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Energiezukunft ohne fossilen Kohlenstoff

Kampf gegen den Klimawandel: Die Energiezukunft muss langfristig nur mit „Grünstrom“ gestaltet werden, der von Sonne, Wind und Wasserkraft geerntet wird. Geothermie, Wellenenergie oder Tidenhub sind regional als additive Energiequellen willkommen, sagt Dr. Ulf Bossel. (Bild: © geralt/pixabay Foto: © Ulf Bossel)

„Klimawandel bedroht Menschheit“

Das Klimaziel von 1,5°C ist bereits überschritten. Es geht also um die Gestaltung einer Energieversorgung ohne fossile Kohlenstoffe, sagt Dr. Ulf Bossel. Warum Atomstrom hier nicht die Lösung ist und wie sich die Energiezukunft mit „Grünstrom“ umsetzen lässt, erklärt der Autor in seinem Kommentar

Das wesentliche Ziel der Energiepolitik war bisher die Sicherstellung der Energieversorgung. Nun aber wird die Freisetzung des Kohlendioxids (CO2), das bei der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas entsteht, zur wesentlichsten Bedrohung der Menschheit. Mit steigendem CO2-Gehalt absorbiert die Atmosphäre immer mehr Infrarotstrahlung und heizt sich auf. Das Klimaziel von 1.5°C ist bereits überschritten. Auf die vom Menschen verursachten Veränderungen reagiert die Natur mit Unwetterkatastrophen. Wirksame Gegenmassnahmen müssen schon bald eingeleitet werden, damit die Erde bewohnbar bleibt. Es geht also um die Gestaltung einer Energieversorgung ohne fossilen Kohlenstoff. Auch Atomstrom kann nur lokal klimafreundlich sein, denn im Urankreislauf werden zwischen Erzlager und Endlager fossile Energieträger in grossen Mengen benötigt. Bereits heute werden Erze mit so niedrigem Urangehalt genutzt, dass insgesamt mit Atomstrom fast so viel CO2 freigesetzt wird wie bei der Stromerzeugung mit Erdgas.

Wegen des drohenden Klimawandels kann der fossile Kohlenstoff „Geokarbon“ nicht länger als Energiequelle dienen. Die Energiezukunft muss langfristig nur mit „Grünstrom“ gestaltet werden, der von Sonne, Wind und Wasserkraft geerntet wird. Geothermie, Wellenenergie oder Tidenhub sind regional als additive Energiequellen willkommen. Auch Biomasse aller Art, hier als „Grünzeug“ bezeichnet, wird zur sicheren Energieversorgung beitragen. Kohlenstoff, der als „Biokarbon“ bereits in der Atmosphäre zirkuliert, wird in Form von Biomethan zum stabilisierenden Energieträger, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht bläst. Das bestehende Energiesystem muss an die neue Versorgungslage angepasst werden. Die wesentlichen Veränderungen werden nun mit physikalischer Begründung dargestellt.

Falsche Hoffnungen auf CCS

Zur Schaffung einer umweltneutralen Energieversorgung soll das bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehende Klimagas CO2 permanent im Untergrund entsorgt werden. Greenpeace bezeichnet „CCS“ (Carbon Capture and Storage) zu Recht als Mogelpackung. Die CO2-Abscheidung ist machbar, aber mit grossem Aufwand verbunden. Die permanente Entsorgung der riesigen Mengen, weltweit 300 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr, ist wegen fehlender Lagerstätten nicht realisierbar. Ein einziges mit CCS gekoppeltes Kohlekraftwerk mit netto Netzleistung von 1 GW muss etwa 1.3 GW Strom produzieren, damit auch das CO2 vom Rauchgas getrennt und entsorgt werden kann. Jährlich bläst dieses Kraftwerk etwa 12 Millionen Tonnen des Klimagases in die Atmosphäre, also stündlich etwa 1400 Tonnen. Das weltweit in thermischen Kraftwerken entstehenden CO2 kann nicht für alle Zeiten sicher im Erdreich entsorgt werden. Das vom Erdgas geleerte Sleipner Field vor Norwegen soll als CO2-Deponie genutzt werden. Bereits nach wenigen Monaten wäre es mit dem CO2 eines einzigen Kohlkraftwerks gefüllt. Diese Erkenntnis wurde bereits 2009 veröffentlicht [1,2].

Wunschgedanke Wasserstoff

Die energetischen Zusammenhänge einer Wasserstoffwirtschaft sind bereits 2003 in englischer Sprache ins Netz gestellt worden [3] und seit 2009 in deutscher Fassung [4] verfügbar. Die Ergebnisse wurden im Jahr 2021 durch eine umfangreiche Analyse von Klaus Maier (5) bestätigt. Wegen der verlustreichen Wandlungsschritte einer Wasserstoffwirtschaft bietet die direkte Stromnutzung immer die bessere Lösung. Mit dem Grünstrom, der für den Betrieb eines Fahrzeugs mit Wasserstoff benötigt wird, kann man vier [3,4] oder fünf [5] gleichwertige Fahrzeuge elektrische betreiben, oder ein Haus mit Wasserstoff, drei direkt elektrisch oder neun mit Wärmepumpen beheizen. Künstlich erzeugter Wasserstoff eignet sich nicht für eine wirtschaftliche Energieerteilung. Wasserstoff kann aber bei chemischen Prozessen kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel ersetzen. Grüner Wasserstoff und die verlustreich damit erzeugten E-Fuels werden voraussichtlich keine wesentliche Rolle bei der Energieversorgung spielen.

Energie lokal ernten und rationell nutzen

Mit dem Ende der fossilen Energieträger wird die gesicherte Energieversorgung nicht mehr von der Angebotsseite, sondern vom Verbrauch her gestaltet. Bisher war die Energieversorgung eine Aufgabe der Energiewirtschaft. Bei steigendem Bedarf wird einfach mehr Kohle, Erdöl oder Erdgas verbrannt. Die Energiebereitstellung folgt dem Energiebedarf. Jetzt aber werden Endverbraucher mit PV-Anlagen auf dem Dach zu Grünstromlieferanten. Im Endbereich ist mit einer verbesserten Energieeffizienz schon heute eine lokale Energieautonomie machbar. Mit einer Verbesserung der Wärmedämmung wird der Heizwärmebedarf gesenkt und die Wohnqualität erhöht. Effiziente Elektrofahrzeuge verdrängen die Verbrenner. Die Wandlungskette zwischen Primärenergie und Nutzung wird effizienter. Grünstrom wird vor Ort „vom Hausdach“ geerntet, auf kurzem Weg geliefert und lokal verbraucht. In Zukunft werden Energiedienstleistungen nicht mehr ausschliesslich mit zentral erzeugtem Strom erbracht. Grünstrom steht auch am Ort des Bedarfs zur Verfügung. Im ländlichen Bereich ist Platz vorhanden für Photovoltaik und Windkraftanalgen, also für die autarke Versorgung mit Grünstrom.

Mit Grünstrom und Grünzeug in die Zukunft

Der grüne Weg in die Zukunft ist keinesfalls Ausdruck einer ideologischen Wunschvorstellung, sondern der physikalisch begründete Einstieg in eine CO2-freie Energieversorgung von morgen. Nach dem Ausscheiden von CCS und Wasserstoff muss der Energiebedarf mit „Grünstrom“ von Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft, mit Solarwärme oder mit „Grünzeug“ gedeckt werden, also von pflanzlichem Wachstum oder organischen Abfällen. Die biologischen Substrate werden heute vorwiegend kompostiert oder der natürlichen Verrottung ohne energetische Nutzung überlassen. Bei der Vergärung unter Luftabschluss wird der Kohlenstoff jedoch bakteriell mit Wasser (Wasserstoff) zu nützlichem Biomethan CH4 vereint. Die dabei entstehende Wärme ist im Winter willkommen. Bei beiden Verfahren wird der überirdische CO2-Kreislauf geschlossen. Die Kompostierung sollte durch Fermentierung ersetzt werden. Das erzeugte Biomethan ist ein hochwertiger Energieträger, der sich wesentlich besser für die Energiespeicherung eignet als Wasserstoff.

Aber wie muss das Energiesystem gestaltet werden, um mit Grünstrom und Grünzeug ganzjährig eine gesicherte Energieversorgung zu gewährleisten? Wie viel Energie muss kurz- mittel- und langfristig gespeicherte werden? Braucht es neue Verfahren? Mit welcher Strategie kann der Energiebedarf zu allen Jahreszeiten gesichert werden?

Biomethan statt Wasserstoff speichern

Die Energiespeicherung ist ein wesentliches Element der Energiewende. Grünstrom und Solarwärme sind nur bedingt speicherbar. Bei der Fermentierung von Grünzeug entsteht zuerst Biogas, das nach der Abtrennung von CO2 zu Biomethan veredelt wird. Dieses Methan ist gut und günstig speicherbar. Bei der langsamen bakteriellen Fermentierung entsteht Wärme. Zum Schutz der Bakterien wird die Temperatur im nutzbaren Bereich geregelt. Auch bei der technischen Vereinigung von CO2 und Wasser zu Methan („Sabatier-Prozess“) entsteht nutzbare Wärme. Die Produktion von Biomethan könnte schnell ausgebaut werden, wenn man auch die heute für eine Kompostierung gesammelte Biomasse vergären würde. Da die Vergärung exotherm verläuft, können Biogasanlagen auch im Winter betrieben werden. Die energetische Nutzung von Biomasse könnte so zum Schlüssel der Energiewende werden, wenn das im Sommer erzeugte Biomethan nicht direkt verstromt, sondern für den Winter oder „Dunkelflauten“ gespeichert würde. Diese organisatorische Erkenntnis könnte die Energiediskussion bereichern.

Aus unterschiedlichen Gründen ist die saisonale Energiespeicherung mit Biomethan sinnvoll. In einem gegebenen Volumen lässt sich bei gleichem Druck mit Biomethan dreimal mehr Energie speichern als mit Wasserstoff. Auch muss man für die Kompression von Wasserstoff achtmal mehr Energie einsetzen als für die Verdichtung von Methan. Die für Erdgas geschaffene Infrastruktur kann für Biomethan unverändert übernommen werden. Für Wasserstoff müsste parallel zum Erdgasnetz eine neue Infrastruktur geschaffen werden, weil ein gleitender Übergang von Erdgas zu Wasserstoff kaum möglich ist. Auch können Elektrolyseure nicht wirtschaftlich mit „Flatterstrom“ betrieben werden. In Fermentieranlagen arbeiten die Bakterien jedoch rund um die Uhr. Die saisonale Energiespeicherung mit Biomethan sollte ernsthaft geprüft werden.

Energiewirtschaftliche Massnahmen

Heute wird Biogas fast immer direkt verstromt. Für die konstante Stromlieferung ins Netz wird eine fest vereinbarte Einspeisevergütung gezahlt, die deutlich unter dem Preis der vom Versorger teuer eingekauften Kilowattstunde liegt. Sinnvoller als die kontinuierliche Verstromung wäre die Speicherung des Biomethans für eine bedarfsgerechte Stromlieferung zu Zeiten grosser Nachfrage und guter Vergütung. Die dezentral mit Grünstrom von Biomethan gesammelte Energie verlangt zusätzlichen Aufwand. Mit der Zwischenspeicherung von Biomethan und dessen Verstromung bei erhöhtem Strombedarfs können bessere Erlöse und Mehreinnahmen erzielt werden. Biomethan wird zur hochwertigen Energiereserve, ohne die eine zuverlässige Stromversorgung kaum machbar ist, weil Sonne und Wind nicht immer zur Verfügung stehen.

Für die Integration des mit gespeichertem Biomethan erzeugten Spitzenstroms in das bestehende Stromnetzt ist Folgendes zu bedenken. Das gesammelte „Grünzeug“ wird voraussichtlich vor Ort fermentiert, um Transportkosten zu sparen und das Biomethan wird gespeicherte und nur bei Bedarf verstromt. Bei Strombedarf sollte der Netzbetreiber deshalb die Generatoren starten können und nicht der Besitzer der Biogasanlage. Da mit dem eingespeisten Strom auch der örtliche Bedarf gedeckt wird, entfällt die Notwendigkeit für einen Netzausbau. Der Betrieb einer grösseren Zahl von dezentral platzierten Generatoren stellt jedoch lösbare organisatorische Aufgaben. Die Entwicklung führt auch für die Nutzung von Grünzeug von der zentralen Stromerzeugung in Kraftwerken zur dezentralen Erzeugung von Grünstrom.

Wunschvorstellungen

Wissenschaftliche Erkenntnisse werden häufig an wirtschaftlichen Ergebnissen gemessen, was jedoch zu keinen zwingenden Lösungen führt. Physikalische Abläufe können nicht durch wirtschaftliche Wünsche verändert werden. Nicht die Gesetze der Physik, sondern Kostenschätzungen werden so zur Messlatte für Projekte im Energiebereich. Die Lobby beindruckt den Gesetzgeber mit qualitativen Argumenten und nicht mit quantitativ erfassten Fakten. Die Politik stellt die von der Lobby (befangene „Fachleute“) geforderten Mittel zur Verfügung. Als Beispiel sei die geforderte Schaffung einer verlustreichen Wasserstoffwirtschaft genannt. Mangels des in Mitteleuropa verfügbaren Grünstroms soll der Wasserstoff in sonnenreichen Weltregionen mit dort geerntetem Solarstrom erzeugt werden und dann per Schiff nach Europa gelangen. Aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht ist dies ein nicht realisierbares Verlustgeschäft. Oder es werden Möglichkeiten für die Abscheidung und den Transport von CO2 gefördert ohne zu bedenken, dass keine Möglichkeiten für eine permanente Entsorgung des Klimagases erkennbar sind.

Die Energieversorgung kann nur gesichert und die Klimakatastrophe vermieden werden, wenn die fossilen Energieträger durch Grünstrom, Grünzeug, Solarwärme und rationelle Energienutzung ersetzt werden. Lokal können auch Geothermie, Tidenhub und dergleichen zur Energieversorgung beitragen. Die CO2-Belastung des Atomstroms wird im Laufe der Jahre weiter wachsen. Mit Atomstrom kann das CO2-Problem also weder heute noch in Zukunft gelöst werden.

Empfohlene Massnahmen

Für die aus meteorologischen Gründen notwendige saisonale Energiespeicherung wird lautstark Wasserstoff empfohlen, den man im Sommer mit überschüssigem Grünstrom erzeugen und dann für die Winternutzung speichern will. Gleichzeitig wird das im Sommer erzeugte Biomethan direkt verstromt. Wesentlich klüger wären die direkte Nutzung des Solarstroms im Sommer und die Speicherung des im Sommer erzeugten Biomethans für den Winter. Dieser Weg liefert eine gute Lösung für die Rettung des Klimas bei gleichzeitiger Sicherstellung der saisonalen Energieversorgung. Wegen der dezentralen Ernte von Grünstrom fliesst der Strom jedoch nicht nur vom Kraftwerk zum Kunden, sondern auch in umgekehrter Richtung von privaten PV-Anlagen ins zentrale Stromnetz. Dieser Weg sollte für der Zukunftsgestaltung berücksichtig werden, auch wenn er die Aufgaben der Energiewirtschaft wesentlich verändern wird.

Wo Menschen unter erträglichen Klimabedingungen leben kann auch die Energieversorgung mit Grünstrom und Grünzeug gesichert werden. Für eine Wasserstoffwirtschaft wird jedoch etwa viermal mehr Grünstrom benötigt, weil die mit viel Aufwand geerntete Energie nur mit hohen Verlusten zum Endverbraucher gelangt. Die für den Betrieb einer Wasserstoffwirtschaft benötigen Ernteflächen stehen in besiedelten Gebieten nur selten zur Verfügung. Der Import von Wasserstoff wird aus unterschiedlichen Gründen scheitern.

Die nachhaltige Energieversorgung mit Grünstrom führt zu einer effizienten, „Elektronenwirtschaft“ und nicht zu einer verlustreichen „Wasserstoffwirtschaft“. Grünzeug liefert speicherbare chemische Energieträger, die zur Stabilisierung einer vorweigend auf Grünstrom basierenden Energieversorgung zwingend benötigt werden.

Die Energiewirtschaft bezweifelt, dass sich der Energiebedarf mit Grünstrom decken lässt. Sie bezieht sich auf die heute geförderte Primärenergie, von der jedoch nur ein Bruchteil wirklich genutzt wird. Zwischen Bergwerk, Bohrturm oder Erdgasquelle und Endverbraucher gehen 70 bis 80% der geförderten Primärenergie (Kohle, Erdöl und Erdgas) für Erschiessung, Förderung, Transport, Aufbereitung und Umwandung mit Carnotmaschinen verloren. Der verbrauchsnah geerntete Grünstrom gelangt jedoch verlustarm zum Verbraucher. In Zukunft wird wesentlich weniger Energie für die im Endbereich benötigten Energiedienstleistungen benötigt. Mit gut überdachten Massnahmen kann die Energiewende vollendet werden.

Aktionsplan

Die Energiewende benötigt Zeit. Mit schlecht durchdachten Schnellschüssen geht viel Zeit verloren. Meine Überlegungen sollen die Zielsuche unterstützend begleiten. Die oben fixierten Gedanken bilden das Gerüst für die Gestaltung einer nachhaltigen Energiezukunft ohne CO2. Zur Finanzierung zielführender Projekte sollten alle Bemühungen zum Thema CCS und Wasserstoff möglichst bald eingestellt werden. Zeit und Technologie sind reif für den Aufbau einer „Elektronenwirtschaft“ auf der Basis des direkt und indirekt von der Sonne gelieferten Grünstroms und des nachwachsenden Grünzeugs.

Zusammenfassend können die folgenden Massnahmen empfohlen werden. Ersten ein beschleunigter Ausbau der Fotovoltaik und der Windkraft. Zweitens „Grünzeug“ fermentieren statt kompostieren. Drittens Biomethan speichern für die Nutzung im Winter. Viertens Einspeisevergütungen flexibel an die aktuellen Strommarktpreise koppeln. Fünftens Stromversorgung dezentralisieren und Eigenstromnutzung ermöglichen.

Literatur

[1] Ulf Bossel: Carbon Capture and Storage: Aber wohin mit dem CO2? Solarzeitalter, 3/2009, Oktober 2009
[2] Ulf Bossel: CCS: Aber wohin mit dem CO2? https://www.leibniz-institut.de/archiv/bossel_27_10_09.pdf
[3] Ulf Bossel, Baldur Eliasson and Gordon Taylor: The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak? https://www.planetforlife.com/pdffiles/h2report.pdf
[4] Ulf Bossel: Wasserstoff löst keine Energieprobleme. https://www.leibniz-institut.de/archiv/bossel_16_12_10.pdf
[5] Klaus Maier: Gutachterliche Stellungnahme zum Hessischen Wasserstoffzukunftsgesetz: https://www.stromdaten.info/wp-content/uploads/2021/10/Maier_Gutachten_Hessen-Zukunft.pdf

 

 

 

 

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Über den Autor:

Seit 1972 befasst sich Dr. Ulf Bossel mit der rationellen Energienutzung und der Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen, also mit dem, was seit 1978 als „Energiewende“ bezeichnet wird. Er ist Berater für nachhaltige Energieösungen und Ph.D. (UC Berkeley), Dipl. Masch. Ing. (ETH Zürich).

„In den vergangenen Jahrzehnten sind bei mir viele Überlegungen gereift und verworfen worden, oder sie haben sich aufgrund ihrer physikalischen Begründung gefestigt. Was ich jetzt präsentiere sind keine Wunschvorstellungen eines Neulings, sondern nachvollziehbare Erkenntnisse eines Ingenieurs mit speziellen Kenntnissen auf den Gebieten Energietechnik, Thermodynamik und Strömungsmechanik. Ich hoffe sehr, dass meine Vorstellungen auch von denen verstanden werden, die sich erst jetzt der Diskussion über unsere Energiezukunft angeschlossen haben“

Ulf Bossel

 

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