Energiekonzept

Da das gegenwärtige Energiesystem nur für einen relativ kurzen Zeitraum möglich ist, der sich dem unausweichlichen Ende entgegenneigt, und zudem starke negative Umweltwirkungen hervorruft, stellt sich die Frage nach einer sicheren, dauerhaften und umweltverträglichen Energieversorgung. Eine solche soll hier skizziert und quantifiziert werden. Da Deutschland im weltweiten Vergleich eher schlechte Voraussetzungen für die Nutzung Erneuerbarer Energien hat (hohe Bevölkerungsdichte, hoher Energieverbrauch, eher flach, stark bewölkt und nördlich), soll hier beispielhaft gezeigt werden, wie eine Vollversorgung mit Erneuerbaren Energien dennoch möglich ist. Szenarien mit weniger als 100% erneuerbar für alle Energiebereiche (nicht bloß Strom) oder hohem Verbrauch von Biomasse sind dagegen unverantwortlich,  unzureichend und unbrauchbar.

Jetzige Situation

Pro Person und Jahr werden in Deutschland etwa 45 MWh Primärenergie verbraucht (über 5 kW Dauerleistung). Dies setzt sich zusammen aus

Wärme17 MWh/Person/Jahr, davon 8,5 für Heizung, 1,5 für Warmwasser und 7 für industrielle Prozeßwärme, über 90% fossil

Verkehr: 9 MWh/Person/Jahr für Personen- und Gütertransport, hauptsächlich Auto, über 95% fossil

Strom6,5 MWh/Person/Jahr hauptsächlich für Industrie, Elektrogeräte, Kühlung und Beleuchtung, 85% fossil/atomar, daher kommen nochmal 12 MWh/Person/Jahr Umwandlungsverluste hinzu, die nicht genutzt werden.

Die notwendige Energie wird größtenteils fossil gedeckt. Damit ist auch die Speicherung abgedeckt, da die Brennstoffe sowieso schon Energiespeicher sind.

Zukünftiger Bedarf

Da dieser hohe Energieverbrauch kaum nachhaltig zu decken ist, muß er reduziert werden. Bei einem weiterhin mindestens so hohen Lebensstandard wäre ein Szenario für den zunkünfigen Bedarf etwa

Wärme7 MWh/Person/Jahr, davon 2 für Heizung, 1 für Warmwasser und 4 für industrielle Prozeßwärme. Die Einsparung bei der Heizenergie kann mittels Wärmedämmung und Lüftung mit Wärmerückgewinnung erreicht werden, bei Warmwasser mit wassersparenden Duschköpfen (und potentiell noch mehr mit Abwasserwärmerückgewinnung), bei Prozeßwärme durch bessere Effizienz und die Verlegung besonders wärmeintensiver Industrien in Gegenden, die gut für konzentrierende Solarthermie geeignet sind.

Verkehr: 2 MWh/Person/Jahr. Ein Wechsel des Antriebs vom Verbrennungs- zum Elektromotor spart schon allein aufgrund des Wirkungsgrades die Hälfte der Energie ein. Ein weitgehender Umstieg vom Auto zu Fahrrad und öffentlichen Verkehrsmitteln, die Ausstattung der restlichen Autos mit Elektromotoren und ein regionalerer Konsum kann leicht eine genügende Einsparung erbringen.

Strom (für Industrie und Geräte):  5 MWh/Person/Jahr. Eine stärkere Effizienzsteigerung (bspw. bei Beleuchtung) wird wahrscheinlich durch eine stärkere Nutzung von Elektrogeräten ausgeglichen, daher hier nur eine geringe Einsparung.

Deckung des Bedarfs

In diesem Szenario wird der Bedarf vollständig mittels Strom aus Photovoltaik und Windrädern gedeckt, die jeweils die Hälfte beitragen, und Wärmepumpen nutzen die doppelte Umgebungswärme der eingesetzten Strommenge. Die gesamte Energieerzeugung und -speicherung erfolgt regional, so daß ein hoher Grad an Unabhängigkeit und Versorgungssicherheit gewährleistet ist.

Photovoltaik5 MWh/Person/Jahr. Dafür werden etwa 30 m2  Modulfläche pro Person benötigt. Das ist lediglich etwa 10% der versiegelten Fläche. Mit weniger Autos kann die versiegelte Fläche stark abnehmen, was ökologisch sehr positiv wäre, doch ist auch dann genug Potenzial vorhanden. Sollten Dachflächen nicht ausreichen, kann man auch Straßen und Wege teilüberdachen. Selbst eine Teilüberdachung von Wiesen könnte noch genug Licht für die Pflanzen durchlassen.

Wind:  5 MWh/Person/Jahr. Dafür wird ein 2,5-MW-Windrad (mit windbedingter Durchschnittsleistung von 17%) für 750 Personen benötigt, insgesamt in Deutschland etwa 100.000 solcher Windräder. Bei 3 Windrädern pro km2 müssten etwa 10% der land- und forstwirtschaftlichen Fläche Deutschlands mit Windparks bedeckt werden, was deren sonstige Nutzung jedoch nicht behindert. Diese Windparks sollten gut verteilt und sinnvollerweise an eher windreichen Standorten aufgestellt werden, etwa Küstengebieten und Höhenzügen.

Speicher:  Da diese Stromerzeugung vollständig vom wetter- und jahreszeitbedingtem Angebot abhängt, das nicht zum zeitlichen Verlauf des Stromverbrauchs passt, ist eine Speicherung der Energie notwendig. Schwankungen im Tagesverlauf können durch eine entsprechend gesteuerte Nachfrage ausgeglichen werden (bei Kühlung, Wärmepumpen und dem Laden von Akkus). Wetterbedingte Schwankungen können sehr effizient mit Pumpspeicherwerken ausgeglichen werden, sowie mit (adiabatischen) Druckluftspeichern. Pumpspeicherwerke erfordern Wasserreservoire in unterschiedlichen Höhen, sie können nicht nur im Gebirge (wo die Standorte in Deutschland nicht ausreichen), sondern auch mit wenig Erdbewegungen in ehemaligen Berg- und Tagebaustrukturen errichtet werden. Saisonal bedingte Schwankungen können chemisch gespeichert werden, etwa in Form von Wasserstoff oder Methan (siehe auch Sterner et al. 2010). Der Wirkungsgrad für die Stromspeicherung ist dabei allerdings ziemlich gering, grob können zwei Drittel des Stroms in Gas gespeichert werden, davon etwa die Hälfte wieder in Strom verwandelt werden. Die Abwärme kann jedoch auch genutzt werden, wenn die Anlagen dezentral bei großen Wärmeverbrauchern errichtet werden.

Simulation: Eine Berechnung von Energieerzeugung, -verbrauch und -speicherung im durchschnittlichen Jahresverlauf ergibt (in kWh/Person)

Monat
(Jahr)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Stromerzeugung Wind 5000 570 478 490 358 288 295 298 298 390 448 543 545
Stromerzeugung PV 5000 172 295 340 553 706 617 596 562 504 332 194 128
Strombedarf 8494 830 795 717 654 652 649 649 649 649 651 762 837
Differenz Stromerzeugung/-bedarf
1504 -88 -22 113 256 341 263 245 211 245 129 -25 -164
Gaserzeugung 604 -175 -45 75 171 227 175 163 141 163 86 -50 -327

Die Stromerzeugung aus Wind und Sonne schwankt nicht nur wetterabhängig, was hier (vereinfacht angenommen) durch kurzfristige Speicher wie Pumpspeicherwerke vollständig ausgeglichen wird, sondern auch saisonal. Dabei ist es günstig, daß Wind und Sonne meist entgegengesetzt schwanken (Flaute bei Sonne und Wind bei Wolken, mehr Sonne im Sommer und mehr Wind im Winter). Da die Sonneneinstrahlung jedoch stärker saisonal schwankt und zudem im Winter mehr Strom benötigt wird, um die Heizungs-Wärmepumpen anzutreiben, wird die Differenz durch Elektrolyseanlagen zur Produktion wasserstoffhaltigen Gases (z.B. Methan) und kleinen Gaskraftwerken beglichen: Mit dem Stromüberschuß wird Gas erzeugt (wenn die kurzfristigen Speicher voll sind), bei zu wenig Wind- und Solarstrom dient dieses Gas der zusätzlichen Stromerzeugung. Was übrig bleibt, kann im Verkehrsbereich eingesetzt werden, wobei hier angenommen wird, daß 1,5 MWh/Person/Jahr Strom und 0,5 MWh/Person/Jahr Treibstoffe benötigt werden. Vor allem Schiffe und Flugzeuge brauchen Treibstoffe (auch wenn sie Wind und Sonne soweit wie möglich nutzen), sowie Autos für lange Strecken. 0,1 MWh/Person/Jahr Gas dienen noch als Reserve (für wind- und sonnenarme Jahre). Der Wärmebedarf wird durch Wärmepumpen und die Abwärme des Gasspeichersystems gedeckt.

Sonstige Energieerzeugung: Neben Photovoltaik und Windkraft können einige weitere Energiequellen genutzt werden, deren Potenzial jedoch nicht so hoch ist. Die Wasserkraft erzeugt bereits 17% des Stromes weltweit (damit mehr als die Kernkraft), jedoch meist mit großen Staudämmen, die negative ökologische Auswirkungen haben, und für die in Deutschland das Potenzial ausgeschöpft ist (3% Anteil an der Stromerzeugung). Kleine Laufwasserkraftwerke und Strömungskraftwerke (Strom-Bojen) in Flüssen und im Meer können die Stromerzeugung gut ergänzen. Geothermie kann sowohl Strom als auch direkt Wärme liefern, ist jedoch wegen der Bohrungen sehr aufwändig (teuer). Biomasse steht in Konkurrenz zu Natur und Nahrung, und speichert die Sonnenenergie mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad (siehe unten).

Zeitliche Entwicklung

Der Übergang vom fossilen zu einem regenerativen Energiesystem könnte folgendermaßen gelingen, wobei an allen vier Bereichen gleichzeitig gearbeitet werden muß:

Energieerzeugung: Ein starker Ausbau von Wind- und Photovoltaikanlagen ist nötig. Ein gutes Mittel dafür ist eine garantierte und attraktive Einspeisevergütung für Wind- und Solarstrom, die Investitionen nach sich zieht. Alternativ (oder ergänzend) könnte es auch ein direktes staatliches Investitionsprogramm geben, was den Vorteil hätte, daß die Anlagen öffentliches Eigentum sind und der Gewinn nicht in privaten Händen verschwindet. Wichtig ist in jedem Fall, daß der erzeugte Strom garantiert abgenommen wird und die Netze dafür entsprechend umgebaut werden. Zu letzterem müssen die Netzbetreiber verpflichtet werden, die wegen der großen Bedeutung für die Versorgungssicherheit am besten verstaatlicht werden.

Energieeinsparung: Effizientere Elektrogeräte und Industrieprozesse sind ein wichtiger Beitrag. Viel wichtiger jedoch ist der Umbau des Verkehrssystems und die energetische Sanierung des Gebäudebestands. Eine starke Förderung von Fahrrad und öffentlichem Nah- und Fernverkehr ist nötig, bei gleichzeitiger Behinderung des motorisierten Individualverkehrs (bspw. durch deutlich höhere Kfz- und Treibstoff-Steuern). Ebenso müssen Investitionen in Wärmedämmung gefördert werden, während die Steuern auf schlecht gedämmte Gebäude (und die Heizkosten) steigen.

Speicher: Ein variabler Strompreis, der vom Angebot abhängt und über smart grids vermittelt wird, kann für eine teilweise Anpassung des Verbrauchs an die Stromproduktion im Tagesverlauf sorgen. Betreiber von Pumpspeicherwerken verdienen ihr Geld heute schon an der Strombörse, d.h. der Strompreis variiert mit Angebot und Nachfrage, und Preisschwankungen können von Stromspeichern oder Spitzenlastkraftwerken ausgenutzt (und damit verringert) werden. Ähnlich könnte Gas in Zeiten sehr billigen Stroms erzeugt werden und in Zeiten teuren Stroms verbraucht werden. Eine Strombörse allein reicht jedoch nicht aus, damit genügend Stromspeicher gebaut werden, vielmehr müssen diese auch direkt zur Sicherstellung der Versorgungssicherheit staatlich gefördert/gebaut werden, zumindest am Anfang.

Verdrängung der alten Energien:  Die Verdrängung der konventionellen Stromerzeugung, die der Ausbau der Erneuerbaren Energien bewirkt, muß gegen den erbitterten und äußerst finanzstarken Widerstand der Stromkonzerne durchgesetzt werden, die die Netze kontrollieren und mit ihren Großkraftwerken auch weiterhin viel Geld verdienen wollen. Ähnlich gibt es im Verkehrsbereich mit den Auto- und Ölkonzernen sehr mächtige Akteure, die einen Rückgang der Autonutzung zu verhindern suchen. Politker müssen sich unter dem Druck der Öffentlichkeit der Lobbyarbeit widersetzen und gemeinsam mit den Verbrauchern die Energiewende durchsetzen. Einer hohen Steuer auf Schadstoffe und Flächennutzung kann die Suventionierung des neuen Energiesystems entgegenstehen. Die regenerative Stromerzeugung wird mittels Wärmepumpen und Elektromotoren auf den Wärme- und Verkehrsbereich ausgedehnt. Die letzte fossile Energiequelle ist sinnvollerweise Erdgas, da dieses in Spitzenlastkraftwerken eingesetzt werden kann und viel sauberer als Kohle verbrennt, somit für eine Übergangszeit gut mit Strom erzeugtes Gas (und Biogas) ergänzt.

Nahrung und Biomasse

Speicherung der Sonnenenergie: Biomasse ist mittels Photosynthese gespeicherte Sonnenenergie. Dabei braucht die Pflanze einen großen Teil der nutzbar gemachten Energie zum Leben; selbst bei optimaler Temperatur und Wasser- und Nährstoffversorgung wird weniger als 1% der einfallenden Sonnenstrahlung chemisch dauerhaft gespeichert. Auch bei einem günstig angenommenen Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenergie in Biomasse von 0,5% liegt der tatsächliche Energieertrag jedoch noch deutlich darunter, da man auch Energie für die Bestellung des Feldes und (meistens) die Düngemittelherstellung braucht. Er verschlechtert sich weiter, wenn nur Teile der Pflanze verwendet werden oder die Biomasse noch in flüssigen Kraftstoff umgewandelt wird. Bei der Verwendung als Wärmequelle kann der größte Teil der letzlich im Brennstoff enthaltenen Energie auch tatsächlich genutzt werden, beim Verkehr oder der Stromerzeugung jedoch nur unter 40%.

Nahrungsbedarf: Der jetzige durchschnittliche Nahrungsverbrauch in Deutschland ist etwa 1,5 MWh/Person/Jahr (3500 kcal/Tag oder 170 W), davon knapp 40% tierischen Ursprungs. Bei letzterem fallen "Umwandlungsverluste" der pflanzlichen in die tierische Nahrung von ca. 80% an, somit beläuft sich der primäre Verbrauch auf insgesamt 3,9 MWh/Person/Jahr. Die Nahrungsenergie zählt zwar nicht zum Energieverbrauch im engeren Sinne, ist jedoch der grundlegendste (und flächenintensivste) Posten. Sie wird bei direkter Betrachtung 100% erneuerbar erzeugt, allerdings wird für den hohen Ertrag bei geringer Arbeitskraft ein Vielfaches der Nahrungsenergie an fossiler Energie hineingesteckt.

Flächenkonkurrenz: Die landwirtschaftliche Nutzfläche in Deutschland (52% der Fläche, pro Person 2200 m2) erzeugt bei 0,1% Wirkungsgrad etwa 2 MWh/Person/Jahr an Nahrung, davon ist der größte Teil Tierfutter. Die biologisch produktive Fläche der Erde, und damit die erzeugte Biomasse, steht in Konkurrenz zwischen Natur, direkter menschlicher Nahrung, Futter für die Nutztiere und Bioenergie. Angesichts der kommenden Ertragsprobleme der Landwirschaft und der wachsenden Weltbevölkerung müssen die letzteren beiden Nutzungsformen im Interesse der ersten beiden eingeschränkt werden. Biomasse ist der Energieträger des Lebens, eine technische Nutzung geht immer auf Kosten von Lebewesen, ist sehr flächenintensiv und kann somit menschen- und umweltverträglich nur in kleinem Ausmaß erfolgen. Ein Vergleich des Wirkungsgrades der direkten Sonnennutzung, etwa mittels Photovoltaik, und der indirekten über Biomasse fällt überwältigend aus, zumal erstere auf sowieso schon toten Flächen wie Wüsten und versiegelten Flächen genutzt werden kann und somit selbst auf diesen viel kleineren Flächen nicht in Konkurrenz zum Leben steht.

Regionale Selbstversorgung: Eine sichere und umweltverträgliche Nahrungs- und Energieversorgung ist regional. Natürlich kann man trotzdem mit Lebensmitteln handeln, um das Angebot zu erweitern, aber der Großteil und die energetische Grundversorgung sollten regional erzeugt werden. Der Sebstversorgungsgrad in Deutschland beträgt etwa 80%, vom primären pflanzlichen Nahrungsbedarf muß jedoch deutlich mehr als 20% importiert werden, hauptsächlich in Form von Futtermitteln für die Massentierhaltung. Damit wird der Flächenverbrauch und somit Hunger und Naturzerstörung exportiert. Eine Selbstversorgung ist leicht realisierbar, wenn der Konsum von Tierprodukten eingeschränkt wird - dann kann sogar landwirtschaftliche Fläche renaturiert werden. Für einen Ausbau der Bioenergie ist dagegen kaum Platz. Heute wird ein Fünftel der Holzernte zu Heizzwecken genutzt (der Rest als Rohstoff), was 2% des Heizenergiebedarfes deckt. Dabei wird aus den meisten Wäldern schon das Maximum rausgeholt (was auch auf Kosten des Ökosystems geht). Bei Biosprit und der Stromerzeugung aus Biomasse ist der Anteil ähnlich. Was darüber hinausgeht, muß schon jetzt mit Importen gedeckt werden, mit katastrophalen Folgen für die Regenwälder Indonesiens und Brasiliens, und für die Ernährungssituation von Milliarden Menschen. Bioenergie kann keinen bedeutenden Teil eines so hohen Energieverbrauchs decken, wie er für unsere Zivilisation notwendig ist.