Energiewende (3): Umbau des Energiesystems, Einbau von Stoffkreisläufen

Do, 18.07.2019 - 06:35 — Robert Schlögl

Die Energiewende geht von der Nutzung erneuerbarer Energien aus mit dem Ziel Treibhausgase zu reduzieren und von fossilen Brennstoffen wegzukommen. Auch im Energiesystem der Zukunft spielen Strom, Wärme und Mobilität eine zentrale Rolle. Um eine Energieversorgung aus der volatilen Sonnen- und Windenergie dafür bedarfsgerecht steuerbar zu machen, müssen die Erneuerbaren gespeichert und transportiert werden können. Eine Umwandlung von Strom in stoffliche erneuerbare Energieträger kann in Form eines Kohlenstoffkreislaufes vor sich gehen und in Europa mit z. B. Pipeline-Systemen für "solare" Kraftstoffe einen erheblichen Anteil der europäischen Energieanwendungen bedienen. Teil 3 aus dem Eckpunktepapier „Energie. Wende. Jetzt“ von Prof. Dr. Robert Schlögl (Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion; Mülheim a.d.R.)*

Den Stoffkreislauf richtig ins System einbinden

Derzeit wird viel über den nötigen Beitrag der Mobilität zur Defossilisierung des Energiesystems diskutiert. Ihre Emissionen sind schwer zu reduzieren, weil sie diffuse Quellen beinhaltet, deren Emissionen nicht im Kreis geführt werden können. Umgekehrt ist der Energieverbrauch der Mobilität so groß, dass eine Versorgung mit Elektrizität quantitativ schwierig wird (es gibt ohnehin nicht genug primäre Elektrizität in Deutschland und die Vergrößerung des Stromverteilsystems wäre ebenfalls zumindest ökonomisch und aus Akzeptanzgründen nicht einfach zu bewerkstelligen). Für energieintensive Anwendungen ist ein elektrischer Antrieb praktisch unmöglich (Flugzeuge, Schiffe, Schwerlastverkehr).

Somit eignet sich der Kohlenstoffkreislauf mit seinen solaren Kraftstoffen hervorragend zur Versorgung von Mobilität. Der Verbrauch an Energie für die Mobilität wird dann durch Import von (flüssigen) Energieträgern als solar fuels oder e-fuels befriedigt. Dies schließt eine Ergänzung durch e-Mobilität, die durch lokal verfügbare erneuerbare Elektrizität gespeist wird, nicht aus.

Allerdings gelten die oben genannten Einschränkungen hinsichtlich der „Leckage“ von CO₂ aus dem System [1]. Die Strategie, diese Leckage zu minimieren und zunächst bestehen zu lassen mag kritisch unter dem Gesichtspunkt der „Lastengerechtigkeit“ des Umbaus des Energiesystems gesehen werden. Sie ist aber hinnehmbar, wenn man sich die relativen Proportionen in Deutschland (und Europa) der Hauptanwendungen von Energie ansieht. In Abbildung 1 sind ihre Anteile am Verbrauch von Endenergie und an der CO₂ Emission dargestellt.

Abbildung 1: Anteile der Hauptanwendungen von Energie an den energiebedingten CO₂ Emissionen und am Verbrauch von Endenergie. Deutschland, 2016 (Daten BMWi, 2018). (Siehe dazu: [1] Abbildung 1: "Generische Elemente eines Energiesystems heute").

Stellt man die Reduktion von Treibhausgasen ins Zentrum des Umbaus des Energiesystems, so ist die Mobilität das am wenigsten lohnende Ziel und eine etwa halbierte Leckage könnte auch im Zielkorridor heutiger Politik hingenommen werden. Nimmt man den Ersatz von Öl als wichtiges Ziel, so ist die Mobilität prioritär. Allerdings wird dieses Ziel ressourcenschonend mit synthetischen Kraftstoffen erreicht. Somit wäre eine Mobilität, die neben lokal verfügbarer e-Mobilität auf importierter erneuerbarer Energie fußt, eine systemisch günstige Option.

Aus Abbildung 1 geht hervor, dass in jedem Fall die Defossilisierung der Wärmenutzung allerhöchste Priorität haben sollte. Dies ist allerdings unmöglich, wenn man die Kopplungen zwischen den Sektoren vernachlässigt. Ein Beispiel ist die bisher viel zu wenig genutzte Option, primäre Elektrizität zielgerichtet dafür bereitzustellen, Wärmespeicher oder Wärmepumpen lokal zu bedienen. Aber auch im Feld der industriellen (Hochtemperatur-)Wärme könnte primäre Elektrizität eingesetzt werden.

Schließlich kann eine Nutzung elektrischer Energie bei ausreichendem Stromangebot im Wechsel mit fossilen Heizstoffen in existierenden (dezentralen) Wasserspeichern relativ einfach als CO₂-mindernde Flexibilisierungsmaßnahme eingesetzt werden.

Energiesysteme bedarfsgerecht aufbauen

Die Diskussion zu Energiesystemen richtet sich überwiegend an bilanziellen Werten für Energiebedarfe und Energielieferungen aus. Dies ist zunächst vertretbar, bedarf allerdings unbedingt der Schärfung durch eine Betrachtung zur zeitaufgelösten Bereitstellung von Energie. Es ist eine zentrale Dienstleistung eines Systems, seine Energie ohne zeitliche Beschränkung exakt bedarfsgerecht zur Verfügung zu stellen. Diese „Versorgungssicherheit“ ist ein wesentlicher Standortvorteil eines Landes und bildet eine Grundlage geordneten wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Lebens. Dieser Grundforderung für ein Energiesystem wird Primär-Elektrizität aus Wind und Sonne nicht gerecht. Energie aus Wasserkraft und Biomasse erfüllt diese Forderungen, ist allerdings in fast allen Ländern kapazitiv zu klein, um die Schwankungen von Wind und Sonne auszugleichen.

Abbildung 2: Energiequellen für die Stromerzeugung in Deutschland (2017, Daten BMWi, 2018; Angaben in TWh).

Aus den Daten der Abbildung 2 geht hervor, dass das heutige Energiesystem in Deutschland weitgehend noch aus frei steuerbaren Energieträgern (fossil, nuklear) versorgt wird, aber der Anteil erneuerbarer Energieträger zu mehr als 50 % volatile Quellen (Wind, Sonne) enthält. Wird dieser Anteil wie gewünscht wesentlich größer, so sind Flexibilisierungsmaßnahmen erforderlich, die weitgehend auf die Nutzung von speicherbaren Energieträgern hinauslaufen. Weitere notwendige Maßnahmen sind der Einsatz von Batterien, mechanischen Speichern und Wärmespeichern, die allerdings zusammen nicht ausreichen, um das Stromsystem bedarfsgerecht steuerbar zu machen. Bedenkt man, dass das Stromsystem nur einen Bruchteil des gesamten Energiesystems ausmacht und die zeitlichen Anforderungen hinsichtlich Zeitspannen und Kapazitäten noch weitere Dimensionen hat als die Kurzzeitstabilität beim Strom (Sommer-Winterausgleich, Großmengen für industrielle Prozesse) so wird klar, dass ohne stoffliche erneuerbare Energieträger kein technisch und ökonomisch effizienter Betrieb eines nachhaltigen Energiesystems möglich ist.

Für die gesellschaftliche Akzeptanz von neuen Energiesystemen ist es wenig attraktiv, eine wesentliche Einsparung der Nutzung von Endenergie als Voraussetzung zum Gelingen einer Energiewende anzusetzen. Energie ist eine Grundlage aller Aktivitäten in der Gesellschaft.

Unbestreitbar sind einige davon unnötig und sollten abgestellt werden. Da allerdings eine Entscheidung über Einsparungen, die sich aus Verhaltensänderungen ergeben, sehr problematisch ist (etwa Tempolimit) und auch an der Frage der Stellung eines Landes im internationalen Wettbewerb (Deindustrialisierung) rührt, sind hier Widerstände sehr hoch. Eine global verteilte Gewinnung und Verteilung von erneuerbarer Energie macht es überflüssig, Einschränkungen im Gebrauch von Energie zu verlangen. Unberührt bleiben davon Reduktionen des Einsatzes von Energie, die sich durch technische oder freiwillige konsumtive Verbesserungen der Nutzungseffizienz ergeben. Eine bedarfsgerechte Energieversorgung sollte nicht durch Einsparziele und Nutzungsgrenzen bestimmt werden, da es dafür in einem globalen System mit subsidiärer Struktur keine zwingenden Argumente gibt.

Dies widerspricht nicht der Einsicht, dass Energie als grundsätzlich wertvolles Gut überlegt einzusetzen ist. Wenn allen Nutzern von Energie ihr Wert hinreichend klar ist, sollten sich Verhaltensänderungen hinsichtlich einer systemischen Verschwendung von Energie ohne staatlichen Zwang einstellen. Dies gilt vor allem für die Mobilität (von Waren wie von Personen), wo der Staat über die Sinnhaftigkeit der zahlreichen Subventionen nachzudenken hat.

Abbildung 3: Verbrauch von Heizenergie für Raumwärme in Deutschland. Die untere Kurve (grün) zeigt den Anteil erneuerbarer Energien. Die Schwankungen sind auf die unterschiedlich harten Winter zurückzuführen. Die Trendlinie zeigt die geringe Einsparung von Heizenergie an.(Daten: BMWi 2018)

Bei der Raumwärme sind viele Fortschritte in Bewusstseinsbildung und in technischen Maßnahmen erreicht worden. Dies gilt aber nicht in ganz Europa. In Deutschland ist die konsequente Umsetzung durch hohe regulatorische Hürden (Bauauflagen, technische Vorschriften) aufwändig und träge, wie man auf Abbildung 3 aus dem zeitlichen Verlauf des Verbrauches von Heizenergie in Deutschland erkennen kann. Der Einsatz von Erneuerbaren für die Bereitstellung von Raumwärme ist stark verbesserungsfähig, besonders wenn man bedenkt, dass im bisherigen Anteil ein großer Beitrag aus der Biomasse steckt, der nicht leicht skaliert werden kann.

Energiesysteme subsidiär und international aufbauen

Eine hervorstechende Eigenschaft von erneuerbarer Elektrizität ist, dass es ihre kostenlosen Ressourcen Sonne und Wind fast überall gibt, wo Menschen leben. Leider sind die besonders ergiebigen Orte, wo entsprechende Wandler mit hohen Nutzungsfaktoren (dem Verhältnis aus installierter Leistung und gewonnener Arbeit) betrieben werden können, aus eben diesem Grund menschlichem Leben nicht zuträglich (Wüsten, Sturmküsten). Abbildung 4.

Abbildung 4. Potential für erneuerbare Energien als Funktion des Ortes. Energiegewinnung aus Sonne und Wind zusammen genommen und in Volllaststunden angegeben (Internationale Energieagentur – IEA – 2016)

Die bisher wenig diskutierte Antwort auf diese Herausforderung ist es, erneuerbare Energie in großem Stil (siehe Abbildung 2 in [1]) transportierbar zu machen. Damit wird sie zu einer Handelsware, die beliebig gelagert und transportiert werden kann, ganz so wie wir das von den fossilen Energieträgern her kennen.

Die scheinbar widersprüchliche Natur der volatilen und verteilten erneuerbaren Energie legt eine subsidiäre Gestaltung des Systems nahe. Dazu werden Strukturen gebraucht, welche die unterschiedlichen Elemente (siehe Abbildung 1 in [1]) des Energiesystems bedienen. „Struktur“ meint dabei nicht eine einheitliche Organisation, sondern eine Reihe von Unternehmen, welche unter regulatorischer Kontrolle des Staates in Kooperation und Wettbewerb die Energieversorgung sicherstellen. Je nach Ebene im subsidiären System ist staatliche Kontrolle regional, national, europäisch oder international zu organisieren. Sie wird unterschiedliche Instrumente benötigen, die teilweise existieren, die aber einer Ergänzung bedürfen, um optimal wirksam zu sein. Energiepolitik ist daher regional, national, europäisch und international und bedarf einer entsprechenden Koordination. Dies ist von der Politik teilweise erkannt wird aber bisher nicht wirksam praktiziert.

Erneuerbare Primär-Elektrizität wird am wirkungsvollsten sofort und nahe am Gewinnungsort genutzt.

Das spricht für verteilte Systeme, welche die Volatilität im Strom kurzzeitig durch lokale Speicher elektrisch und thermisch ausgleichen. Um den Effizienzverlust und die Komplexität der lokalen Anlagen in Grenzen zu halten, sollte nicht Autarkie angestrebt, sondern eine Verschaltung von lokalen Stromversorgungen (Schwarmkraftwerk) vorgenommen werden. Durch Zulieferungen von stofflichen Energieträgern sowie von Ergänzungsstrom ergibt sich eine lokale bedarfsgerechte Versorgung, in der die Nutzer auch als Produzenten auftreten.

Die in Deutschland verfügbare solare Energielieferung ist allerdings überschaubar und wird durch die dichte Besiedelung und Akzeptanzprobleme weiter reduziert. Somit kann nur ein begrenzter Anteil der benötigten Energie lokal erzeugt werden.

Dieses Konzept stößt in Ballungszentren und für die Versorgung von Industrieanlagen ohnehin an seine Grenzen. Hier wird eine nationale Struktur sinnvoll sein, welche die gleichen Aufgaben wie die lokalen Strukturen hat, die Bereitstellung von Primärelektrizität und die Zulieferung von (importierter) Energie. Vor allem wird diese Struktur regionale Ungleichgewichte ausgleichen und die bedarfsgerechte Stromversorgung garantieren. Dazu kann sich diese heute weitgehend existierende und im Ausbau befindliche Struktur weiter einer europäischen Vernetzung bedienen, die in Ansätzen ebenfalls bereits existiert. Die europäische Energieunion mit ihren wesentlich besseren Möglichkeiten der „Energieernte“ (Abbildung 5) ist zwar ein Thema der politischen Agenda, wird aber nicht sehr entschlossen vorangetrieben.

Abbildung 5. Möglichkeiten der Energieernte in Europa. Der Deutsche Wetterdienst hat kumulativ für Europa die Sammeleffizienz von Wind und Sonnenkraftwerken ermittelt. Die Wandlung in Wärme und stoffliche Träger, also die „Sektorenkopplung“ als Alternative und als Transportform ist bisher nicht wesentlichin die Planung eingegangen.

Kreislauf für erneuerbare Energie

Ein Kohlenstoffkreislauf in Europa mit z. B. Pipeline-Systemen für CO₂ und flüssige oder gasförmige Brennstoffe könnte einen erheblichen Anteil der europäischen Energieanwendungen bedienen (Abbildung 6).

Abbildung 6. Eine detailliertere Version eines Kreislaufs für erneuerbare Energie, der in Europa (und global) etabliert werden könnte. Alle nötigen Technologien sind prinzipiell, wenn auch mit sub-optimalen Prozesseffizienzen, verfügbar. Es sollte unbedingt vermieden werden, eine technische Monokultur zu schaffen. Vielmehr haben alle angegebenen Verfahren Vor-und Nachteile, die sich am besten in der gemeinsamen Nutzung ausgleichen lassen. Abkürzungen: RES bedeutet erneuerbare Energie, lokal: Distanz geeignet für Stromtransport; entfernt: Distanz mit Stromleitungen ökonomisch nicht überbrückbar. CCSS: „carbon capture and solid storage“ das Verfahren der Mineralisation und Lagerung von ehemals biogenem Kohlenstoff; DAC: "Direct Air Capture"; SNG: synthetisches Erdgas; LOHC:" liquid organic hydrogen carriers". Die violetten Pfeile deuten den Kreislauf des Kohlenstoffes an. (Dazu siehe auch Abbildungen 2 und 3 in [1]).

Der dafür erforderliche technische und regulatorische Aufwand würde wesentlich dazu beitragen, dass die europäischen Energieziele tatsächlich erreicht werden. Entgegen den Einschätzungen der Bundesregierung erscheint dies mit den bisher wirkenden Maßnahmen nicht sicher gewährleistet.

Für die besonders energiehungrige Bereitstellung der synthetischen Kraftstoffe oder großer Mengen von Wasserstoff eignet sich ein weltweiter Stoffkreislauf. Hier würden Tankschiffe zum Einsatz kommen. Für den interkontinentalen Einsatz wären auch flüssige reversible Wasserstoffträger (liquid organic hydrogen carriers, LOHC) und Ammoniak geeignet (Abbildung 6).

Der Aufbau solcher Systeme über Grenzen von politischen Strukturen (regional, national europäisch), Industrien und Branchen sowie regulatorischen Systemen hinweg ist ein heroisches Werk mit sehr vielen Gestaltungsaufgaben der Politik. Ihr Erfolg würde sich unter anderem daran messen lassen, ob die erforderlichen Kapitalbeträge investiert werden. Darunter liegen technische Herausforderungen von ähnlichen Ausmaßen, die Steuerung, Digitalisierung und den störungsfreien und sicheren Betrieb betreffen. Die Vermittlung der Fakten und Hintergründe dazu an eine breite Bevölkerung in Zeiten nationalstaatlicher Bestrebungen ist eine weitere Aufgabe. Ohne die mehrheitliche Zustimmung der Nutzer wird es sehr schwer, das unbedingt notwendige Vertrauen von Investoren und Unternehmen zu derartigen Projekten auf allen Ebenen eines subsidiären Systems zu bekommen.

Bepreisung von CO₂

Zur Internationalität der Energieversorgung gehört ein länderübergreifendes System für die Bepreisung von CO₂. Es mag opportun sein, aus Zeitgründen mit einem nationalen System zu beginnen, das dann aber kompatibel mit einem europäischen System angelegt sein muss. Damit begegnet man dem Argument, dass man in der Tat nicht warten kann, bis der „Letzte in Europa“ dieser Grundlage eines erfolgreichen Umbaus der Energieversorgung zustimmt. Nützlich wäre es, eine „Allianz der Einsichtigen“ zu formen und das Vorhaben zu beginnen:

Viele Finanzminister wollen sich weltweit für eine wirksame Bepreisung von Kohlendioxid einsetzen und im Kampf gegen den Klimawandel international besser zusammenarbeiten. Das vereinbarten Ressortchefs aus allen Teilen der Welt, darunter Bundesfinanzminister Olaf Scholz, im Rahmen der Frühjahrstagung des Internationalen Währungsfonds und der Weltbank am 13.04.2019 in Washington (s. solarify.eu/internationale-klimakoalition-fuer-co2-bepreisung).

[1] R. Schlögl. 27.06.2019: Energiewende (2): Energiesysteme und Energieträger.

Dies ist Teil 3 des Artikels von Robert Schlögl "Energie. Wende. Jetzt", der am 7.Mai 2019 auf der Webseite des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion erschienen ist. Der Artikel wurde mit freundlicher Zustimmung des Autors und der MPG-Pressestelle ScienceBlog.at zur Verfügung gestellt; der Text blieb weitestgehend unverändert, aus dem Anhang des Artikels wurden drei Abbildungen (Abb. 4, 5, 6) eingefügt. Literaturzitate wurden allerdings weggelassen - sie können im Original nachgelesen werden.

Teil 1: R. Schlögl: 13.06.2019: Energie. Wende. Jetzt - Ein Prolog.

Teil 2: R. Schlögl. 27.06.2019: Energiewende (2): Energiesysteme und Energieträger.

Der demnächst erscheinende Teil 4 wird sich mit der zeitlich flexiblen Gestaltung des Umbaus befassen.

Weiterführende Links

Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI CEC)

Woran forscht das MPI CEC? Video 3:58 min.

Oppermann, Bettina/Renn, Ortwin (März 2019) Partizipation und Kommunikation in der Energiewende. Analyse des Akademienprojekts „Energiesysteme der Zukunft“

Akademienprojekt ESYS (Mai 2019): Warum sinken die CO₂-Emissionen in Deutschland nur langsam, obwohl die erneuerbaren Energien stark ausgebaut werden?

R. Schlögl (2017): Wasserstoff in Ammoniak speichern.

Artikel zum Thema Energie/Energiewende im ScienceBlog:

Eine Liste der Artikel findet sich unter R. Schlögl: 13.06.2019: Energie. Wende. Jetzt - Ein Prolog.