Zukunft der Energie : Eine Welt voller Kraft
19.09.2010 02:00 Uhr
13 Exajoule, eine Zahl mit 18 Nullen: Dies ist die gesamte Energiemenge, die Deutschland im Jahr benötigt, um Wohnungen zu heizen, Dienstleistungen anzubieten, Produkte herzustellen sowie Waren und Menschen zu transportieren. Umgerechnet entspricht das 14 Litern Benzin oder 16 Kilogramm Kohle, die für jeden von uns jeden Tag mehr oder weniger effizient in Wärme und Elektrizität umgewandelt werden, und in Kohlendioxid – mit den bekannten Effekten auf das Klima und den Verbrauch knapper Ressourcen.
Die Erwartungen an die nachhaltigen Energiesysteme der Zukunft sind hoch. Der Verbraucher will Energie, die umweltverträglich ist.
Sie soll wirtschaftlich und bezahlbar sein. Und schließlich muss die Versorgung stets gewährleistet sein, sobald der Lichtschalter zuhause betätigt wird. So stellt auch die Bundesregierung eine „umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung“ ins Zentrum ihres aktuellen Energiekonzepts. In diesem Spannungsfeld müssen Forschung, Industrie und Politik ihre jeweiligen Rollen annehmen, wenn sie den Herausforderungen der laut Energiekonzept „tief greifenden Modernisierung der Energiewirtschaft“ im Übergang in das „Zeitalter der erneuerbaren Energien“ begegnen wollen.
Natürlich decken schon heute alternative Energien und Kernenergie einen beachtlichen Anteil dieses Energiebedarfes ohne Kohlendioxid-Emissionen. Fossile Energiequellen bleiben jedoch auch mittelfristig eine tragende Säule der Energieversorgung. Davon ausgehend können international beim Energiemix und damit beim Klimaschutz unterschiedliche Schwerpunkte gesetzt werden: China ist „Kohleland“, fördert aber auch erneuerbare Energien, die USA verbessern endlich ihre Energieeffizienz, Polen investiert in Bioenergie. Die Grundlagen und Optionen für nachhaltiges Handeln schaffen Forschung und Entwicklung.
Dabei steht Umweltverträglichkeit als Richtschnur unserer künftigen Energieversorgung mittlerweile außer Frage. Neue Techniken werden Treibhausgasemissionen vermeiden helfen. In den Laboren wird an besseren Solarzellen, Windrädern und Biogasanlagen gearbeitet; neuartige Materialien werden helfen, Kraftwerke effizienter zu machen, Kohlendioxid herauszufiltern und einer Nutzung oder geologischen Lagerung zuzuführen. Die Fusion nach dem Vorbild der Sonne kann vielleicht ab Mitte des Jahrhunderts ihren Beitrag leisten. Ebenso wird europaweit untersucht, wie die nukleare Entsorgungsfrage gelöst werden kann und ob die Kernenergie weiterhin eine verantwortbare Option für die kohlendioxidarme Grundlast bieten kann. Alle neuen oder verbesserten Energietechniken aus der Forschung müssen sich aber letztlich in das kommende Gesamtsystem der Energieversorgung eingliedern lassen.
Versorgungssicherheit ist bei jedem Energiemix das Schlüsselwort. Solar- und Windanlagen liefern nicht gleichmäßig Energie. Um sie effizient einzubinden, benötigen wir stabile, gut ausgebaute Netze, die viel Strom mit geringen Verlusten auch über sehr lange Entfernungen transportieren, sowie Gaskraftwerke, die im Bedarfsfall einspringen. Forschung und Entwicklung können erst mittelfristig Speicherkonzepte im großen Maßstab anbieten, etwa günstige Batterien, Wasserstoff in Kombination mit Brennstoffzellen oder Flüssigsalzspeicher für thermische Energie, wie sie für die großtechnische Nutzung von Wüstensonne gebraucht werden. Für technisch bereits ausgereifte Energiespeicher wie Druckluftkavernen und Wasserpumpspeicher muss die Standortfrage im gesellschaftlichen Konsens entschieden werden, wenn etwa für großflächige Speicherseen in Norwegen Täler und Wälder verschwinden sollen. Versorgungssicherheit bedeutet aber auch langfristige Verfügbarkeit der Ressourcen. Hier liegen eindeutig die Stärken von Sonne und Wind. Aber auch die Energieträger Kohle, Uran und Thorium stehen noch vielen Generationen zur Verfügung. Langfristige Verfügbarkeit ist auch das Hauptargument für die weitere langfristige Erforschung der Kernfusion.
Wirtschaftlichkeit bildet den dritten Pol des Spannungsfeldes. Am Markt müssen sich auch erneuerbare Energien bewähren und für Industrie und Verbraucher bezahlbar sein. Neue Infrastrukturen und Maßnahmen, die zu ihrer Eingliederung notwendig sind, verteuern sie zunächst. Erst im zweiten Schritt zahlen sie sich volkswirtschaftlich aus, da zum Beispiel keine Kosten für Brennstoffe anfallen. Innovative Produkte und Dienstleistungen können Exportschlager werden. Forschung und Industrie verzahnen sich hier zu einer Wertschöpfungskette, die neue Energietechniken und -prozesse schnell umsetzt und an den Markt bringt, etwa Dünnschichtphotovoltaik, Gasseparationstechnologie oder hochfeste Metalllegierungen für Turbinen und thermische Kraftwerke.
Dem Spannungsfeld der Energiebereitstellung schließt sich das Handlungsfeld der nachhaltigen Energienutzung an. Hier kommt das Verhalten des einzelnen Verbrauchers ins Spiel, wenn es darum geht, Strom zu sparen, mehr Häuser zu dämmen oder umweltfreundliche Produkte zu kaufen. Unterstützen könnten ihn intelligente Stromnetze, die die lokalen Informationen über Bedarf und Angebot an Energie großflächig miteinander verknüpfen. Auf Basis ausgefeilter Prognosen und Modelle könnten dann im Minutentakt Ressourcen optimal genutzt werden. Die Entwicklung neuer Werkstoffe verspricht, Energiebilanzen zu verbessern. Leichtbaumaterialien für Autos und Flugzeuge helfen Treibstoff sparen; neue Dämmstoffe und -verfahren ermöglichen eine Bestandssanierung ohne Einbußen an Wohnqualität oder Stadtbild. Aber auch viele Industrieprozesse könnten energieeffizienter gestaltet werden: Bei Gütern wie etwa Stahl, Zement oder den Produkten der chemischen Industrie können alternative Herstellungsverfahren und Katalysatoren zu Energie- und Kosteneinsparungen führen.
Die technologischen Optionen aus der Forschung sind hierbei Angebote an die Gesellschaft. Gestaltungsmöglichkeiten für eine nachhaltige Energieversorgung sollten offen im großen Kreis diskutiert und miteinander abgewogen werden. Da die Entwicklung von Technologien kostenintensiv ist, ist dies durch den entsprechenden Dialog zwischen Forschung, Wirtschaft, Gesellschaft und Politik zu begleiten.
Die vielfältigen Anforderungen an die Energietechnologien der Zukunft erfordern es, in der Forschung fächerübergreifend und umfassend alle Optionen zu prüfen, keine zu früh auszuschließen und neue Möglichkeiten zu eröffnen. Beispiel Werkstoffforschung: Physiker, Chemiker und Ingenieure verfolgen das gemeinsame Ziel, den Wirkungsgrad von Kohle- und Gaskraftwerken zu steigern. Sie bringen ihre Expertisen ein, um maßgeschneiderte Keramiken zu entwickeln, die Turbinen und Wärmetauscher bei noch höheren Temperaturen schützen. Bis zu zehn Prozentpunkte mehr Wirkungsgrad könnten so möglich werden. Innovative Werkstoffe sollen auch das heiße Plasma der Kernfusion nutzen helfen. Theorie, Experiment, Ingenieurwissen und Computersimulation auf Superrechnern verzahnen sich weltumspannend, um Konzepte für das technisch ambitionierte Fernziel eines wirtschaftlichen Fusionskraftwerkes zu entwickeln.
Auch um die erneuerbaren Energien stärker einzubinden, bedarf es der Werkstoffforschung. Preisgünstige, großflächige Solarzellen aus dünnem, nanostrukturiertem Silizium könnten teure Siliziumwafer verdrängen und der Photovoltaik auf dem freien Markt den Durchbruch bringen. Im zukünftigen Stromnetz sollen Batterien dank verbesserter Elektroden und Isolatoren erneuerbare Energie zwischenspeichern und die Versorgungssicherheit verbessern. Wasserstoff, klimaschonend aus dem Strom hergestellt, den etwa Windanlagen zu windreichen Zeiten im Überschuss bereitstellen, oder direkt über Photokatalyse aus Sonnenlicht, könnte als Rohstoff der chemischen Industrie zur Verfügung stehen. Mit passenden Katalyseverfahren würde er so knapper werdende Erdölderivate ersetzen und sogar Kohlendioxid wieder in den Wertstoffkreislauf bringen. Die Brennstoffzelle schließlich als komplexes Zusammenspiel metallischer, keramischer und glasartiger Werkstoffe könnte – aufgestellt in vielen Haushalten – sowohl der dezentralen Versorgung mit Strom und Wärme dienen als auch die Stromnetzstabilität unterstützen.
Daneben werden auch viele Technologien abseits der Energieforschung ihren Beitrag leisten. In der Mikroelektronik etwa könnten neuartige Transistoren aus verspanntem Silizium und nicht-flüchtige Speicher aus magnetischen Werkstoffen den Weg zum Null-Watt-PC aufstoßen. Kreative Ideen aus allen Bereichen sind gefragt, um sich den großen Herausforderungen im Bereich Energie und Klima zu stellen.
Viele Bausteine der nachhaltigen Energieversorgung der Zukunft können wir heute schon benennen, einige innovative Ideen werden noch hinzukommen. Für die optimale Balance im Energiemix kann die Gesellschaft unter den durch die Forschung bereitgestellten Optionen auswählen. Eine zu frühe Einengung würde jedoch den Entscheidungsspielraum beschneiden. Gefragt ist Kreativität: Vielfalt statt Einfalt.
