HINTERGRUND

Alternative Energiequellen – aus der Natur lernen und für die Natur produzieren.

Mittlerweile besteht weltweit Übereinstimmung, dass es mit dem Klimawandel so nicht weitergehen kann. Treibhausgase wie CO2 und Methan müssen zukünftig vermieden werden.
In der Politik wird häufig der Begriff
klimaneutral verwendet. Die Natur hat dafür ein Verfahren entwickelt, das wir Photosynthese nennen. Durch Sonneneinstrahlung, Wasser und CO2 können Pflanzen wachsen und Energie speichern. Diese sogenannte Biomasse kann nun wiederum in speziellen Kraftwerken (Biomassekraftwerke) in Strom und/oder Wärme umgewandelt werden. Von Menschen entwickelte Verfahren produzieren dagegen direkt Strom. Dazu zählen Solaranlagen (Photovoltaik), Windräder oder Staudämme. Der erzeugte Strom aus Sonne, Wind und Wasserkraft muss nun bis zum Verbraucher transportiert werden, in der Regel über Hochspannungsleitungen.

Ob ein Gerät tatsächlich klimaneutral ist, hängt vom gesamten CO2-Ausstoß ab einschließlich Herstellung, Betrieb und Entsorgung. Zunächst muss das Gerät also erst einmal so viel CO2 einsparen, wie dessen Herstellung und Transport zum Verbraucher verursacht hat. Außerdem spielt die Art der Energiegewinnung eine wichtige Rolle. Mit Strom aus Kohle- und Gaskraftwerken kann kein elektronisches Gerät klimaneutral sein. 

Stromerzeugung und Stromverbrauch schwanken je nach Tageszeit und Wetter. Außerdem ist nicht jeder Verbraucher an ein leistungsstarkes Stromnetz angeschlossen, beispielsweise wenn er unterwegs ist (Elektromobilität). Also muss Strom gespeichert werden. Das ist die größte Herausforderung, wenn wir unser Klima schützen und gleichzeitig auf Atomenergie verzichten wollen. 

Für die Stromspeicherung existieren verschiedene Verfahren. Lithiumbatterien sind mittlerweile weit verbreitet und finden sich in fast allen Geräten unseres täglichen Gebrauchs wie Handys, Laptops oder Gartengeräten. Auch E-Autos nutzen diese Form der Stromspeicherung. Vorteil ist der geringe Energieverlust bei Speicherung und Abgabe von Strom. Der sogenannte Wirkungsgrad bezeichnet, wieviel Energie am Ende noch verfügbar und nicht ungenutzt verloren geht. Für Lithiumbatterien liegt der Wirkungsgrad bei etwa 90%. Lediglich 10% der Energie gehen während eines Ladezyklus verloren. Nachteil der Lithiumbatterien sind aber lange Ladezeiten, verhältnismäßig geringe Speicherkapazitäten und eine aufwendige Herstellung mit entsprechend hohen Anschaffungskosten. Die Herstellung von Lithium-Akkus produziert geschätzte 150 bis 200 kg CO2 / kWh. In der Gesamtbilanz (Herstellung/Entsorgung und Fahrbetrieb) sind E-Autos gegenwärtig 25% umweltfreundlicher. Erst bis 2050 wird die Klimabilanz der E-Autos deutlich günstiger sein ( geschätzt 75%).

ENERGIE SPEICHERN

Den Klimawandel können wir nur mit einer effizienten Energiespeicherung aufhalten.

Was wäre nun eine Alternative zur CO2-intensiven Produktion von E-Autos? Hier bieten sich zum Einen Wasserstoff-Autos an. Die Hersteller Hyundai und Toyota sind auf diesem Gebiet federführend. Wasserstoff kann durch Strom (sogenannte Hydrolyse) oder durch Biomasse produziert werden. Durch eine sogenannten Brennstoffzelle wird der Strom im Fahrzeug wieder freigesetzt. Zum Anderen können bereits heute ältere Fahrzeuge auf Erdgas (überwiegend Methan) umgestellt werden.

Bei Erdgasautos oder Erdgasheizungen wird das Methan verbrannt und belastet die Umwelt nicht direkt. Bei dieser Verbrennung tritt aber wiederum CO2 aus. Anders sieht es aus, wenn Methan künstlich produziert wird. In diesem Fall wird das freigesetzte CO2 vorher aus der Luft gebunden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Methanisierung. Methan kann mit hohem Energieaufwand hergestellt werden (z.B. auch aus Wasserstoff) und später in einer Brennstoffzelle Strom oder in einer Heizung Wärme erzeugen. Darüberhinaus können synthetische Treibstoffe hergestellt werden ( GtL-Verfahren, Gas-to-Liquid). Wird für die Methanisierung Ökostrom verwendet, ist die Stromspeicherung klimaneutral, also ohne CO2-Belastung der Umwelt (PtG, Power-to-Gas).

Der Wirkungsgrad von Stromspeicherung durch Wasserstoff und Methan liegt unter 50%. Der größte Teil an Energie geht also verloren. Dieses Prinzip von „Power to Gas“ ist daher nur dann sinnvoll, wenn große Mengen an Energie anfallen. Beispiel ist die Speicherung überschüssig produzierten Stroms aus Windkraft- oder Solaranlagen. Ganz so einfach wie es häufig dargestellt wird, ist das Prinzip „Power to Gas“ aber auch nicht. Das betrifft insbesondere Wasserstoff. Wasserstoff-Gas ist hochexplosiv, daher auch der historische Name „Knallgas“. Die Lagerung von Wasserstoff benötigt ausserdem viel Energie und spezielle Behälter, damit die winzigen Moleküle nicht austreten (diffundieren) können. Helfen könnten hier neu entwickelte Verfahren, bei dem Wasserstoff z.B. an ein spezielles Öl gebunden wird. Das würde den Transport und die Lagerung von Wasserstoff deutlich vereinfachen.

Im Vergleich zu Wasserstoff wäre eine Energiespeicherung durch Methan erheblich einfacher. So könnte „Öko-Methan“ in die bestehende Infrastruktur (Erdgasleitungen) eingespeist und bereits heute an den Endverbraucher geliefert werden, beispielsweise zum Heizen. Auch zahlreiche Tankstellen verfügen bereits heute über Erdgas-Zapfsäulen. Gleiches gilt für synthetische Kraftstoffe. Diese wären ohne spezielle Infrastrukturmaßnahmen umgehend einsetzbar. GtL-Diesel-Kraftstoffe sind bereits auf dem Markt und deutlich emissionsärmer als herkömmlicher Diesel. Bislang wird GtL-Diesel aus konventionellem Erdgas gewonnen. Technisch wäre eine Herstellung aus „Öko-Methan“ aber bereits jetzt möglich.

Die Verfahren „Power to Gas“ und „Gas to Liquid“ erfordern große Mengen an Energie. Der Überschuss an erneuerbaren Energien (EE) in Deutschland ist gegenwärtig zu gering, um damit effiziente PtG-Projekte zu betreiben ( Übersicht Umweltbundesamt). Zukünftig müssten Wasserstoff und/oder Methan durch Photovoltaik (Solaranlagen) oder Windkrafträder in Regionen mit intensiver Sonneneinstrahlung oder permanenten Winden produziert werden. Dafür bieten sich auch wirtschaftlich schwache Regionen und Entwicklungsländer an. Die alternative Energiegewinnung könnte hier neue Perspektiven schaffen, gepaart mit einer nachhaltigen Verbesserung der weltweiten Klimabilanz. Mit lokalen Projekten und der gegenwärtigen Technologie kann die Energiewende nicht gelingen. Der Klimaschutz ist eine globale Herausforderung und erfordert Technologieoffenheit sowie intensive Forschungsprojekte.


AUSBLICK

Die Energiewende kann nur mit Verstand und Innovationen funktionieren

Für eine zeitnahe Umsetzung der Energiewende ist erhebliche Kreativität gefordert. In den nächsten Jahren werden wir bereits eine entscheidende Schwelle erreichen, die Erwärmung des Weltklimas um 1.5°C gegenüber der vorindustriellen Zeit. Die Konsequenzen spüren wir bereits jetzt. Daher sind klimaneutrale Konzepte auch nicht ausreichend. Aus wissenschaftlicher Sicht ist das Vorgehen klar definiert. Die Atmosphäre muss „dekarbonisiert“ werden, also CO2 wie auch immer zurückgespeichert werden. Auf jeden Neubau in Deutschland eine Solaranlage, wie die Günen vorschlagen, ist teuer, ineffizient und ideenlos. Dafür ist die Sonneneinstrahlung in unseren Breitengraden viel zu gering. Nach aktuellen Schätzungen werden wir 2021 in Deutschland den höchsten Anstieg an CO2-Emissionen seit 1990 haben. Eine der Gründe sind die ungünstigen Wetterverhältnisse. Wenn die Erwärmung des Weltklimas jemals aufgehalten werden soll, dann nur im Rahmen einer globalen Kooperation. Insellösungen sind hier nicht wirklich hilfreich. Außerdem kann eine Dekarbonisierung nicht durch Batterien erreicht werden. Also führt kein Weg an einer Energie- bzw. CO2-Speicherung über flüssige oder feste synthetische Speichermedien vorbei, d.h. über synthetische Kraftstoffe. Der Wirkungsgrad, also der begleitende Energieverlust ist bei dieser Speicherform aber derart groß, dass die Verfahren nur unter extremen Wetterbedingungen wie permanenten Winden oder intensiver Sonneneinstrahlung effizient sind.

Kurzfristige Lösungen müssen bestehenden Technologien und die vorhandene Infrastruktur nutzen. Alles andere ist unrealistisch. Für mittel- und langfristige Lösungen sollte parallel in die biochemische und physikalische Grundlagenforschung investiert werden. Die Natur hat durch die Evolution über Jahrmillionen diverse Lösungsansätze entwickelt. Sogenannte „extremophile“ Oranismen überleben auch unter härtesten Umweltbedingungen und können beispielsweise Methan (Erdgas) aus CO2 herstellen ( Methanbildner). Bakterien dieser Gattung überleben bei Temperaturen bis 110°C und kommen in gängigen Biogasanlagen zum Einsatz. Innovative Weiterentwicklungen sind bereits marktreif. In der Schweiz und in Dänemark liefern erste Bakterien-Bioreaktoren Methan aus Solarstrom. Aber auch aus der Pflanzenwelt gibt es einfache und hilfreiche Ansätze. Die Photosynthese ist nichts anderes als eine Bio-Solaranlage, nur dass sie statt Strom zu produzieren CO2 in Biomasse umwandelt. Aus dieser Biomasse können dann wiederum synthetische Kraftstoffe hergestellt werden. Schnell wachsende Pflanzen wie Miscanthus (Schilfgewächs) sind beispielsweise als Festbrennstoffe gut geeignet. Ein Hektar (100 x 100 Meter) einfaches Ackerland reichen aus, um jährlich 8.000 Liter Heizöl zu ersetzen.

Geht es so weiter wie jetzt, wird sich das Weltklima schnell um 2°C erwärmen mit entsprechenden katastrophalen Konsequenzen. Zeitnahe Lösungen sind gefordert. Weiter so wird nicht funktionieren. Eine effiziente Klimapolitik muss sich dabei auf zwei Säulen stützen: Diplomatie und eine Kooperation von Wissenschaft und Industrie. Die Politik kann und muss die Voraussetzungen schaffen und die Prozesse steuern. Das ist eine Jahrhundertaufgabe, die nicht mit provinziellen Konzepten wie Solaranlagen auf dem Dach von Neubauten, Verboten von Kurzstreckenflügen oder massiven Steuererhöhungen gelöst wird. Forschungsprojekte sollten sich darauf konzentrieren, die Energiegewinnung und insbesbesondere die Energiespeicherung aus Solar- und Windkraft zu optimieren. Möglicherweise könnten hier natürliche Prozesse in Form von Biokatalysatoren als Vorbild dienen und zu einer höheren Effizienz führen. Ohne derartige Projekte können wir die Erwärmung des Weltklimas nicht aufhalten. Die FDP ist sich der Bedeutung des Klimawandels bewußt und steht für innovative Lösungen und nicht für Verbote.