KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Ein neues Konzept zur Speicherung und zum Transport regenerativer Energie für mobile Anwendungen steht im Fokus der aktuellen Forschung der Universität Erlangen-Nürnberg.

Wie kommt die Energie an ihren Bestimmungsort? – Foto: Rebel – Fotolia.com

Das Konzept geht davon aus, dass die an einem „energiereichen“ Ort (Windanlage, Photovoltaik-Feld) zu einer „energiereichen“ Zeit bereitgestellte Energie genutzt wird, um eine energiearme Flüssigkeit in einer chemischen Reaktion mit elektrolytisch hergestelltem Wasserstoff zu beladen.
Diese nun mit Energie angereicherte Flüssigkeit kann verlustfrei über große Zeiträume gelagert, mit hoher Energiedichte transportiert und unter Nutzung der heutigen Infrastruktur (Pipeline, Tankschiff, Tanklager, Tankstelle) verteilt werden. Am Ort und zur Zeit des Energiebedarfs wird die energiereiche Flüssigkeit unter Freisetzung von Wasserstoff wieder energetisch entladen und zum Ort der Energieerzeugung zurückgebracht. Über den Stand der Forschung haben die beiden Wissenschaftler Prof. Dr. Wolfgang Arlt und Prof. Dr. Peter Wasserscheid jüngst in Energy and Environmental Science, DOI:10.1039/C1EE01454D, berichtet.

Die neuartige Technologie baut auf einem Patent der Firma Air Products von 2004 auf und nutzt sogenannte „Liquid Organic Hydrogen Carriers“ (LOHC). Diese Energie Tragenden Stoffe existieren in einer energiearmen Form und in einer energiereichen, Wasserstoff beladenen Form. Kern der Forschung ist aktuell die Chemikalie N-Ethylcarbazol als energiearme Form, kurz: Carbazol.

Die heute diskutierten Szenarien zur Energiebereitstellung aus regenerativen Quellen im großen Maßstab (Windparks in der Nordsee, Desertec etc.) erfordern als wesentliche technische Voraussetzung geeignete Wege, um große Energiemengen möglichst verlustfrei speichern und transportieren zu können. Nur so lassen sich saisonale Schwankungen in der Erzeugung ausgleichen, nur so kann ein effizienter nicht-elektrischer Transport der Nutzenergie zum Ort des Verbrauchs realisiert werden. Die Nutzung der beforschten LOHC-Systeme wird vielfältig betrachtet und erstreckt sich von mobilen Anwendungen (etwa zum Antrieb von Automobilen mit Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen) über die Stabilisierung von elektrischen Netzen bis zu Themen des globalen Energietransports.

Eine neue Generation von Litium-Batterien könnte bald den Strom der heimischen Fotovoltaik-Anlage auf dem Dach speichern und so Hausbesitzer zu autarken Stromerzeugern machen.

Neuer Stromspeicher macht Hausbesitzer/innen autark – Foto: Dagmar Struß

Elektrochemiker und Elektroingenieure der TU München entwickeln Akkus aus Litiumtitanat und Litiumeisenphosphat, die extrem lange haltbar und damit kostengünstig sein werden. Das Projekt wird von der Stiftung Nagelschneider gefördert und wurde auf der Messe Intersolar Europe 2011 in München vom 8. – 10. Juni 2011 präsentiert.
Der Umstieg auf erneuerbare Energien wird unsere Stromnetze völlig verändern. Denn Strom aus Wind und Sonne ist nicht immer gleichmäßig verfügbar und kann nicht immer dort gewonnen werden, wo er gebraucht wird. Zum einen muss daher unser Stromnetz von einem Verteilernetz zu einem europäische konzipiertem Transportnetz umgebaut werden. Zum andern muss Strom gespeichert werden. Bisher geschieht dies in Pumpspeicherkraftwerken; an der Realisation von Druckspeicherkraftwerken wird intensiv geforscht. Eine Alternative als dezentraler Stromspeicher könnte eine neue Generation Litium-Batterien sein, die Litiumtitanat (LTO) für die Anode und Litiumeisenphosphat (LFP) für die Kathode nutzt.

An der TU München entwickeln derzeit Elektrochemiker und Elektroingenieure gemeinsam eine solche LTO-LFP-Batterie, die über extrem viele Ladezyklen haltbar sein soll und sich daher etwa als Stromspeicher von Fotovoltaikanlagen eignen könnte. An Versuchszellen wurde bereits eine Lebensdauer von 20.000 Zyklen ohne eine nennenswerte Veränderung der Kapazität nachgewiesen – bisher gebräuchliche Litiumionenbatterien zum Beispiel schaffen lediglich 1.000 bis 3.000 Zyklen.

Bislang sind LTO-LFP-Batterien noch wenig erforscht, da sie für Elektroautos zu groß und zu schwer wären. Da Anwendungen als Speicher für erneuerbare Energien meist jedoch keine hohen Anforderungen an die Energiedichte stellen, macht die Langlebigkeit von LTO-LFP-Batterien sie als Speicher sehr kostengünstig.

Alte und neue Mieter ziehen nach 18 Monaten Sanierungszeit seit Ende April 2011 in das weltweit erste nach Passivhausstandard sanierte Hochhaus im Freiburger Stadtteil Weingarten.

Passivhochhaus: 90 sanierte Wohnungen – Foto: Fraunhofer ISE

Der Primärenergiebedarf für Beheizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung, Beleuchtung und Haushaltsstrom wurde um 40 Prozent gesenkt. Die Forschungen an dem Modellprojekt gehen weiter.

Im bewohnten Gebäude analysieren die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE über zwei Jahre den Energieverbrauch im realen Betrieb. Die Ergebnisse haben, wie das gesamte Projekt, Modellcharakter und sollen zukünftig in vergleichbare energetische Sanierungsvorhaben einfließen. Gemeinsam haben sich die Freiburger Stadtbau GmbH, die badenova WÄRMEPLUS und das Fraunhofer-Institut zum Ziel gesetzt, den Primärenergiebedarf des gesamten Stadtteils bis zum Jahr 2020 um 50 Prozent zu reduzieren.

Der Heizwärmebedarf des Hauses ist nach der Sanierung deutlich unter 20 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m²a) gesunken und mit dem eines neu gebauten Passivhauses vergleichbar. Der Heizwärmebedarf nach Sanierung liegt bei einem Fünftel des ursprünglichen Werts und wurde damit um 80 Prozent gesenkt.

Der Energieverbrauch des sanierten Gebäudes wird seit März 2011 vom Fraunhofer-Institut gemessen. Einzelne Geschosse werden dabei sehr detailliert erfasst (Warmwasserbedarf, Haushaltsstrom, Heizung, Fensterkontakte). Die Messungen werden zwei Jahre dauern, die Ergebnisse anonymisiert erfasst. Für die Senkung des Primärenergiebedarfs ist auch die Senkung des Haushaltstroms ausschlaggebend. Über die Verbrauchsentwicklung werden die Bewohner der „Messgeschosse“ ständig informiert. Die Wärmebereitstellung des Stadtteils Weingarten basiert auf Kraft-Kärme-Kopplung. Auf Grund der optimierten Gebäudedämmung sinkt der Bedarf und wird im Jahresverlauf gleichmäßiger. Der Einsatz gasbetriebener Kessel kann reduziert werden.
Über das Sanierungsprojekt »Weingarten 2020«

Der westliche Teil des 1965-1969 entstandenen Freiburger Stadtteils Weingarten wird im Zeitraum 2007 bis ca. 2020 in drei Abschnitten modernisiert. Der BINE Informationsdienst berichtete zuletzt im Januar 2011.
Das Areal, in dem rund 5.800 Menschen wohnen, umfasst eine Fläche von etwa 30 ha. Im Sanierungsgebiet sind vier Gebäudetypen mit rund 1.300 Wohnungen vorhanden: 16-geschossige Hochhäuser, acht und viergeschossige Mehrfamilienhäuser sowie einige Nichtwohngebäude. Als erstes von vier Hochhäusern wurde in rund eineinhalb Jahren das Gebäude in der Bugginger Straße 50 energetisch modernisiert. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie förderte das Hochhausprojekt im Rahmen der Forschungsinitiative „Energieeffiziente Stadt“.

Bisher gehörte Erdgas zu den fossilen Brennstoffen. Künftig kann man aus Gas auch umweltfreundlichen Strom erzeugen.

Autos können mit Gas aus Sonnenenergie fahren – Foto: Rainer Sturm / Pixelio

Forscher des Fraunhofer IWES und des ZSW Stuttgart sind an einem Projekt beteiligt, in dem Audi und SolarFuel eine neuartige Anlage errichten. Sie wandelt Strom aus Wind und Sonne erstmals im industriellen Maßstab in Methan um, also in künstlich hergestelltes Erdgas. Während sich Strom schlecht speichern lässt, kann man das Erdgas problemlos lagern. Bei Flaute und bedecktem Himmel kann man daraus über Gaskraftwerke wieder Strom erzeugen, oder den Tank von Gasautos damit füllen.

Auf  Feldern und Äckern drehen sich zunehmend mehr Rotoren von Windkraftwerken, und auf den Dächern sieht man statt Ziegeln vermehrt Solaranlagen. An einem windigen sonnigen Tag liefern diese Anlagen oft mehr Strom als die Verbraucher benötigen – an windstillen lauen Tagen reicht die Stromproduktion dagegen nicht aus. Den Strom zu speichern und später zu verwenden, gestaltet sich recht schwierig. Hier soll das neue Technologiekonzept »Power-to-Gas« künftig helfen, das Forscher vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel gemeinsam mit ihren Kollegen des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg ZSW in den letzten Jahren entwickelt haben. Sie wandelt Strom aus erneuerbaren Energien in Methan um, in künstlich hergestelltes Erdgas – auch e-gas genannt, kurz für erneuerbares Gas. Der Vorteil: Im Gegensatz zu Strom lässt sich das Methan lagern. Herrscht ein Mangel an Strom, kann das Gas in Gaskraftwerken erneut Strom erzeugen. Außerdem lassen sich damit herkömmliche Erdgasautos betanken. Das Methan und Erdgas die gleichen chemischen Eigenschaften haben, braucht das Auto dafür nicht umgerüstet werden. »Unser Konzept Power-to-Gas löst gleich zwei Kernprobleme der Energiewende: Die Speicherung von erneuerbaren Energien und die Versorgung mit klimafreundlichem Kraftstoff. Damit wird eine stabile Stromversorgung auch mit Wind- und Solarenergie möglich«, sagt Dr. Michael Sterner, leitender Wissenschaftler am IWES.

Betrieb der Anlage ab 2013

Die Firmen SolarFuel und Audi setzen dieses Technologiekonzept nun erstmals im industriellen Maßstab um – gemeinsam mit dem IWES und dem ZSW. Die Anlage, die 2013 in Betrieb gehen soll, wird eine Leistung von 6,3 Megawatt haben, etwa so viel wie drei große Windräder oder 1000 Photovoltaikanlagen. Das für den Prozess benötigte CO2 wird aus einer Biogasanlage des Partners EWE in unmittelbarer Nähe bereitgestellt, die Reststoffe und Abfälle verwertet und klimaneutrales CO2 liefert. Das erzeugte Methan wird in Werlte in Niedersachsen in das Gasnetz eingespeist, wo es dann in Deutschlands größten Speichern, den Gasspeichern, lagert. Von dort aus strömt es über die vorhandenen Erdgasleitungen zu den Verbrauchern.

Doch wie funktioniert das Verfahren? Der elektrische Strom spaltet Wassermoleküle zunächst in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Lässt man den Wasserstoff mit CO2 reagieren, entsteht das Methan. Das Verfahren an sich ist seit langem bekannt. Es in großem Maßstab einzusetzen, um Netzengpässe durch erneuerbaren Energien auszugleichen, ist dagegen ein gänzlich neuer Ansatz. »Strom- und Gasnetz zu koppeln, ist ergänzend zu Netzausbau, Lastmanagement und Kurzzeitspeichern ein Eckpfeiler der Energiewende«, sagt Prof. Dr. Jürgen Schmid, Leiter des IWES. »Es ist absehbar, dass erneuerbarer Strom zur Primärenergie wird, da sich beispielsweise Windstrom mit zur günstigsten Art und Weise der Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien entwickelt.« Indem die Power-to-Gas-Technologie die Strom- und Gasnetze koppelt, kann sie Stromengpässe von bis zu zwei Wochen überbrücken. »E-Gas stellt die Stromversorgung mit erneuerbaren Energien und damit die Energiewende auf sichere Beine«, sagt Sterner.

CO2 aus nachhaltigen Quellen nutzen

Damit das Verfahren das Klima nicht schädigt ist es wichtig, das CO2 aus nachhaltigen Quellen zu gewinnen. Davon gibt in Deutschland genügend: Alleine in den bestehenden 50 Biogas-Aufbereitungsanlagen entstehen 500 000 Tonnen CO2. Damit ließen sich 4,8 Terawattstunden Strom speichern – das entspricht dem Jahresverbrauch von etwa eineinhalb Millionen Haushalten. Herkömmliche Biogasanlagen liefern ebenfalls sehr viel CO2. Alleine 20 Prozent der Anlagen könnten zwei Millionen Tonnen CO2 bereitstellen. Weitere große Quellen sind Bioethanolanlagen, Brauereien und Klärwerke, sie liefern 1,1 Millionen Tonnen CO2.

Nutzt man das CO2 aus Biogasanlagen für die Power-to-Gas-Anlage, ergibt sich ein weiterer Vorteil: Das Biogas, das zu 60 Prozent aus Methan und zu 40 Prozent aus CO2 besteht, wird über Biogas-Aufbereitungsanlagen üblicherweise in das Gasnetz eingespeist, um es in der Fläche einer sinnvollen energetischen Nutzung zuzuführen. Dabei entweichen etwa zwei Prozent des Methans in die Atmosphäre, man spricht von Methanschlupf. Eine heikle Angelegenheit für das Klima, da Methan auf hundert Jahre gesehen 21 mal klimaschädlicher ist als CO2. „Dieses Loch können wir stopfen, indem man das Biogas durch die Power-to-Gas-Anlage leitet. Dabei entsteht aus dem Biogas fast reines Methan, das ohne Methanschlupf aufbereitet werden kann“, erläutert Sterner.

e-gas als Tankfüllung

Auch als Kraftstoff hat e-gas eine gute CO2-Bilanz. »Über den gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs gesehen produziert ein e-gas betriebenes Fahrzeug kaum mehr CO2 als ein Elektroauto«, sagt Prof. Dr. Schmid. Elektrofahrzeuge haben zwar im Betrieb sehr geringe Emissionen, ihre Herstellung ist aber deutlich CO2-intensiver als die Herstellung von Gasfahrzeugen. »Betankt« man ein Elektroauto mit Strom aus Windenergie, stößt es zwar nur 5 Gramm Kohlenstoffdioxid pro Kilometer aus. Dafür wird bei der Herstellung sehr viel CO2 produziert: Bei einer Lebensfahrleistung von 200 000 Kilometern sind es umgerechnet je nach Fahrzeugkonzept 50 bis 60 Gramm pro Kilometer. Damit stößt ein Elektroauto insgesamt 55 bis 60 Gramm CO2 pro Kilometer aus. Ein Gasfahrzeug verursacht mit Windgas aus Windstrom zwar je nach Technologiestand 20 bis 30 Gramm pro Kilometer im Fahrbetrieb, ist aber in der Herstellung mit 30 bis 35 Gramm klimafreundlicher als das Elektroauto und kommt damit insgesamt ebenfalls nur auf 50 bis 65 Gramm pro Kilometer. Die Elektromobilität und e-gas können sich gut ergänzen. Denn bislang stellen die Batteriesysteme von Elektroautos noch eine große Herausforderung dar – ihre Reichweite ist noch sehr begrenzt und sie sind recht kostenintensiv. Möchte der Fahrer weitere Strecken zurücklegen, könnte er auf e-gas aus Wind- und Solarstrom umschalten, ohne den CO2-Ausstoss stark zu erhöhen.

Was die Wirtschaftlichkeit der Power-to-Gas-Anlage angeht, ist Sterner zuversichtlich: „Selbst bei einem ideal ausgebauten Stromnetz und optimalem Lastmanagements sind Stromspeicher nötig. Es ist daher nur eine Frage der Zeit, bis sich hier ein wirtschaftliches Konzept ergibt“, ist sich der Forscher sicher. Denn während die Speicher, die im Stromnetz vorhanden sind, die Stromversorgung nur für wenige Stunden aufrechterhalten können, bietet das Erdgasnetz eine rund 3000-fach höhere Speicherkapazität.

Website “Power to Gas”

Sonne, Wind, Biomasse, Wasser – Strom kommt künftig aus vielen unterschiedlichen Quellen und aus verschiedenen Ländern.

Die alten Stromnetze sind nicht zukunftsfähig – Foto: Gabi Schoenemann / Pixelio

Schon in einigen Jahrzehnten könnte ein Teil der in Europa benötigten elektrischen Energie aus Nordafrika stammen. Doch das erfordert neue Übertragungs- und Speichertechnik. Fraunhofer-Forscher arbeiten in dem Übermorgen-Projekt “Supergrid” an Komponenten und Systemen, um elektrische Energie zuverlässig erzeugen, speichern und verteilen zu können.

Große solarthermische Anlagen in Afrika, Offshore-Windparks in der Nordsee, Photovoltaik-Kraftwerke im Süden und die vielen dezentralen Anlagen in Mitteleuropa sollen künftig einen großen Teil unseres Stroms liefern. Damit aber der Umstieg auf regenerative Energien gelingt, müssen noch einige Herausforderungen gemeistert werden. Wie kann man den Strom ohne große Verluste über tausende Kilometer transportieren? Lässt sich die stark fluktuierende Energie effektiv speichern? Wie kann man den Strom in unsere Netze einspeisen? In dem jetzt gestarteten Zukunftsprojekt »Supergrid« arbeiten Fraunhofer-Forscher an Komponenten, um Strom verlustarm zu speichern und zu verteilen.

Neuartige Mittelspannungs- und Hochspannungs-Gleichstromnetze

“Der geplante, rasche Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung erfordert nicht nur einen Umbau der Stromnetze, sondern auch die energiewirtschaftlich optimierte Integration von erneuerbarer Energie, Speichertechnologien und Stromnachfrage. Hierfür sind noch grundlegende technologische Innovationen erforderlich. Unser Ziel ist es, Schlüsseltechnologien an der Schnittstelle zwischen Erzeugung und Einspeisung ins Netz zu entwickeln und in einem ganzheitlichen systemtheoretischen Ansatz zu optimieren”, erläutert Dr. Werner Platzer vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg, der das Projekt Supergrid koordiniert. In dem Projekt arbeiten Forscher der Fraunhofer-Institute für Solare Energiesysteme ISE, für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, für Werkstoffmechanik IWM, für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB.

Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung von Komponenten und Systemen für neuartige Mittelspannungs- und Hochspannungs-Gleichstromnetze, über die Strom aus Sonne und Wind verlustarm über große Entfernungen transportiert werden soll. Bislang ist die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung als Punkt zu Punkt Verbindung ausgeführt. Mit Hilfe von auch erdverlegten Gleichstromnetzen, sollen die verteilten Energieerzeuger – etwa verschiedene Windkraftlagen und Solaranlagen – über weite Distanzen ohne große Verluste gekoppelt werden. Dazu braucht man neue regelungstechnische Verfahren und Systemkomponenten, die in dem Übermogen-Projekt »Supergrid« von Fraunhofer-Forschern entwickelt werden.

Hochtemperatur-Speicher: Wärme speichern

Ein wichtiger Baustein für die künftige Stromversorgung sind solarthermische Kraftwerke, die in Südeuropa und Nordafrika gebaut werden, wie zum Beispiel in dem Vorhaben Desertec. Hierbei wird Sonnenenergie in nutzbare Wärme umgewandelt. Diese wird dann zur Stromerzeugung genutzt werden. Der große Vorteil: Die erzeugte Wärme lässt sich etwa in Öl, Dampf oder Flüssigsalz speichern. So können die Kraftwerke rund um die Uhr Strom liefern.

Fraunhofer-Forscher wollen nun besonders kostengünstige und effiziente Hochtemperatur-Speicher entwickeln. Ein Ziel ist es, die Kosten für die Wärmespeicherung langfristig um mehr als die Hälfte zu senken. Mit Salzmischungen (Nitrate, Nitrite u.ä.) lässt sich Wärme besonders effizient speichern. Der Nachteil: Sie sind äußerst korrosiv. Fraunhofer-Forscher arbeiten daher an Werkstoffen, die Salzschmelzen auch bei hohen Temperaturen langfristig standhalten.

“Die Einbettung vernetzter Erzeuger und Speichertechnik in eine Gesamtstrategie für den Ausbau der erneuerbaren Energien erfordert zunächst aber eine genaue Analyse des Energiemarktes”, beschreibt Platzer einen wichtigen Aspekt des Projekts. Darauf aufbauend wollen die Forscher integrierte und optimierte Netzstrukturen entwickeln.

Als Signal gegen weitere Monokulturen unterstützt der NABU die Vorschläge des Bundesumweltministeriums zur Korrektur der Biomasseförderung im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Monokultur: Maisanbau von 70.000 auf 600.000 ha gestiegen – Foto: Thorben Wengert / Pixelio

„Das Ministerium hat endlich erkannt, dass die Grenzen des Wachstums beim Maisanbau erreicht sind“, kommentiert NABU-Bundesgeschäftsführer Leif Miller den Entwurf des EEG-Berichts. Er sieht vor, den Einsatz von Mais und Getreide für Strom aus Biogas auf 60 Prozent der Energieausbeute zu begrenzen.

Damit wären die Biogaserzeuger gezwungen, eine größere Vielfalt an Ackerkulturen zu nutzen. Allein der Anbau von Energiemais ist innerhalb von sechs Jahren von 70.000 Hektar auf weit über 600.000 Hektar gestiegen und hat drastische Auswirkungen auf das Landschaftsbild und den Naturhaushalt. „Es gibt keinen Grund, den Atomausstieg als Argument für die weitere Förderung des Maisanbaus zu benutzen – das ist sowohl klima- als auch umweltpolitisch nicht vertretbar“, unterstreicht Miller.

„Für den Ausbau der Erneuerbaren Energien im Stromsektor müssen bis 2020 vor allem die Windenergie an Land und die Photovoltaik eine Schlüsselrolle spielen“, betont Miller. „Aber ausgerechnet in diesen Bereichen will die Bundesregierung die Förderung weiter einschränken“, kritisiert der NABU-Bundesgeschäftsführer. Mit den jüngst beschlossenen Kürzungen der Photovoltaik-Vergütung wird Strom aus Solarparks auf Freiflächen schon im nächsten Jahr günstiger sein, als aus Offshore-Windparks. Zugleich werde Solarstrom vom eigenen Dach immer konkurrenzfähiger zum herkömmlichen Stromangebot. „Mit besseren Rahmenbedingungen für den Bau von Offshore-Windparks allein lässt sich die Energiewende weg von Atom- und Kohlestrom nicht realisieren“, betont Miller.

Um das Gesamtsystem zur Stromversorgung konsequent auf einen steigenden Anteil Erneuerbarer Energien auszurichten, greift der Vorschlag für eine so genannte Marktprämie nach Auffassung des NABU zu kurz. Hiervon würden vor allem größere Anlagenbetreiber und die Energiekonzerne profitieren. „Mit mehr Wind- und Solarenergie werden die Schwankungen bei der Stromeinspeisung zunehmen. Um den Ausbaubedarf für Stromnetze zu verringern, unterstützen wir die Überlegungen der Bundesregierung für eine Speicheroffensive und die bedarfsgerechte Nutzung von Biogas“, erklärt Miller.

Am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena wurden erstmals mit Hilfe der Thermodynamik die natürlichen Grenzen erneuerbarer Energien und die möglichen Klimaauswirkungen bei deren Nutzung untersucht.

Sonnenergie ist die schonendste Energieform. Foto: Rainer Sturm / Pixelio

Die Analysen legen nahe, dass die Energie aus Wind und Wellen nur begrenzt verfügbar sein könnte und eine großflächige Nutzung dieser Energiequellen möglicherweise negativ auf deren Erzeugung durch das Klimasystem zurück wirkt. Auf Sonnenenergie basierende Energieumwandlungen könnten hingegen den zunehmenden menschlichen Energiebedarf auf der Erde langfristig und klimafreundlich abdecken.

Die Energieversorgung stellt eine der größten Herausforderungen für die Zukunft unserer Zivilisation dar. Während die klimaschonende Atomenergie ein Restrisiko ihrer Sicherheit erneut bestätigt, trägt die Verbrennung fossiler Brennstoffe unweigerlich zum Klimawandel bei. Alternative Energien aus natürlichen Quellen, wie Sonnen-, Wind – und Wellenenergie, sind hingegen risikoarm und werden als erneuerbar und klimafreundlich angesehen. Beide Aspekte, die Erneuerbarkeit und die Klimaverträglichkeit, wurden nun erstmals unter thermodynamischer Betrachtung des gesamten Erdsystems von Forschern des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena genauer untersucht.

Dr. Axel Kleidon, Leiter der unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe „Biosphärische Theorie und Modellierung“, beruft sich auf die anerkannten Gesetze der Thermodynamik, einer etablierten physikalischen Theorie, um zwischen Wärmeenergie und sogenannter “Freier Energie” zu unterscheiden. „Nur die Freie Energie ist relevant für die Nutzung erneuerbarer Energien“, so Kleidon. Sie bezieht sich auf jenen Anteil einer Energieform, der genutzt werden kann, um physikalische Arbeit zu verrichten, wie zum Beispiel das Hochheben oder Beschleunigen einer Masse, aber auch für die Energieproduktion für die Menschheit. Die natürlichen Grenzen für die Erzeugung von Freier Energie aus natürlichen Quellen auf der Erde wurden bisher kaum beachtet und in der aktuellen Forschung zum Klimawandel und Erneuerbaren Energien stark vernachlässigt. Kleidon und seine Gruppe konnten berechnen, dass die Fähigkeit des Erdsystems, unterschiedliche Formen Freier Energie zu erzeugen, auf ungefähr 1.000 Terawatt begrenzt ist (1 Terawatt entspricht 10^12 Watt und ist eine Einheit für den Energieverbrauch). „Nur etwa 0,6 Prozent der immensen Energiemenge von etwa 160.000 Terawatt Sonnenenergie, die als Strahlung die Erde erreicht, kann also als Freie Energie genutzt werden“, bestätigt Kleidon die geringe Effizienz der Umwandlung von Sonnenstrahlung in Freie Energie. Vom Menschen werden derzeit nur maximal 50 Terawatt Freier Energie verbraucht.

Diese thermodynamische Sichtweise für die Nutzung erneuerbarer Energien beinhaltet auch, dass verschiedene Arten erneuerbarer Energien unterschiedlich stark begrenzt sind. Wellen werden im Wesentlichen durch Wind erzeugt; Wind entsteht indirekt durch Wärmegradienten und somit letztlich aus der Sonnenenergie. Durch die schlechte Energieumwandlung der Sonnenenergie und wegen ihrer Abhängigkeiten vom Klimasystem sind die erneuerbaren Energiequellen Wind und Wellen daher nur in begrenzter Stärke produzierbar. Ein deutlich erhöhter Verbrauch dieser Energieformen, im Rechenbeispiel durch eine 1000fache Aufstockung heute existierender Anlagen, könnte nicht aufgefüllt werden und in der Folge sogar zu Rückkopplungen mit dem Klimasystem der Erde führen. Der Verbrauch der begrenzten Wind- und Wellenenergie würde dann über das Klimasystem die Regeneration dieser Energieformen zusätzlich drosseln.

Deutlich besser sieht es bei der Nutzung von Solarenergie aus. Die pflanzliche Photosynthese oder auch Solarkraftwerke können das Sonnenlicht direkt nutzen, um Freie Energie zu produzieren. Trifft die Sonnenstrahlung hingegen ungehindert auf die Erde und erwärmt lediglich den Boden, so ist die Freie Energie der Sonnenergie größtenteils verschwendet. „Damit erhöhen die Photosynthese und Solarzellen die Gewinnung Freier Energie innerhalb des Erdsystems“, erläutert Kleidon. Entscheidend hierbei: nur etwa 5 % der als Freien Energie nutzbaren Sonnenenergie wird bisher vom Mensch verbraucht, es gibt also noch viel Spielraum, diese Energiequelle stärker zu nutzen.

Hintergrund-Informationen:

Das Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena erforscht die Kreisläufe essentieller Elemente, insbesondere Kohlenstoff, und ihre Wechselwirkungen zwischen der Biosphäre, der Atmosphäre, der Geosphäre und den Ozeanen. Die Forschungsarbeiten zielen auf die Erfassung der Stoffkreisläufe und ihre Bedeutung für das Klimasystem im globalen Maßstab und für große Zeitskalen. Bedingt durch die Vielseitigkeit des Fachgebietes arbeiten Physiker, Meteorologen, Geologen, Chemiker, Biologen und Mathematiker sehr eng zusammen.

Die unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe „Biosphärische Theorie und Modellierung“, die von Dr. Axel Kleidon geleitet wird, benutzt einen thermodynamischen Ansatz zur Beschreibung von Erdsystemprozessen. Die Forschungsarbeiten befassen sich mit erneuerbaren Energien, Biodiversität, planetärer Entwicklung und Prozessen der

Originalpublikationen:

L.M. Miller, F. Gans, & A. Kleidon, 2011: Estimating maximum global land surface wind power extract-ability and associated climatic consequences; Earth Syst. Dynam. 2. 1-12, doi: 10.5194/esd-2-1-2011.

A. Kleidon, 2011: How does the earth system generate and maintain thermodynamic disequilibrium and what does it imply for the future of the planet? Philosophical Transactions of the Royal Society (eingereicht), arXiv: 1103.2014v1.

Weitere Infos

Website der Forschungsgruppe “Biosphärische Theorie und Modellierung”

Bei der Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) muss aus Sicht des NABU der weitere Umbau unserer Stromversorgung vorangetrieben, aber auch die massiven Fehlentwicklungen im Bereich der energetischen Biomassenutzung korrigiert werden.

Energiemais zerstört die Landschaft – Foto: Thorben Wengert / Pixelio

So stieg allein die Anbaufläche für Energiemais innerhalb von sechs Jahren von 70.000 Hektar auf über 600.000 Hektar in 2010 an. „Die Förderung von Biogasanlagen über das EEG hat zur Ausweitung des Maisanbaus geführt, verbunden mit drastischen Auswirkungen auf das Landschaftsbild und den Naturhaushalt. Sie gilt damit als einer der Haupttreiber für den klimaschädlichen Umbruch von Grünland“, sagte NABU-Bundesgeschäftsführer Leif Miller. Ziel müsse sein, die Förderung von Energiepflanzen an klare Umweltauflagen zu koppeln und zugleich Reststoffe stärker zu berücksichtigen.

Der NABU schlägt vor, die Biogaserzeugung im künftigen EEG im Wesentlichen nur noch über zwei Instrumente zu steuern. Ein neu einzuführender Umweltbonus solle gezielt natur- und umweltverträglich erzeugte Anbaubiomasse wie Mischkulturen und Kleegras sowie Landschaftspflegematerial unterstützen. Mit einem Reststoffbonus würden neben Bioabfällen vor allem standortangepasste Anlagen zur Verwertung der Gülle in der Landwirtschaft gefördert. Im Gegenzug könnten der Bonus für nachwachsende Rohstoffe und weitere Zusatzvergütungen abgeschafft werden. „Nur wenn neben Klimaschutz und Versorgungssicherheit auch dem Natur- und Ressourcenschutz Rechnung getragen wird, kann eine breite Akzeptanz für erneuerbare Energien erhalten werden”, so Leif Miller.

Angesichts der zunehmenden Nutzungskonkurrenzen könne es nicht mehr darum gehen, immer mehr Biomasse zu verstromen. Die Stromeinspeisung sollte sich stärker auf die Zeiten konzentrieren, an denen Wind- und Solarenergie nicht ausreichend zur Verfügung stehen oder die Nachfrage besonders hoch ist. Dazu müssten entsprechende Lagerkapazitäten für die Rohstoffe, Biogasspeicher und zusätzliche Motorkapazitäten geschaffen werden. „Wir brauchen einen Paradigmenwechsel für eine bedarfsgerechte Nutzung der Biomasse zur Stromerzeugung, ohne dass dafür insgesamt wesentlich mehr Rohstoffe als heute verbraucht werden müssen“, forderte NABU-Bundesgeschäftsführer Miller.

Hintergrundpapier des NABU zur EEG-Novelle