Strategie gegen die Klimakatastrophe

Basis einer CO2-freien Energieversorgung ist der von Sonne, Wind und Wasserkraft geerntete Grünstrom. Die für diesen Wandel benötigte Technik ist verfügbar. Mit bewährten Verfahren und vertretbaren Kosten können die klimabedrohenden CO2-Emissionen sofort gesenkt werden. Leider wird mit einer technologieoffenen Suche nach Ursachen und Alternativen wertvolle Zeit vergeudet. Das Problem ist erkannt und Lösungswege sind vorhanden. Die Politik sollte sofort und mit voller Kraft den Wandel von fossilen Brennstoffen zu einer auf Grünstrom basierenden „Elektronenwirtschaft“ einleiten. 

 

Neues Wendeziel: Ohne fossilen Kohlenstoff und Uran

Im Jahr 1976 wurde der Begriff „Energiewende“ mit dem Zusatz „ohne Erdöl und Uran“ geprägt. Die Ölkrise von 1973 hatte die Endlichkeit der Erdölvorräte verdeutlicht. Wegen der ungelösten Frage der Endlagerung wurde auch der Bau weiterer Kernkraftwerke abgelehnt. Ziel der Energiewende war die nachhaltige Sicherstellung der Energieversorgung. Inzwischen sind neue Erdölvorkommen erschlossen und der Kernenergie-Ausstieg beschlossen worden. Heute wird die drohende Klimakatastrophe zur treibenden Kraft der Energiewende. Das bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehende Kohlendioxid CO2 ist der wesentliche Verursacher des bereits spürbaren Klimawandels. Der Begriff „Energiewende“ muss heute mit dem Zusatz „ohne fossilen Kohlenstoff und Uran“ versehen werden. Wir müssen uns also möglichst schnell von Kohle, Erdöl, Erdgas und neuen Kernkraftträumen verabschieden. Im Folgenden wird die  Strategie für die Schaffung einer gesicherten und klimaneutralen Energieversorgung vorgestellt. Die drohende Klimaveränderung muss möglichst schnell verlangsamt werden, denn sie zu stoppen scheint nicht mehr möglich zu sein.

 

Energie mit Zukunft

Zur Auswahl steht eigentlich nur Energie aus erneuerbaren Quellen. Atomstrom kann nicht nachhaltig sein, denn die nutzbaren Uranvorräte sind endlich. Auch wird, von der Wiege bis zur Bahre gerechnet, für Bergbau, Erzaufbereitung, Urananreicherung, Bau von Kraftwerken und Entsorgungsanlagen bis hin zum Betrieb der Endlager bereits so viel fossile Energie benötigt, dass Atomstrom die spezifischen CO2-Emissionen von Gaskraftwerken fast erreicht hat. Bei weltweiter Betrachtung kann Kernenergie deshalb nicht zur Klimarettung beitragen, denn wo das Klimagas CO2 in die Luft gelangt, ist fürs Klima unerheblich. Auch verhindert der Ausbau der Atomenergie die Verwirklichung der Klimawende. Bei einem Überangebot von Grünstrom würde man die trägen Kernkraftwerke zuletzt abschalten. Grünstrom würde zum Lückenbüsser der Energiewirtschaft. Auch würden sich die Stromkosten am teuren Atomstrom orientieren und nicht am günstigen Strom aus erneuerbaren Quellen. Das sind schlechte Voraussetzungen für den Aufbau einer nachhaltig gestalteten Zukunft. 

 

CCS: unerfüllbare Wunschvorstellung

Inzwischen hat man die Bedrohung der Menschheit durch den Klimawandel erkannt, der mit dem Einsatz fossiler Brennstoffe verbunden ist. Gemäss der Devise „Carbon Capture and Storage“ (CCS) soll das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid (CO2) vom Rauchgas getrennt und für alle Ewigkeit entsorgt werden. Nur selten werden die riesigen Mengen CO2 angesprochen, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen und mit den Rauchgasen in die Atmosphäre  gelangen. Ein mit für CCS ausgestattetes Kohlekraftwerk von 1 GW Netzleistung emittiert, wenn auch der Energieaufwand für alle CCS-Prozessschritte berücksichtigt wird, jährlich fast 12 Millionen Tonnen CO2, also etwa 1‘370 Tonnen pro Stunde. Dieses Ergebniss ist bereits 2009 ins Netz gestellt worden: „CCS, aber wohin mit dem CO2?“ (https://www.leibniz-institut.de/archiv/bossel_27_10_09.pdf). Diese Analyse verdeutlicht, dass es keine Möglichkeiten gibt, das in riesigen Mengen anfallende CO2 für alle Zeiten sicher zu entsorgen. Damit werden alle unter dem Begriff CCS zusammengefassten Bemühungen zur sinnlosen Verschwendung von Zeit, Geld und Schaffenskraft.

Zur Verminderung der CO2-Emissionen wird oft ein Brennstoffwechsel empfohlen. Das bringt jedoch nur geringe Veränderungen, denn alle fossilen Brennstoffe produzieren das Treibhausgas, wenn auch in unterschiedlichen Mengen. Für Steinkohle sind dies etwa 3.40, für Heizöl 2.67 und für Erdgas 2.00 kg CO2 pro kWh Verbrennungswärme. Mit dem Wechsel von Steinkohle oder Heizöl zu Erdgas kann das Klima also nicht gerettet werden. Ein mildes Lächeln verdienen die Vorschläge, die aus Biomasse gewonnene Holzkohle zu vergraben oder anderweitig in fester Form zu entsorgen. Man müsste pro Stunde 1000 Tonnen Holz verkohlen, um den Verbrennungsprozess eines einzigen Kohlekraftwerks wieder rückgängig zu machen. Die bereits spürbare Klimaerwärmung kann nur durch ein schnelles Ende der fossilen Brennstoffe gebremst werden. Die Folgen des Klimawandels sind  bekannt. Sie werden jedoch immer noch nicht ernst genommen.

 

Wasserstoff nicht zu Ende gedacht

Auch wird Wasserstoff als sauberer Energieträger oder Medium für die saisonale Energiespeicherung empfohlen. Man plant sogar Wasserstoffimporte aus sonnenreichen Gegenden in Afrika, Australien und Arabien. Beides ist machbar, aber mit so grossem technischem und energetischem Aufwand verbunden, dass eine wirtschaftliche Umsetzung nicht erkennbar ist. Grünstrom soll als Energiequelle für die gesamt Kette dienen, also von Wasserbeschaffung und Aufbereitung über Elektrolyse, Kompression oder Verflüssigung des Wasserstoffs, Förderung durch Pipelines, auf Strassen, Schienen oder Wasser, Umfüllen und erneute Kompression. Nach der Rückverstromung mit Brennstoffzellen werden höchstens 20% des insgesamt eingesetzten Grünstroms zurückgewonnen. Bei einer direkten Nutzung des lokal geernteten Grünstroms könnten es 85% sein. Dazu kommt ein gewaltiger Aufwand für die Schaffung einer neuen Infrastruktur für Wasserstoff, denn das bestehende Erdgasnetz und die für Erdgas entwickelten Einrichtungen sind nur bedingt einsetzbar.

 

Auch verschlechtern sich die Energiebilanzen drastisch. Für den Grünstrom, der benötigt wird, um ein Fahrzeug mit Wasserstoff und Brennstoffzelle zu betreiben, kann man vier Elektromobile fahren, oder ein Gebäude mit Wasserstoff, drei direkt elektrisch und neun mit Wärmepumpe beheizen. Aus energetischen Gründen wird sich Wasserstoff im Endbereich nicht als Energieträger durchsetzen, denn er steht immer im Wettstreit mit „Grünstrom“,  seiner eigenen Energiequelle. Für den Luft- und Seeverkehr könnte das klimaneutrale Ammoniak jedoch als synthetischer Kraftstoff dienen. Wasserstoff wird nur in chemischen oder metallurgischen Anwendungen besser sein als fossile Reagenzien. Der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft kann deshalb nicht das Kernanliegen der Energiewende sein. Auch diese Erkenntnis steht bereits seit langem im Netz: seit 2003 in Englisch: „The Future of the Hydrogen Economy“ (https://www.planetforlife.com/pdffiles/h2report.pdf) und seit 2009 in Deutsch: „Wasserstoff löst keine Energieprobleme“ (https://www.leibniz-institut.de/archiv/bossel_16_12_10.pdf).

 

Energiespeicherung

Ohne Stromspeicherung wäre auch die heutige Stromversorgung nicht perfekt. Der in Kraftwerken erzeugte Nachtstrom wird in Pumpspeicherwerken, Nachtspeicherheizung oder Warmwasserboilern in Form von potentieller Energie oder Wärme gespeichert. Diese Speichermöglichkeiten stehen in Zukunft nicht nur für Nachtstrom bereit, sondern auch zu allen Tagesstunden, wenn Grünstrom in Überfluss verfügbar ist. Die Sonne scheint aber nur am Tag und im Sommer mehr als im Winter. Auch bläst der Wind nicht immer, aber besonders oft und stark, wenn die Sonne nicht scheint. Wasserkraftwerke können nicht immer bei voller Leistung betrieben werden und Bioenergie wächst nur im Sommer. Die Energiewende verlangt deshalb ein flexibles Management von Angebot und Nachfrage mit Hilfe von Energiespeichern, mit denen der Energiebedarf kurz-, mittel- und langfristig geglättet werden kann.

 

Kurzzeitspeicher sind heute bereits in vielen Haushaltsgeräten eingebaut. Die Batterien werden nach Gebrauch in Zukunft mit Grünstrom geladen, wenn dieser gerade zur Verfügung steht. Hauseigene Solarstromspeicher lassen sich zur Not auch mit kleinen Generatoren nachladen, die mit Biomethan betrieben werden. Längeren Strommangelzeiten („Dunkelflauten“) verlangen mittelfristige Speicherlösungen. Für die saisonale Sicherstellung der Stromversorgung wird man jedoch die im Sommer geerntete Bioenergie im Winter nutzen. Netzentkoppelte Wohngebiete können mit kleinen Blockheizanlagen mit Strom und Wärme versorgt werden.

 

Die in Form von Biomasse geerntete chemische Energie kann als Brennholz, Bioalkohol oder Biomethan problemlos und ohne zeitliche Begrenzung gelagert werden. Bioenergie ist also prädestiniert für die Energieversorgung im Winter. Die technischen Voraussetzungen dafür sind vorhanden: Brennholzlager, Gasbehälter für Biogas und Tanks für Methanol. Die für Erdgas geschaffene Infrastruktur kann auch für Biomethan genutzt werden. Das Fassungsvermögen der mit Biogasanlagen gekoppelten Gasspeicher müsste jedoch vergrössert werden. Gute Einspeisetarife machen die saisonale Speicherung von Biogas attraktiv. Im Winter verdient man mit der Verstromung von Biogas mehr Geld als im Sommer, wenn Solarstrom im Überfluss angeboten wird. Mit einer bedarfsorientierten Einspeisevergütung würde die heute übliche direkte Verstromung von Biogas beendet. Die im Sommer geerntete Bioenergie wird zum Stützpfeiler der winterlichen Energieversorgung.  

 

Auch Solarwärme ist ein Sommerprodukt, das vorweigend zur lokalen Aufheizung von Brauchwasser genutzt wird. Vereinzelt sind bereits kommunale Grossspeicher in Betrieb, die im Sommer aufgeheizt werden und im Winter Heizwärme an angeschlossene Gebäude liefern. Der Aufwand für solche Grosswärmespeicher ist erheblich, aber offenbar wirtschaftlich zu rechtfertigen, wenn sich viele Abnehmer in Reichweite des Wärmespeichers befinden.

 

Neu hinzu kommen stationäre oder in Fahrzeugen installiert Batteriespeicher. Diese Speicher wird man in Zukunft auch tagsüber mit überschüssigem „Flatterstrom“ füllen. Auch die Batterien von Elektroautos können das Netz stabilisieren, wenn diese bei Stromüberschuss aufgeladen werden. Der Einsatz von Stromspeichern ist bereits heute wirtschaftlich lohnend.

 

Der im Sommer mit PV-Anlagen geerntete Grünstrom lässt sich kaum direkt unter wirtschaftlichen Bedingungen für den Winter speichern. Riesige Batterieanlagen müssten für einen einzigen Betriebszyklus pro Jahr geschaffen werden. Für die winterliche Stromversorgung müssen andere Wege beschritten werden. Neben der bereits erwähnten Winternutzung der im Sommer geernteten Bioenergie wird man die winterliche Stromernte ausbauen müssen. Dies führt zu einer verstärkten Nutzung von Windenergie, zur Belegung südorientierter Fassaden mit PV-Paneelen oder zu PV-Feldern in sonnenreichen Regionen der Alpen. Ferner sollte der winterliche Strombedarf durch geeignete Massnahmen deutlich gesenkt werden. Vor dem Austausch von Heizkesseln durch elektrische Wärmepumpen sollten Gebäude energetisch saniert werden, damit die Stromversorgung im Winter nicht zum Problem wird.

 

Bürokratische Hindernisse abbauen, technische und organisatorische Massnahmen

Betriebswirtschaftliche Erwägungen sprechen bereits heute zu Gunsten von Grünstrom. Die Energiewende könnte jedoch mit staatlicher Unterstützung beschleunigt werden. Dafür sollten zuerst bürokratische Hindernisse abgebaut werden, die heute den Wechsel zu erneuerbaren Energiequellen erschweren. Viele Regelungen für den Stromfluss vom Kraftwerk zum Kunden müssen überdacht werden, denn in Zukunft wird Strom auch in umgekehrter Richtung vom Endkunden ins öffentliche Netz fliessen. Die Stromkonzerne werden diesen Wandel bei der Festlegung von technischen und organisatorischen Massnahmen berücksichtigen müssen.

 

Zwischenbilanz

Europaweit setzt die Energie- und Klimapolitik auf Wasserstoff und CCS. Beide Wege führen nicht zu einer nachhaltigen Gestaltung der Energiezukunft. Mit der aufwändigen Wasserstoffstrategie und allen Bemühungen zur Dekarbonisierung werden die Probleme nur teilweise gelöst. Man versucht, die im 19. Jahrhundert entwickelte Technik mit sauberen Brennstoffen zu erhalten und verkennt, dass diese mit Grünstrom hergestellt werden, den man auch viel günstiger direkt verteilen kann. Die Klimawende muss sich an der Physik einer nachhaltigen Zukunft orientieren und mit Grünstrom und Energieeffizienz gestaltet werden. Mit diesem Wandel sollten wir uns beschäftigen, nicht mit zeitlich begrenzten Alternativen im Energiebereich. Mit Wasserstoff und CCS kann die Politik ihre Entscheidungsbereitschaft bekunden, aber keine nachhaltigen Lösungswege anbieten.

 

Elektronenwirtschaft   

Heute ist die Elektrizitätswirtschaft ein kommerzieller Akteur im freien Markt. Strom wird in zentralen Kraftwerken erzeugt, über Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze verteilt, dafür mehrfach transformiert bis er endlich vom Endverbraucher genutzt werden kann. Strom fliesst also nur in einer Richtung von oben nach unten. Alles wird nach kommerziellen Gesichtspunkten zentral geregelt. Der Endverbraucher muss nehmen was kommt. Er darf den Strom nicht selber erzeugen, denn mit dem Anschlussvertrag wird auch die Stromabnahme gesichert.

Mit der Photovoltaik entsteht eine neue Struktur in der Energiewelt. Strom wird dezentral vom Verbraucher geerntet und bedarfsgerecht genutzt. Überschüsse werden ins Netz gespeist und fliessen in umgekehrter Richtung zum zentralen Verteiler und von dort zu anderen Verbrauchern. Der Netzbetrieb stellt neue Aufgaben. Für den von Sonne und Wind geernteten „Flatterstrom“ müssen technische und organisatorische Änderung vorgenommen werden. Man befindet sich in einem Umbruch, der nicht zu stoppen ist. Weil die dezentrale Stromernte inzwischen günstiger ist als die Stromerzeugung in zentralen Kraftwerken, wird sich der Markt dynamisch entwickeln. Die Stromversorgung der Zukunft wird nach physikalischen Prinzipien teilweise auch von unten nach oben gestaltet und nicht mehr ausschliesslich nach kommerziellen Präferenzen vom Kraftwerk zum Verbraucher. Zu erwarten ist ein Wandel von einer kaufmännisch motivierten Elektrizitätswirtschaft zu einer physikalisch begründeten „Elektronenwirtschaft“.  

 

Empfehlungen an Politik und Wirtschaft

Zuerst einmal sollte die Politik begreifen, dass die verbrauchernahe Stromernte im Endbereich zu einem wesentlichen Element der gesicherten Stromversorgung wird. Strom kann mit Solar- und Windkraftanlagen zu Land kostengünstiger geerntet werden als vor nördlichen Küsten. Mit den Anlagen auf dem Festland wird zuerst einmal der örtliche Strombedarf gedeckt. Die günstigere inländische Ernte von Grünstrom wird deshalb rasant steigen. Die Technik dafür ist kommerziell verfügbar und die Flächen sind vorhanden. Oft aber behindern administrative Regelungen den zügigen Ausbau der inländischen Stromernte.

 

Da der nachhaltig geerntete Grünstrom als „Flatterstrom“ zur Verfügung steht, müssen Batterien für die direkte Stromspeicherung oder thermische Speicher für die mit Grünstrom erzeugen Wärme eingesetzt werden. Die Speicherbeladung sollte netzgesteuert immer dann erfolgen, wenn zu viel Grünstrom angeboten wird. Dezentrale Energiespeicher könnten automatisch mit „Flatterstrom“ gefüllt werden, wenn eine geeignete Ladetechnik installiert ist. Speicher mit intelligenten Ladereglern sollten im Endbereich der Stromnutzung zum Standard elektrischer Installationen werden.

 

Da es keine Möglichkeiten für eine sichere und permanente Entsorgung von CO2 gibt, sollte man alle CCS-Vorhaben beenden. Das Gleiche gilt auch für viele Wasserstoffprojekte. Grüner Wasserstoff wird nur als CO2-freises Reduktionsmittel in der chemischen Industrie benötigt, wo er fossile Reagenzien wie Erdgas, Erdöl oder Kohle ersetzt. Die Aufheizung der chemischen Reaktoren sollte jedoch mit Grünstrom erfolgen. Als Energieträger wird sich grüner Wasserstoff nicht durchsetzen, denn er steht bei allen energetischen Anwendungen immer im wirtschaftlichen Wettstreit mit Grünstrom,  seiner eigenen Basisenergie. Als Grünstrom kann diese auf direktem Weg über bestehende Leitungen wesentlich günstiger zum Verbraucher gelangen, als mit dem mit grossem Energieaufwand künstlich erzeugten Zwischenträger Wasserstoff, für den ein neues Verteilungsnetz gebaut werden müsste.

 

Die Energiewende führt zu einer effizienten „Elektronenwirtschaft“. Die Politik sollte diesen Weg erkennen und ohne Wenn und Aber als Ziel definieren, sowie alle notwendigen Veränderungen und die dazu passende Massnahmen beschliessen, um die notwendige Wende zielgerichtet zu vollenden. Angesichts des drohenden Klimawandels, dessen Auswirkungen uns die immer häufiger auftretenden Unwetterkatastrophen verdeutlichen, wird der Wechsel von fossilen Brennstoffen zu Grünstrom zur wichtigsten Aufgabe der Energiepolitik. Die physikalisch denkende Fachwelt hat die Probleme erkannt und bietet Lösungen an. Die von der Politik geforderte technologieoffene Behandlung der Energiewende verdeutlicht jedoch, dass sich die politischen Instanzen noch nicht vertieft mit den physikalischen Fragen der Energiewende befasst haben.

 

---

*Autor: Ulf Bossel, Ph.D. (UC Berkeley), Dipl. Masch. Ing. ETHZ, Berater für nachhaltige Energielösungen, ubossel@bluewin.ch