortes und anderer spezifischer Gegebenheiten gesehen werden.
 
Beispielsweise war Erdöl vor den Ölpreiskrisen der 1970er-Jahre wohlfeil; durch die sprunghafte Entwicklung des Preises zeitweilig auf den 20- bis 30fachen Wert änderte sich seine relative Wirtschaftlichkeit radikal; inzwischen ist der Preis wieder gesunken und realiter fast wieder auf dem Niveau der frühen 1970er-Jahre angekommen. Der Käufermarkt hat den Verkäufermarkt wieder abgelöst.
 
Was den Ort anbelangt, so unterscheidet sich zum Beispiel die spezifische Ausbeute eines solarthermischen Energiewandlers zwischen Mittel- und Südeuropa aufgrund der stärkeren und beständigeren Einstrahlung um einen Faktor zwei, folglich wird ein ansonsten gleicher Kollektor in Spanien doppelt so viel Kilowattstunden einsammeln wie in Deutschland.
 
Zu den spezifischen Gegebenheiten kann beispielsweise die Frage gehören, zu wessen Lasten die Folgekosten der Verbrennung fossiler Rohstoffe zu gehen haben, wer also etwa die Folgen des Treibhauseffekts bezahlt.
 
Die Wirtschaftlichkeit erneuerbarer Energien
 
Für die erneuerbaren Energien ist zunächst wieder die an sich triviale Feststellung zu treffen, dass der nicht vorhandene Primärenergierohstoff auch wieder keine Rest- und Schadstoffe, also keine ökonomische Relevanz hat; wir brauchen uns nicht weiter um sie zu kümmern. Die Fragen bezüglich der Wirtschaftlichkeit erneuerbarer Energien sind andere.
 
25 Jahre seit Beginn der modernen Forschung und Entwicklung sind für Energiesysteme eine kurze Zeit. Das Erreichte ist für den Ingenieur beeindruckend, für die Energiewirtschaft ist es — mit Ausnahme der Wasserkraft — marginal. Wie bereits erwähnt, reichen bis 1998 in Betrieb gegangene 800 Megawatt Photovoltaik, 350 Megawatt solarthermische Kraftwerke oder auch 8000 Megawatt Windkraftwerke, selbst mehrere Millionen Quadratmeter Kollektoren nicht aus, um hoch mechanisierte und automatische Fertigung zu rechtfertigen. Erst dann aber ergäben sich Stückkosten, die wirtschaftlich wären.
 
Auch die Verbesserung der energetischen Effizienz der jeweiligen Energiewandler wird sie wirtschaftlicher machen. Da hier aber schon viel erreicht wurde, sind die Potenziale nicht mehr allzu groß. Allenfalls bei Photovoltaikanlagen und solarthermischen Kraftwerken ist mit Effizienzen zu rechnen, die um den Faktor zwei über den derzeitigen liegen werden. Bemerkenswert ist, dass der Wirkungsgrad der Energiewandler erneuerbarer Energien im Allgemeinen weit unter demjenigen liegt, den man von fossilen Energiewandlern gewohnt ist. Ein gutes Kohlekraftwerk erreicht 44 Prozent, ein Erdgaskombikraftwerk nahezu 60 Prozent, aber ein solarthermisches Kraftwerk nur zwölf Prozent, morgen vielleicht 20 Prozent, eine Photovoltaikanlage zehn Prozent, morgen gegebenenfalls 20 Prozent. Einer der Hauptgründe liegt darin, dass den fossilen Energiewandlern das Einsammeln und die Vorratshaltung der fossilen Energierohstoffe von der Natur abgenommen wurde, sie brauchen gleichsam nur zuzugreifen. Die solaren Energiewandler hingegen müssen Sonnenstrahlung erst »einfangen« und gegebenenfalls konzentrieren, und das geht durchaus nicht ohne Verluste ab.
 
Selbstverständlich aber wird die Wirtschaftlichkeit erneuerbarer Energien relativ zu derjenigen der fossilen und nuklearen Energien verbessert werden, wenn diese alle Kosten zu tragen haben, die heute noch externe Kosten sind und als solche von der Allgemeinheit getragen werden. Dazu gehören Umweltschadenskosten, Subventionen und Rücklagen für die Ausbeutung erschöpflicher Lagerstätten. In keinem Kohle-, Erdöl-, Erdgas- oder Uranförderland der Welt werden solche Rücklagen für die zunehmende Erschöpfung der Lagerstätten gebildet. Die Menschheit lebt energetisch vom Kapital und sollte doch von den Zinsen leben! Zinsen im nachhaltigen Sinn wären die Substitutionsrate der nicht erneuerbaren Energien und die Erneuerungsrate der erneuerbaren. Aber im Gegenteil dazu meint die überwiegende Mehrheit aller Länder der Erde, erschöpfliche Energie subventionieren zu müssen. Deutschland macht da keine Ausnahme, jede Tonne Steinkohle von der Ruhr oder Saar wird subventioniert, jedes Jahr sind das zusammen mehrere Milliarden DM. Und schließlich gibt es bis heute nur in wenigen Ländern — so etwa in den Niederlanden und in Skandinavien, neuerdings auch in Deutschland — bescheidene Klimaschutzsteuern; die große Mehrheit aller Kohlendioxidemittenten der Welt jedoch darf die Atmosphäre als temporäre Deponie für Treibhausgase nach wie vor kostenlos benutzen.
 
Letztlich werden erneuerbare Energien aus sich selbst heraus wirtschaftlich werden müssen. Die Aussichten hierfür sind gut, wenn die Produktion der Anlagen große Stückzahlen erreicht und zudem die derzeit verzerrte Verteilung der tatsächlichen Kosten entzerrt werden wird.
 
 Internationale Verträglichkeit
 
Der derzeitige Energieverbrauch in der Welt ist extrem ungleich auf die entwickelten und die sich entwickelnden Länder verteilt. Die einen nutzen mit 25 Prozent der Weltbevölkerung 75 Prozent der Primärenergie, die anderen mit 75 Prozent der Bevölkerung den Rest. Der mittlere Primärenergieverbrauch der Welt ist circa zwei Tonnen Steinkohleeinheiten (SKE) pro Kopf und Jahr, aber mit sehr großen Unterschieden in den verschiedenen Weltregionen. Nordamerikaner verbrauchen etwa elf, Europäer drei bis sechs Tonnen SKE pro Jahr und erwirtschaften damit Bruttosozialprodukte pro Kopf, die nicht gar so weit auseinander liegen. Die ehemaligen Staatshandelsländer haben zwar einen mit Europa vergleichbaren Energieverbrauch, erwirtschaften damit aber nur etwa ein Drittel der Wirtschaftsleistung. Ganz am Ende der Skala liegen die Entwicklungsländer, die begonnen haben, sich zu industrialisieren und damit zunehmend mehr Energie auf dem Weltmarkt nachfragen werden. Darf, etwa aus klimaökologischen Gründen, der derzeitige jährliche Pro-Kopf-Mittelwert von zwei Tonnen SKE nicht weiter steigen, so ist der Mehrbedarf der Entwicklungsländer — zumal bei starkem Bevölkerungswachstum — durch einen entsprechenden Minderbedarf der Industrieländer aufzufangen. Die damit einhergehende Annäherung von beiden Seiten an den Weltdurchschnitt käme einem Trend zu mehr internationaler Verträglichkeit gleich. Der Schlüssel liegt in dem technischen Wissen, Energiewandlung wesentlich effizienter durchzuführen, die Energiedienstleistung mit weniger einzusetzender Primärenergie bereitzustellen. Das Potenzial hierzu ist groß, denn die Energieeffizienz selbst der effizienteren europäischen Industrieländer liegt bei rund 30 Prozent (Deutschland), die der gesamten Welt weit darunter.
 
Perspektiven für eine internationale Verträglichkeit
 
Wie wird sich das gewachsene Weltenergiehandelssystem entwickeln, wenn die Menschheit internationale Verträglichkeit anstrebt? Die Nutzung der heimischen erneuerbaren Energien und effizienterer Umgang mit den erschöpflichen Energien werden den Bedarf an importierten Energierohstoffen schrumpfen lassen. Deutschland ist hierfür ein sprechendes Beispiel, sein Primärenergiebedarf stagniert seit vielen Jahren oder fällt leicht, obwohl doch die Wirtschaftsleistung jährlich durchschnittlich um 1—1,5 Prozent gewachsen ist. Ganz folgerichtig hat die Enquete-Kommission »Schutz der Erdatmosphäre« des 12. Deutschen Bundestages in ihren Handlungsempfehlungen an Parlament und Bundesregierung empfohlen, den Primärenergiebedarf des Landes drastisch zu reduzieren und den verbleibenden Bedarf kohlenstoffärmer bereitzustellen.
 
Die gigantischen Energierohstoffströme, die heute um den Globus geschickt werden, und die gigantischen Emissionsströme, die das Energiesystem verlassen, werden durch technisches Wissen um die Effizienz der Energiewandlung, um erneuerbare Energien und schließlich um solaren Wasserstoff gedrosselt werden. Verbleibende Stoffströme werden leichter, der Bedarf an Technik wird zunehmen, die einzelnen Länder werden energieautarker werden. Die überwältigende Bedeutung des Welthandels mit Energierohstoffen verlagert sich auf den Welthandel mit technischen Anlagen zur effizienten Energieumwandlung, zur Nutzung erneuerbarer Energien und zum Aufbau des neuen Weltenergiehandelssystems mit solarem Wasserstoff.
 
 Erneuerbare Energien und technische Innovation
 
Das überkommene, mit den fossilen Energien gewachsene Energieversorgungssystem taugt nicht dazu, mit erneuerbaren Energien schlicht weiterbetrieben zu werden; dazu ist es zu ineffizient. Der Übergang auf die weniger energiedichten sowie zeitlich und örtlich bedingt verfügbaren erneuerbaren Energien muss durch rationelle Energiewandlung auf allen Wandlungsstufen und durch rationelle Energieanwendung am Ende der Energiewandlungskette sowie durch mehr Effizienz eines jeden Energiewandlers vorbereitet werden. Die Energieversorgungswirtschaft, die jeden neuen Energiebedarf mit einem Mehr an Energierohstoffen deckte, muss ergänzt, schließlich ersetzt werden durch die Energiebedarfswirtschaft.
 
Die Annäherung an die Niedrigenergiebedarfswirtschaft wird durch drei Entwicklungen vorbereitet: Entmaterialisierung, Technisierung und Schwerpunktverschiebung vom rohstoffdominierten Anfang der Energiewandlungskette hin zu deren technikdominiertem Ende.
 
 
Einem Wirtschaftsaufschwung sind nicht selten wichtige technische Innovationen vorausgegangen, häufig haben sie dem Zeitalter auch den Namen gegeben: Dampfmaschinenzeitalter, Elektronikära, Informationszeitalter. Die Innovation von heute heißt Entmaterialisierung: Die wichtigen Entwicklungen, die zu den Märkten von morgen führen werden, sind samt und sonders durch ein kleines spezifisches Gewicht geprägt. Das Licht der Laser, das die Materialbearbeitung revolutioniert, ist gewichtslos, Informationen werden nahezu gewichtslos mithilfe schneller Elektronen befördert, Keramik und faserverstärkte Werkstoffe haben geringere spezifische Gewichte als Stahl, und die Mikromechanik hat die mechanischen Werkzeuge nahezu entmaterialisiert.
 
In diesen Kontext gehören auch die Energien der Zukunft. Rationeller Umgang mit Energie und die zunehmende Effizienz der Energiewandler drängen die gewichtigen Energierohstoffströme zurück, und die Primärenergie der erneuerbaren Energien sind gewichtslos. Schließlich, Wasserstoff ist das leichteste Element im Periodensystem der Elemente, sein Atomgewicht ist eins.
 
 
Technisches Wissen ist der Schlüssel zur effizienten Energiewandlung und zu den erneuerbaren Energien. Dazu einige Beispiele:
 
Erdgasbefeuerte Kombikraftwerke nähern sich nie da gewesenen 60 Prozent Wirkungsgrad. Wird in einigen Jahrzehnten die Hochtemperaturbrennstoffzelle fertig entwickelt und diesen Kombikraftwerken vorgeschaltet sein, kann mit 70 Prozent gerechnet werden. Zwar nimmt der industrielle Strombedarf in Deutschland kontinuierlich zu, aber der industrielle Brennstoffbedarf geht seit den frühen 1970er-Jahren gleichfalls unaufhörlich zurück.
 
Der Personenkilometer in Automobilen wird derzeit in der Regel unter Energienutzung von einer Kilowattstunde zurückgelegt. 0,1 bis 0,3 Kilowattstunden sollten möglich sein, zumal wenn der Hubkolbenmotor durch die Brennstoffzelle an Bord abgelöst worden sein wird und wenn unter Verzicht auf mechanisches Getriebe, Kardanwelle und Ausgleichsgetriebe mit elektronisch geregelten elektrischen Radnabenmotoren gefahren wird.
 
Und schließlich, dass Solarenergiehäuser, deren Bedarf an Betriebsenergie vom Markt null ist, bereits in einigen Exemplaren gebaut wurden, ja, dass Plusenergiehäuser möglich sind, die einen Teil der eingesammelten Sonnenenergie nicht für sich selbst brauchen, sondern auf dem Markt verkaufen können, wurde vorstehend schon beschrieben.
 
Schwerpunktverschiebung zum Kettenende
 
Der Anfang der Energiewandlungsketten liegt in der Hand der erfahrenen Großen in der Energiewirtschaft, am Kettenende sind Milliarden energetisch laienhafter Nutzer, denen oft nicht bewusst ist, dass sie mit ihrem Verhalten den Schlüssel dazu in der Hand halten, wie sich die Energieversorgung entwickeln wird.
 
Architekten, Stadtwerke und das mit der Energieversorgung assoziierte Handwerk und Gewerbe — wie etwa Elektrofachhandel und Schornsteinfeger — müssen als Berater die Mittlerrolle zwischen den Energieerzeugern und den Energieverbrauchern übernehmen, sie tragen die Verantwortung dafür, dass der Verbraucher am Kettenende um die technischen Möglichkeiten zur rationellen Energienutzung weiß und sie voll ausschöpft, ohne dass er auf die gewohnten Energiedienstleistungen verzichten muss. Was er am Ende nicht nachfragt, muss am Anfang erst gar nicht in Form fossiler oder nuklearer Energierohstoffe in die Kette eingegeben werden. Und jede durch intelligente Nutzung nicht verbrauchte Kilowattstunde spart am Anfang der Wandlungskette zum Beispiel mehr als drei Kilowattstunden Primärenergie, wenn man von einem maximalen Energienutzungsgrad von 30 Prozent ausgeht (Deutschland)!
 
 Energiespeicherung und -transport
 
Die Natur hält nahezu verlustfreie Energiespeicher in Form der Energierohstoffe Kohle, Erdöl, Erdgas und Uran bereit, deren sich der Mensch nur bedienen muss. Kohle und Uran liegen in fester Form vor, Erdöl in flüssiger bis bituminöser Form, Erdgas in gasförmiger. Im weltweiten Energiehandelssystem sind es vor allem diese Primärenergierohstoffe, die zum Ort, an dem die Energie gebraucht wird, transportiert werden: Kohle und Uran per Schiff oder Eisenbahn, Erdöl per Tankschiff oder Pipeline, Erdgas per Gaspipeline oder Flüssiggastanker. Speicherung und Transport der Sekundärenergien spielen demgegenüber bei den rohstoffbasierten Energieformen eine ungleich geringere Rolle.
 
 
Wie aber werden erneuerbare Energien gespeichert und transportiert? Es gibt prinzipiell kein Energiehandelssystem, in dem die Primärenergien der Sonnenstrahlung, der Gezeiten und der Geothermie gespeichert oder transportiert werden können. Allenfalls die Regelmäßigkeit, mit der Sonnenstrahlung, Gezeiten und Geothermie von der Natur angeboten werden, gibt dem Menschen einen gewissen Speichereffekt, den er für sich nutzen muss.
 
Für die Speicherbarkeit der thermischen, elektrischen und chemischen Sekundärenergien gilt im Prinzip das Gleiche wie für die fossilen und nuklearen Energien, mit drei Besonderheiten: Die Umwandlung von Strahlung in Biomasse schafft einen Sekundärenergieträger, der fast einschränkungslos gespeichert und transportiert werden kann; die Umwandlung von Strahlung in Meereswärme sowie — im Verein mit Erdwärme — in Umgebungswärme des Bodens verstetigt das Sonnenenergieangebot. Das Meer und der Boden sind riesige Sonnenkollektoren, die im äquatorialen Gürtel jahraus, jahrein sehr beständige Meerestemperaturen von 24 Grad Celsius oder in oberflächennahen Erdschichten ebenso beständige zehn Grad Celsius bereithalten; und schließlich sorgt die Natur zwar im Einzugsgebiet von Wasserkraftwerken und Gezeitenkraftwerken für den Zustrom, aber erst die Dammbauten der Menschen sorgen für Speicherung und damit Energieumwandlung.
 
Von der Energieversorgungs- zur Energiebedarfswirtschaft
 
Bei all diesen Betrachtungen jedoch darf man sich nicht darüber täuschen, dass sich mit dem heutigen Nachfragesystem und einer zukünftigen solargestützten Energieerzeugung Systeme gegenüberstehen, die an sich nicht korrespondieren. Es wird heute wie selbstverständlich angenommen, dass jede Stromnachfrage jeder beliebigen Menge zu jeder beliebigen Zeit und Stunde gedeckt werden muss. Das aber hat zur Folge, dass das Netz einer industriellen Volkswirtschaft Strom bis zur doppelten Lieferkapazität vorhalten muss, um ja keinen auch noch so seltenen Ausfall zu riskieren. Erneuerbare Energien können dagegen nur mit einem fluktuierenden Energieangebot aufwarten, was allerdings nicht bedeutet, dass die von ihnen gespeisten zukünftigen Netze Ausfälle riskieren dürfen. Das Problem lässt sich auf zweifache Weise lösen: Man passe die Nachfrage an die spezifischen Eigenschaften der erneuerbaren Energien an und/oder man gebe den erneuerbaren Energien jederzeitige Verfügbarkeit.
 
Wieder ist die rationelle Energiewandlung und -anwendung und die Energieeffizienz der Schlüssel zur Lösung des Problems. Was nicht nachgefragt wird, braucht nicht vorgehalten, gespeichert und transportiert zu werden. Die Bedarfswirtschaft minimaler Energienachfrage ist die unabdingbare Voraussetzung für die Nutzung der erneuerbaren Energien. Was darüber hinausgeht, ist Energiemanagement, das heißt die Anpassung der Nutzer an das zeitliche und örtliche Angebot. Viele Nutzer wie Wärmepumpen, Waschmaschinen oder wärmeträge Kühleinrichtungen müssen nicht zu beliebiger Zeit an beliebigem Ort simultan betrieben werden, sie können sich — in Grenzen — nach dem Angebot richten. Die Anforderungen an intelligente Regelungen nehmen zu.
 
 
Dennoch, ohne Speicher wird es nicht gehen. Solarkollektoren brauchen den nachgeschalteten Speicher fühlbarer Wärme, solare Nahwärmenetze den saisonalen Erdspeicher. In Entwicklung befindliche Latentwärmespeicher nutzen den Phasenwechsel von fest zu flüssig und von flüssig zu fest bei konstanter Temperatur, sie nehmen die Verflüssigungswärme auf, geben die Kristallisationswärme ab und erreichen hohe Speicherdichten.
 
Neuartige Stromspeicher werden erforscht und entwickelt. Hochleistungsbatterien und kleine Schwungräder aus faserverstärkten Werkstoffen, die mit bis zu 100 000 Umdrehungen pro Minute im Vakuum laufen, muss man sich als Stromspeicher hinter hauseigenen Photovoltaikanlagen denken. Große supraleitende Magnetspeicher könnten die Rolle von Pumpspeicherkraftwerken im Flachland übernehmen. In der solaren Wasserstoffenergiewirtschaft erfüllt der elektrolytisch erzeugte chemische Energieträger Wasserstoff die Speicher- und Transportaufgaben, gasförmig in Gastanks oder Pipelines, verflüssigt in Kryospeichern oder an Bord von Tankschiffen.
 
Wie es sein könnte
 
Ein erstes fast solarautarkes Experimentalhaus wurde in Freiburg entwickelt. Es ist ein Niedrigenergiehaus, das seine Wärme passiv durch transparente Wärmedämmung und aktiv aus Sonnenkollektoren sowie seinen elektrischen Strom durch eine Photovoltaikanlage bezieht; mithilfe von Überschussstrom im Sommer wird elektrolytisch Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, die, in Lagertanks gespeichert und bei Mehrbedarf im Winter in Brennstoffzellen rekombiniert, ihre Rekombinationsenergie als Strom und Wärme wieder abgeben.
 
Wenn es auch für Fragen nach der Wirtschaftlichkeit bei weitem noch zu früh ist, zeigen solche Experimente gleichsam eine Zielmarke an, auf die sich viele Einzelschritte der Entwicklung ausrichten können.
 
Noch eine letzte Vision zum Solarenergiesystem der Zukunft, wie das Speicherproblem zu umgehen wäre: Würden solarthermische Kraftwerke in Ost-West-Richtung gleichsam wie eine Perlenschnur unter dem Sonnengang aufgereiht, könnte Stromlieferung unabhängig von der Tageszeit garantiert werden. Das am weitesten östlich gelegene Kraftwerk würde beginnen und bis zum Abend arbeiten. Wenn über ihm die Sonne unterginge, ginge sie über dem weiter westlich gelegenen auf. Die Aufgabe der Stromlieferung würde von Kraftwerk zu Kraftwerk weitergegeben, bis nach 24 Stunden das erste Kraftwerke wieder an der Reihe wäre, und der Zyklus begänne von neuem.
 
Viele der hier entwickelten Gedanken zu den erneuerbaren Energien erscheinen, gemessen am gegenwärtigen Energiesystem, unorthodox, sind aber eigentlich nur Ausdruck dafür, dass auf Dauer die Energieproduktion eben nicht auf die temporäre Speicherung von Sonnenenergie in den fossilen Energierohstoffen zurückgreifen kann, vielmehr Teil des immer währenden Kreislaufs der Entwertung und Wiederaufwertung von Energie ist. Die Geschichte aber wird zeigen: Fossile und nukleare Energierohstoffe sind der Sonderfall, Sonnenenergie, Geothermie und die Gezeiten sind die Regel.
 
Prof. Dr.-Ing. Carl-Jochen Winter
 
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
 
erneuerbare Energien: Windenergie
 
 
Erneuerbare Energien. Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, herausgegeben von Martin Kaltschmitt und Andreas Wiese. Berlin u. a. 1995.
 
Geothermie - Wärme aus der Erde. Technologie - Konzepte - Projekte, herausgegeben von Werner Bußmann u. a. Karlsruhe 1991.
 Hoffmann, Volker: Energie aus Sonne, Wind und Meer. Möglichkeiten und Grenzen der erneuerbaren Energiequellen. Leipzig u. a. 1990.
 Kaltschmitt, Martin / Fischedick, Manfred: Wind- und Solarstrom im Kraftwerksverbund. Möglichkeiten und Grenzen. Heidelberg 1995.
 
Marktführer Energie. Erneuerbare Energien - rationelle Energieverwendung, herausgegeben vom Fachinformationszentrum Karlsruhe. Heidelberg 41998.
 Napierala, Edelgard: Bildungsführer erneuerbare Energien. Ein Informationspaket. Köln 1993.
 Quaschning, Volker: Regenerative Energiesysteme. Technologie - Berechnung - Simulation. München u. a. 1998.
 Schwimann, Michael: Das Recht der Sonnen- und Windenergienutzung. Einführung in ein juristisches Neuland. Wien 1979.
 Unger, Jochem: Alternative Energietechnik. Stuttgart 21997.
 Winter, Carl-Jochen: Energie von A-Z. Lexikon rationeller Energieeinsatz - erneuerbare Energien - solarer Wasserstoff. Begriffe und Praxistips für Unternehmer und Berater. Köln 1993.
 Wokaun, Alexander: Erneuerbare Energien. Stuttgart u. a. 1999.

Universal-Lexikon. 2012.

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