Energiewende
2. Die Energiezukunft in Deutschland aus Sicht Anfang des Jahres 2020
2.1 Zusammenhänge beim Klimawandel
Der Kohlenstoff ( C ) ist ein Chemisches Element. Er kommt auf der Erde in reiner Form beispielsweise in Graphit und chemisch gebunden in Gesteinen wie Kalkstein, Gasen wie CO2, aber auch in Kohle, Erdöl und Erdgas vor. Der überwiegende Anteil ist in Kalkstein gebunden.
Weniger als ein Prozent des auf der Erde vorhandenen Kohlenstoffs befindet sich in der Atmosphäre in Form von CO2 . Zwischen dem Kohlenstoff in der Atmosphäre und in der Erdkruste besteht ein bestimmtes Verhältnis und ein ständiger Kreislauf. In diesem Kreislauf wird der Atmosphäre ständig CO2, u. a. durch Assimilation, entnommen und durch Prozesse , wie Verbrennung, wieder zugeführt.
In der erdgeschichtlichen Entwicklung war dieses Verhältnis stetig Schwankungen, z. B. infolge übermäßiger vulkanischer Aktivität, unterlegen. Da der CO2 Gehalt in der Atmosphäre maßgeblichen Anteil auf das Erdklima ausübt, entstanden Kaltphasen (Eiszeit) und Warmphasen.
Erdgeschichtlich bewegen wir uns gegenwärtig in einer aufsteigenden Warmphase. Neben den natürlichen CO2 Emissionen des ständigen Kohlenstoffkreislaufs verursacht der Mensch seit der Industrialisierung zusätzliche CO2 Emissionen. Diese betragen etwa 3 % der natürlichen CO2 Emission.
Dies ist vergleichsweise ein geringer Anteil, aber er verändert zusätzlich das seit langem bestehende Gleichgewicht des Verhältnisses von Kohlenstoff in der Atmosphäre zur Erdkruste.
Ein altes Sprichwort sagt: „Ein steter Tropfen höhlt den Stein“.
Somit trägt der Anteil von jährlich 3% langfristig dazu bei, das gegenwärtige Klima zu verändern.
Im geringeren Maße tragen weitere, durch den Menschen verursachte Gase, wie Methan, zur Klimaerwärmung bei.
Deutschland hat an dem weltweiten 3 prozentigen vom Menschen verursachten Teil der CO2 Emissionen einen Anteil von ca. 2 %.
2.2 Senkung der CO2 Emissionen
Alle folgenden Betrachtungen beziehen sich auf den vom Menschen verursachten Teil der CO2 Emissionen.
2.2.1 Klimaneutral
Im Zusammenhang mit der Senkung der CO2 Emissionen wird durch die Politiker gerne der Begriff „klimaneutral“ verwendet.
Jeder versteht etwas anderes darunter. Gerne wird er auf die Erzeugung der Elektroenergie (Strom) beschränkt. Diese verursacht nur etwa 21% der CO2 Emissionen. Dazu in den folgenden Punkten mehr.
Neutral ist nur etwas, wenn Zu- und Entnahme eines Stoffes, in diesem Fall von CO2, Null ist.
Weltweit entstehen die CO2 Emissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, wie Kohle, Holz, Erdöl, Erdgas sowie daraus gewonnenen Stoffen, wie Benzin.
Eine Entnahme von CO2 durch den Menschen, kann durch zusätzliche Aufforstung sowie durch Verpressung von CO2 im Erdreich erreicht werden.
Eine zusätzliche Aufforstung ist sinnvoll, wenn es gelingt, das dadurch entstandene Holz dauerhaft zu speichern. Eine Lösung ist nicht in Sicht.
Die CO2 Verflüssigung und anschließende Verpressung im Erdreich ist technisch unausgereift und nur geringfügig auf Grund fehlender Volumina möglich.
Beide Varianten brächten keine nennenswerte Entlastung.
Da somit eine dauerhafte Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre durch den Menschen nur geringfügig möglich ist, muss die Zuführung von CO2 gegen Null gehen.
Klimaneutralität könnte nur erreicht, wenn eine Verbrennung fossiler Brennstoffe nicht mehr stattfindet.
2.2.2 Beschluss der Europäischen Union 2019
Die EU will als erster Kontinent bis 2050 klimaneutral werden. Darauf einigten sich die EU-Regierungen Anfang Dezember 2019 nach langen Verhandlungen in Brüssel. Dies ist ein ehrgeiziges Ziel, wobei wohl mehr der Wunsch Vater des Beschlusses gewesen ist, um die teilweise aufgeputschte Klimadebatte zu befrieden. Eine technische Lösung ist jedenfalls nicht vorgegeben.
Selbst, wenn es gelänge, würde die weltweite CO2 Emission kaum beeinflusst werden. In den heute vorherrschenden Wirtschaftssystemen der Gewinnoptimierung, würden die fossilen Brennstoffe an anderer Stelle verbrannt werden.
Eine mögliche Lösung kann nur weltweit gefunden werden und ist dringend angeraten.
2.2.3 Zahlen und Fakten
So sehr ich mir eine zeitnahe Umsetzung der Klimaneutralität für Deutschland bzw. der Welt wünsche, so muss man doch deren Realisierbarkeit nüchtern betrachten. Unbedachte Forderungen, wie die sofortige Abschaltung von Kohlekraftwerken, und Verbote helfen da nicht weiter.
Betrachten wir die beiden Diagramme ist erkennbar, wo Deutschland heute (Jan 2020) steht.
Durch Politiker und Presse wird suggeriert, der Anteil der regenerativen Energieträger läge bei 40 %. Das mag gegenwärtig in etwa für die Elektroenergie (Strom) zutreffen. Beim Primärenergieverbrauch sind es 14%. Die Windkraft hat davon gerade mal einen Anteil von 3%.
Primärenergieverbrauch 2018 in DEUTSCHLAND (13 106 x1015 J oder 3640,6 x109 kWh)
Bild 1
Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB), Stand: August 2019, Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat)
Endenergieverbrauch Deutschland 2018 nach Strom, Wärme und Verkehr 2473 TWh
Bild 2
Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB), Stand: Oktober 2019, Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat)
2.2.4 Ablösung der fossilen Primärenergieträger
Der Primärenergieverbrauch in Deutschland wird sich stetig steigern.
Alleine durch die zukünftige Digitalisierung, Informations- und Kommunikationstechnik, einschließlich Produktion und Betrieb dieser, wird sich eine nicht zu unterschätzende Steigerung ergeben. Dem gegenüber stehen nicht ausgleichende Senkungen wie weitere, bessere Wärmedämmung sowie Verbesserungen von Wirkungsgraden.
Um Klimaneutralität zu erreichen, muss letztendlich, wie in Punkt 2.2.1 dargelegt, die Verbrennung fossiler Brennstoffe gegen Null gehen. Die fossilen Brennstoffe müssen durch regenerative Energieträger ersetzt werden.
Schaut man sich die Eckpunkte für das Klimaschutzprogramm 2030 an, sind hier wiederum neben bescheidenen, konkreten finanziellen Fördermaßnahmen und Einführung einer CO2 Steuer nur stolze Ziele formuliert.
Bis 2022 soll die Kernenergie stillgelegt werden. Um diese klimaneutral auszugleichen, müsste beispielsweise die Windenergie gegenüber dem heutigen Stand bis 2022 innerhalb von zwei Jahren verdreifacht werden.
Kaum vorstellbar!
Die Lücke wird aller Voraussicht nach mit fossilem Erdgas bzw. Kohle geschlossen werden.
2020 soll mit der Abschaltung von Braunkohlekraftwerken begonnen werden und bis 2038 sollen alle Kohlekraftwerke abgeschaltet sein. Darüber hinaus soll noch der Mineralölverbrauch während dieser Zeitspanne deutlich gesenkt werden.
Um diese Ziele klimaneutral zu erreichen, müsste die Windenergie gegenüber heute ein 15-Faches betragen.
Woher soll die klimaneutrale Energie kommen?
Regenerative Energie kommt in der Natur im umfangreichen Maße vor. Diese der Natur zu entnehmen und zu speichern ist die Herausforderung und gleichzeitig das Problem.
2.2.4.1 Biomasse und Biokraftstoffe
Stoffe bzw. Stoffgemische, die biologischen Ursprungs sind und die energetisch genutzt werden können, werden als Biomasse bezeichnet. Hierzu zählen Holz, landwirtschaftliche Produkte, wie Mais, Zuckerrüben oder Raps, Klärschlamm, Bioabfälle und andere. Sie erzeugen CO2 Emissionen, haben diese bei der Entstehung zuvor der Atmosphäre entnommen. Biokraftstoffe sind letztendlich ebenfalls der Biomasse zuzurechnen.
Sie konkurrieren mit der Nahrungsmittelproduktion und der zusätzlichen Aufforstung. Die Nahrungsmittelproduktion soll zunehmend ökologisch gestaltet werden. Nicht außer acht zu lassen, ist der Erhalt einer gewissen Biomasse in den Böden. Bei anderen Nutzungsarten, wie Energiegewinnung, kommt es jedoch oft zur Unterbrechung von Nährstoffkreisläufen. Energiegewinnung aus Biomasse und ökologische Landwirtschaft stehen sich antagonistisch gegenüber.
Mit 7,3% am Primärenergieeinsatz hat Biomasse zur Zeit den größten Anteil
an der regenerativen Energie. Sie hat den Vorteil des zielgerichteten Einsatzes.
Hinsichtlich der aufgeführten Zusammenhänge ist der Einsatz von Biomasse als Primärenergie bestenfalls auf 12% bis 15% gegenüber des heutigen Primärenergieeinsatzes zu steigern.
Der Zukauf von Futtermittel aus dem Ausland, wie er in Deutschland bereits jetzt praktiziert wird, trägt keinesfalls zur Verbesserung der weltweiten CO2 Bilanz bei.
2.2.4.2 Windenergie und Fotovoltaik
Windenergie und Fotovoltaik liefern elektrischen Strom. Elektroenergie (Strom) ist am Gesamtenergieverbrauch nur mit 21,3% beteiligt.
Elektroenergie muss zum Zeitpunkt der Erzeugung verbraucht werden. Elektroenergie aus Windenergie und Fotovoltaik steht unkontinuierlich zur Verfügung und ist somit nicht grundlastfähig. Sie benötigt nebenher stets Reserveleistungen in Höhe der benötigten Gesamtleistung, da die Leistung aus Windenergie und Fotovoltaik, wie es mehrmals im Jahr vorkommt, gegen 0 geht. Die Elektroenergieleistung beträgt in Deutschland zur Zeit etwa 80 GW. Die benötigte Elektroenergieleistung wird um ein Vielfaches ansteigen, wenn 2050 der Gesamtenergieverbrauch klimaneutral sein soll.
Woher kommt dann die Reserveleistung?
Wasserkraft, Energiespeicher und Biomasse werden nur geringfügig dazu beitragen können.
Es verbleiben fossile Energieträger; können wir es uns überhaupt leisten, alle Kohlekraftwerke zu liquidieren?
Wie viel Windräder finden in Deutschland noch Akzeptanz?
Ich halte eine Verdreifachung des aktuellen Zustandes, einerseits durch neue Standorte und andererseits mittels Ersatz alter Anlagen durch Windräder mit größerer Leistung, für möglich.
Bei der Fotovoltaik könnte eine Vervierfachung realistisch sein.
Je mehr Windkraft und Sonnenstrom, je größer wird die Diskrepanz zwischen Überproduktion und Nullproduktion.
Wie die Erfahrung der letzten Jahre gezeigt hat, stehen im Jahresdurchschnitt nur etwa 15% der installierten Leistung beider Verfahren zur Verfügung.
2.2.4.4 Solartechnik und Geothermie
Beiden steht ein riesiges Reservoir zur Verfügung. Eine großtechnische Nutzung ist nicht in Aussicht. Zur Zeit sind sie mit etwa 0,3% am Primärenergieeinsatz beteiligt.
2.2.4.5 Energiespeicher
Energie kann als potentielle Energie in dem Masse auf ein höheres Niveau befördert wird, thermisch als Wärmespeicher, chemisch in Form von Wasserstoff sowie Methan und in Batterien gespeichert werden.
Sie werden benötigt, um die Überschussproduktion aus Windenergie und Fotovoltaik sowie die Solarenergie zu speichern und somit die Reserveleistung der Elektroenergie zu erbringen.
Keiner dieser Speicher ist bei Wegfall der fossilen Energieträger in der Lage weder leistungsmäßig noch mengenmäßig die Sonnenlücke bzw. Windflaute auszugleichen.
Ein Pumpspeicherwerk
bringt Wasser mittels Elektroenergie in einen höher gelegenen See. Bei Bedarf wird der See geleert und treibt Generatoren an. Die Generatorgröße bestimmt die Leistung. Die Energiemenge ist von der Größe des Sees abhängig. Die gegenwärtige Leistung der Pumpspeicherwerke in Deutschland beträgt 0,98 GW. Dem gegenüber steht für Elektroenergie, die nur 21% der Primärenergieträger beinhaltet, eine benötigte Leistung von 80 GW gegenüber. Es ist unschwer erkennbar, es ist technisch nicht möglich.
Thermische Wärmespeicher
werden zur Speicherung der Solarenergie benötigt. In großtechnischer Nutzung könnte ein Teil der Wärme klimaneutral ersetzt werden, wenn man der Natur diese Menge entnehmen könnte.
In 1.000.000 m3 Wasser können etwa 60 GWh gespeichert werden. Benötigt würden idealerweise 700.000 GWh für Raumwärme und Warmwasser.
Ergo, auch nicht!
Wasserstoff
soll es richten. Der Wasserstoff soll aus der Überproduktion von Windenergie und Sonnenstrom hergestellt werden.
Die Wasserstoffmoleküle (H2) sind extrem klein, so dass diese herkömmliche Werkstoffe durchdringen und Stahl nach kurzer Zeit spröde werden lassen. Wasserstoff muss mit einem Druck von 700 bar im Tank gefüllt werden, damit die benötigte Menge eingelagert werden kann. Wasserstoff entweicht an den Ventilen und Dichtungen. Der hohe Druck führt zu Festigkeitsproblemen bei größeren Tankanlagen.
Diese Eigenschaften würden einer Verteilung auf ein flächendeckendes Tanksystem entgegen wirken.
Mit technischem und hohem Energieaufwand kann Wasserstoff in flüssiger Form unter – 252 Grad Celsius gelagert werden.
Wasserstoff wird mittels Fotosynthese aus Elektroenergie und Wasser hergestellt. Dabei entsteht technisch bedingt ein Energieverlust von etwa 70%.
Keine guten Voraussetzungen mit der Brennstoffzelle den PKW und LKW-Verkehr klimaneutral zu gestalten.
Als klimaneutrale Lösung für die Prozesswärme ist Wasserstoff eher vorstellbar.
Aus Wasserstoff kann mit zusätzlichen Energieverlusten synthetischer Kraftstoff oder Methan hergestellt werden.
Batterien,
genauer Akkus bzw. wieder aufladbare Batterien, wären zur Speicherung der Überproduktion relativ verlustfrei.
Ein Batteriesatz kann heute bis zu 80 kWh speichern. 1.000.000 Batteriesätze würden 80 GWh speichern können. Abgesehen von den immensen Kosten würde diese Menge gerade 1 Stunde den gegenwärtigen Elektroenergiebedarf ausgleichen. Hinzu kämen noch die weitaus größeren Bereiche, die bei Wegfall der fossilen Energieträger, je nach Möglichkeit ebenfalls mit Elektroenergie versorgt werden müssten.
Ein Mix
aus allen löst das Problem ebenfalls nicht, denn es könnten jeweils nur Bruchteile des Erforderlichen gespeichert werden.
Es stellt sich die Frage, ob die Überproduktion überhaupt ausreicht, um die Lücke zu füllen.
Mit den von mir im Punkt 2.2.4 angenommen Steigerungen der regenerativen Energieträger mit Sicherheit nicht.
2.2.5 Prognose 2050
für Deutschland Ich habe mir erlaubt für das Jahr 2050 unter Zugrundelegung der hier getätigten Darlegungen eine Prognose zu erstellen. Dabei setze ich gegenüber heute einen unveränderten Primärenergieverbrauch voraus. Das Diagramm stellt lediglich eine Mengenbetrachtung dar. Die Leistungssicherung für den Teil der Elektroenergie (Strom) wird dabei nicht behandelt. Diese ist ohne fossile Brennstoffe, wie in 2.2.4.5 beschrieben, nicht gegeben.
2050 soll klimaneutral sein, deshalb tauchen im Diagramm Bild 3 keine fossilen Brennstoffe mehr auf. Dabei habe ich die Geothermie, die die Raumwärme erbringen könnte, großzügig angenommen.
Prognose Primärenergieverbrauch 2050
Bild 3 Quelle: Eigene
Ernüchterung stellt sich ein.
Selbst, wenn sich einige dieser Annahmen noch weiter steigern ließen, die Versorgungslücke ist zu groß.
Woher soll die Energie kommen?
www.meine-infos.de