Die Energieversorgung der Zukunft - Ideen

These: Die direkte Nutzung regenerativ gewonnenen Stroms stellt die effizienteste Nutzung dar. Wo immer möglich, sollte eine Elektrifizierung vor anderen Möglichkeiten stehen. Erst da, wo Strom langfristig gespeichert werden muß oder eine direkte Elektrifizierung nicht sinnvoll ist, können andere Technologien ihren Beitrag leisten.

Vor allem in den hoch entwickelten Ländern stehen die Industrie, der Verkehr und die Energieversorger vor einer gewaltigen Aufgabe. Nachdem mittlerweile nur noch eine verschwindende Minderheit der Wissenschaft den Menschen-gemachten Klimawandel bezweifeln, sind weltweit Programme aufgelegt worden, den Ausstoß von CO2 (und Methan) zu reduzieren.

Gerade die Energiegewinnung (Strom, Wärme) kann hier einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung leisten. Und während Wärmeenergie aus nicht regenerativen Quellen nicht so einfach zu ersetzen ist, existieren für den elektrischen Strom bereits tragfähige und erprobte Konzepte. Doch auch ganz neue Ideen sind auf dem Weg, Alternativen zu Wind- und Solarenergie zu sein.

Besonders schwer zu dekarbonisieren sind die energieintensiven Bereiche Eisen- und Stahl, Aluminium, die Chemie mit ihrem Bedarf an Prozesswärme, Zement und Kalk (Freisetzung von CO2 auch durch die Rohstoffe) sowie der Warenverkehr auf Strasse, in der Luft und zu Wasser.

Auf dem Weg zu einer regenerativen Energieversorgung nicht aus den Augen lassen darf man, dass jährlich zwischen 60-70 Milliarden Euro an ausländische Lieferanten von Energieträgern gezahlt wird (Erdgas, Erdöl). Ein Teil dieses Geldes durch die Entwicklung optimierter regenerativer Energiegewinnung einzusparen kann eine höheren Beitrag zur Kostensenkung leisten wie staatliche Förderprogamme.

Eines muß man sich allerdings für Deutschland auch bewusst machen: der vielgepriesene Solar- und Windstrom macht am gesamten Bruttoenergieverbrauch Deutschlands (Primärenergiebedarf) nur 6,9% (2019) aus. Denn der elektrische Strom selbst schlägt nur mit etwa einem Fünftel des gesamten Energiebedarfs zu Buche (Stichwort Wärme, Verkehr). Den Bereich der Prozessenergie der Industrie, Wärmeproduktion und den Energiebedarf des Verkehrs zu elektrifizieren würde daher die Möglichkeiten der regenerativen Energiegewinnung in Deutschland sehr deutlich überschreiten.

2019 lag weltweit gesehen der Anteil der Wasserkraft an den Erneuerbaren Energien (EE) bei ca. 55-60% (je nach Quelle). Das zeigt, wie sehr in anderen Ländern die Wasserkraft zum Anteil der regenerativen Energie beitragen. China ist dabei mir seinen Mega-Staudämmen führend (China führt auch mit weitem Abstand bei Wind und Solar - allerdings nur, wenn man diesen Energieertrag nicht auf "pro Kopf" umrechnet). In Deutschland trägt die Biomasse mit rund 50% zur Gesamtenergieerzeugung (Strom, Wärme, Verkehr) bei den EE bei.

Greenhouse-Gase weltweit und erforderliche Massnahmen global

Die Daten stammen von dem World Ressource Institute (www.wri.org), Stand August 2021

Aufteilung nach Bereich (neben CO₂ ist hierbei auch Methan berücksichtigt)

02.2022: Um die Begrenzung der Erderwärmung auf 1,5°C bis 2030 sicher zu stellen, müssten

• 6x schneller die erneuerbaren Energien ausgebaut werden
• 22x schneller die E-Fahrzeug-Zulassungen steigern
• 5x schneller die Kultivierung von CO2 Senken (Wald) erfolgen
• 5x schneller aus der Kohle ausgestiegen werden
• 8x schneller Low-Carbon Treibstoffe eingesetzt werden
• 1,5x schneller die Umstellung der Industrie auf Elektrizität erfolgen

Der Überfall auf die Ukraine hat ab dem 24.2.2022 vieles verändert, was vorher als Plan und Ziel Richtung "Grüne Energie und Kreislaufwirtschaft" in Deutschland, USA und der EU vorhanden war. Es ist die Tragik der Zeit, dass nun wieder zahllose Ressourcen dafür verwendet werden, sich gegenseitig durch Waffenbedrohung in Schach zu halten, statt vermehrt auf Zusammenarbeit zu setzen.

Ist der Wirkungsgrad bei den Erneuerbaren Energien wirklich wichtig?

 Die Effizienz bei der Erzeugung, Speicherung und Nutzung von erneuerbaren Energien ist ein wichtiges Thema, das in der Debatte  um die Energiewende immer wieder diskutiert wird. Dabei wird oft  argumentiert, dass die Effizienz von erneuerbaren Energien im Vergleich  zu fossilen Brennstoffen geringer ist. Die oft sehr schlechte  Energiebilanz bei der Erzeugung und Nutzung von erneuerbaren Energien  wird dabei ins Verhältnis gesetzt zu der Nutzung von Erdgas und Erdöl.  Doch ist dieser Vergleich überhaupt der richtige?                                    

Bei der Gewinnung von Biomasse aus landwirtschaftlichen Flächen werden Ressourcen verbraucht und Treibhausgase emittiert. Bei der Photovoltaik- und Windkrafterzeugung gibt es ebenfalls Flächenverluste und die Umwandlung von Sonnen- und Windenergie in elektrische Energie  hat einen begrenzten Wirkungsgrad. Auch bei der Energiespeicherung in  Form von z.B. Wasserstoff, Ammoniak oder Synfuels reduziert sich der  energetisch nutzbare Anteil im Vergleich zu der für die Herstellung  notwendigen Energiemenge - die Liste an "Nachteilen" regenerativer  Energiegewinnung lässt sich noch deutlich verlängern.                                    

Diese Effizienzverluste werden oft als Argument angeführt, dass  regenerativ gewonnene Energien eine Nischenanwendung bleiben werden. Was dabei allerdings nicht bedacht wird, sind die Umweltfolgen der  Verbrennung fossiler Brennstoffe, die nicht in der Effizienzrechnung  enthalten sind.                                    

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden große Mengen CO2 freigesetzt. CO2 ist ein Treibhausgas, das zur globalen Erwärmung  beiträgt. Die Auswirkungen der globalen Erwärmung sind bereits heute  deutlich spürbar und werden sich in Zukunft noch verschärfen.                                    

• Anstieg des Meeresspiegels, häufigere Überschwemmungen von Küstenregionen und Verlust an bewohnbarer Landfläche
• Versauerung der Ozeane, Korallensterben, geringere Funktion als CO2-Senke
• Verlust von Lebensräumen und Artensterben durch Dürren, Starkregen usw.
• Veränderungen in der Landwirtschaft, die zu Ertragsrückgängen und Preissteigerungen führen können
• Gesundheitliche Probleme, die durch Hitze, Luftverschmutzung und andere Folgen des Klimawandels verursacht werden können                                    

Eine Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Herstellung und Nutzung von erneuerbaren Energien ist unbestritten wichtig, aber sie ist nicht das entscheidende Kriterium für die Bewertung dieser  Energieträger. Entscheidend ist, dass erneuerbare Energien CO2-frei sind und damit einen Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels leisten. Oder  mit anderen Worten: die Effizienzverluste bei der Nutzung erneuerbarer Energien sind im Vergleich zu den Umweltfolgen der fortwährenden Verbrennung fossiler Brennstoffe vernachlässigbar. Angesichts der globalen Erwärmung ist es nicht zielführend, den Fokus in Diskussionen ausschließlich auf den Wirkungsgrad der Produktions- und Nutzungskette  von erneuerbaren Energien zu legen.                                    

Vielmehr sollte der Fokus generell auf den Ausbau erneuerbarer  Energien gelegt werden. Dies ist der einzige Weg, um die  Energieversorgung auf eine nachhaltige Basis zu stellen und die  CO2-Emissionen langfristig zu senken.                                    

Im Rahmen dieser Entwicklung wird auch die Nutzungseffizienz bei den regenerativ erzeugten und genutzten Energieträgern/-speichern durch technische Neuentwicklungen sukzessive steigen.

Exkurs: Die Effizienz der Umwandlung von Sonnenenergie in Pflanzenmasse geschieht mit einem Wirkungsgrad von 1-2%. Erst durch die  geologisch verursachte „Aufkonzentration“ dieses miserablen Wirkungsgrades zu Erdgas, Erdöl oder Kohle können heute überhaupt Energiemaschinen mit vergleichsweise hoher Effizienz die vor Jahrmillionen eingespeicherte Sonnenergie nutzen. Allerdings haben wir nicht nochmals Jahrmillionen Zeit!                                    

Etwas schlecht zu reden, weil es einen geringeren Wirkungsgrad hat wie eine etablierte Methode, geht im Fall der menschgemachten Klimaentwicklung am eigentlichen Problem weit vorbei. Es lässt den Eindruck entstehen, es gäbe eine Alternative. Als ob ein „Weiter so“ mit fossilen Energieträgern wegen des hohen Wirkungsgrades möglich wäre.

Infosplitter

Invinity Energy Systems plc - Solaranlagen, Redox-Flow
Schunk, Lauffen Redox-Flow

Verbio - Europas größter Bioethanol-Hersteller

EnviTec - Biogas-Anlagen

ETIP-Bioenergy: Europäische Plattform für Biotechnik

-> 2019 gab es 6559 aktive Kohlekraftwerke, die für rund 30% des weltweiten energie-bedingten CO2 Ausstoßes verantwortlich sind 

ALFEN - Stromversorger, Ladestationen EV

Aixtron - Anlagenhersteller für Halbleiter

Carbon Capture and Storage (CCS)

• Climeworks (Dtld, Pilotanlage auf Island)
• Global Thermostat (USA)

Energiebedarf Deutschland

Daten beruhen auf ca. 2020:

• 2.500 TWh Gesamtenergiebedarf
• 500 TWh davon elektrische Energie (ca. 45% regenerativ gewonnen)
• 1.400 TWh Wärmeenergie (ca. 15% regenerativ gewonnen)

Wie leicht erkennbar ist der größere Energiebedarfs-Anteil Wärme (Heizen, Prozesswärme). Dieser Bereich wird zur Zeit noch kaum durch regenerativ gewonnene Energie abgedeckt. Da Wärme in vielen Fällen zu einem bestimmten Zeitpunkt oder kontinuierlich benötigt wird, kann regenerativ gewonnener elektrischer Strom nur bedingt genutzt werden, da er fluktuiert. Ein Speichermedium muß Dunkelphasen überbrücken.

Biomasse als regenerativer Energieträger

Neben Wind und Solar trägt der "Energieträger Biomasse" zu einem großen Teil zu der regenerativ gewonnenen Energie bei (nur Strom 2020: Wind 132 Mrd. kWh, Solar 49 Mrd. kWh, Biomasse 51 Mrd. kWh, Wasserkraft 18 Mrd. kWh).
Für den Wärmebereich trug Biomasse, maßgeblich Holz in seinen unterschiedlichen Formen, mit 117 Mrd. kWh bei. Mit flüssige Biobrennstoffe (Bioethanol) wurden etwa 3,2 Mrd. kWh und mit Biogas (Bio-Methan) rund 20 Mrd. kWh Wärme- und Kälteenergie erzeugt.
Im Verkehrssektor lag bei den regenerativen Energien mit 30 Mrd. kWh Biodiesel vor Bioethanol (8 Mrd. kWh) Biomethan spielt im Verkehrssektor eine verschwindende Rolle. Für den Bereich der Elektromobilität wurde rund die Hälfte (5 Mrd kWh) des Strombedarfs regenerativ erzeugt.

Der Anteil der erneuerbaren Energie für die Wärmegewinnung stagniert seit Jahren bei etwa 15% des Gesamtbedarfs. Im Bereich Strom steigt er seit 2010 (17%) kontinuierlich (45% in 2020). Auch im Verkehr verharrte der Anteil lange bei etwa 5% (Biodiesel) und steigt erst seit 2019 langsam an (2020: 7,5%; Aufschwung der E-Mobilität).

02/2021

Spannungsversorgung der Zukunft

Der Wettstreit der Spannungsarten DC und AC zwischen Nicola Tesla und Westinghouse war über fast 150 Jahre entschieden: Wechselspannung hat unter anderem den Charme, sehr leicht transformiert werden zu können.

Doch viele Quellen regenerativen Stroms erzeugen Gleichspannung und sehr viele Geräte werden mit Gleichspannung betrieben. Es liegt also nahe, in Zukunft auch ein Gleichspannungsnetz zu unterhalten - nicht nur gebäudeweit, sondern auch in Quartieren oder sogar ganzen Regionen.

Eines der vielen Projekt, das sich um diese Thematik kümmert, ist das Projekt "DC-Industrie 2" (https://dc-industrie.zvei.org/)

Dabei fliesst mit ein, dass sich elektrische Isolationsmaterialien unter Gleichspannungsbelastung durchaus deutlich anders verhalten wie bei Wechselspannungsbelastung. Siehe auch Stichwort "Elektrochemische Migration".

Projektvorstellung:
https://www.youtube.com/watch?v=PvBBuhfl6fw&t=5s
(Juni 2021)

Auszug aus der BDI-Stellungnahme zu dem Klimaschutzgesetz 2021

Zwar liegt der Anteil Deutschlands in der globalen CO2-Bilanz bei gerade einmal knapp zwei Prozent. Doch führt die Rolle als Innovationsführer immer auch zu Verantwortung. Unternehmen wollen die globale Nachfrage nach pragmatischen und profitablen Technologien bedienen und einen Beitrag zur weltweiten Emissionsreduktion leisten. Konkret gilt das etwa als Leitanbieter beim Aufbau eines globalen Wasserstoffmarktes.

(Quelle: BDI „Klimaziele durch mehr Rationalität und Planbarkeit erreichen“ vom 14.07.2021)