Energiehunger

Schwer zu stillender Energiehunger

Einsteins Formel E = mc² sagt uns, begehrte Energie sollte sich prinzipiell aus Masse - also Materie - gewinnen lassen. Sie sagt uns aber nicht wie. Materie ist zum Glück in unserer Welt sehr stabil, die Zahl der Baryonen und Leptonen verändert sich nicht, also Masse kann nicht einfach in Energie verwandelt werden. Bisher haben wir Menschen dennoch 3 prinzipiell unterschiedliche Mechanismen gefunden, die das leisten:

1. Chemische Reaktionen mit "positiver Energiebilanz" (etwa durch Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdgas, Erdöl, Methanhydrat und regenerativ erzeugtem Holz...). Bei diesen Reaktionen verringert sich die Masse insgesamt nur so gering, dass wir es nicht bemerken mit der Folge, dass für jede gewonnene Energieeinheit viel Brennstoff benötigt wird. Den Umgang mit Feuer beherrschen Menschen schon mehr als 300.000 Jahre (Altsteinzeit, Paläolithikum). Seine Nutzung war ein entscheidender Schritt der kulturellen Entwicklung. Noch heute bildet die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen die Basis der Energiegewinnung. Fossile Lagerstätten sind begrenzt und können nur mit wachsendem Aufwand erschlossen werden. Erdöl wird deshalb in 100 Jahren nur noch schwer zu fördern sein. Für Erdgas wird das in 200 Jahren erwartet. Die größten Vorräte fossiler Energieträger gibt es in Form von Kohle: Bei gleich bleibendem Abbau würden sie noch mehrere hundert Jahre reichen. Verfahren zur Umwandlung von gasförmigen und festen Energieträgern in flüssige werden wieder interessant werden. Das bei der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre abgegebene CO₂ gilt als Hauptursache der gegenwärtigen Klimaerwärmung. Die Kosten der Energieerzeugung aus fossilen Trägern werden besonders anwachsen, wenn eine "Endlagerung" des Verbrennungsprodukts CO₂ erreicht werden soll.

2. Kernfusion mit Bildung dichter Atomkerne (etwa Helium) aus weniger dichten Kernen (wie Deuterium und Tritium) oder Protonen (Wasserstoff). Der relative Massenverlust ist 7 Dezimalen größer als bei chemischer Verbrennung: es wird für eine Energieeinheit entsprechend extrem viel weniger Brennstoff benötigt. Fusionsprozesse sind die Quelle der Sonnenenergie und damit mittelbar die Grundlage der innerhalb von Jahrmillionen auf der Erde angesammelten fossilen Energieträger und der meisten regenerativen Energiequellen. Im Innern der Sonne reichen die Brennstoffvorräte noch für etwa 5 Milliarden Jahre. Ungeregelt zeigt die Wasserstoffbombe das Potenzial dieses Mechanismus. Eine geregelte Energiegewinnung auf Basis der Kernfusion kann in den nächsten Jahrzehnten noch nicht großtechnisch genutzt werden, denn sie wird im technischen Maßstab noch nicht beherrscht und ist mit sehr großem Aufwand verbunden. Der Vorrat an Brennstoff wäre freilich fast unbegrenzt: Für die Fusion von Helium kann natürliches Deuterium aus Wasser gewonnen werden. Der zweite erforderliche "Brennstoff" Tritium kann aus Lithium mit überschüssigen Neutronen im Fusionsreaktor erbrütet werden. Die Neutronen erzeugen im Baumaterial radioaktiven Abfall - insgesamt deutlich weniger als bei Kernspaltung.

3. Kernspaltung mit Bildung dichter Atomkerne aus weniger dichten schweren Kernen. Da mittlere Atomkerne wie Eisen am dichtesten gepackt sind, lässt sich auch durch Spaltung eines schwereren Kerns in zwei mittlere Kerne insgesamt Masse vermindern und Energie freisetzen wie die Atombombe eindrucksvoll beweist. Das Prinzip der Energiegewinnung mit einer sich selbst erhaltenden Spaltung durch den dabei auftretenden Überschuss an Neutronen wird in Kernkraftwerken (KKW) ausgenutzt. Auch dabei ist der Brennstoffeinsatz relativ gering (für eine Jahres-Leistung von 1GW wird nur eine Tonne Brennstoff benötigt). Für die geregelte Kernspaltung eignen sich nur wenige spaltbare "Brennstoffe" wie Thorium, Uran und Plutonium. Die Vorräte davon sind begrenzt, denn entstanden sind diese Elemente vor Milliarden von Jahren in Supernovaexplosionen jeweils innerhalb weniger Sekunden durch vielfache Neutroneneinlagerung. Das dabei auch entstandene Plutonium239 ist längst spontan zerfallen, denn es hat eine Halbwertszeit von "nur 24.360" Jahren. Aus den im Raum zerstreuten Resten von mehreren solchen aufeinander folgenden Supernova-Ereignissen hat sich schließlich das Sonnensystem mit unserer Erde gebildet. Die bekannten Vorräte an Uran und Thorium würden bei gleich bleibendem Verbrauch etwa 100.000 Jahre reichen.

Die Probleme der Kernkraftwerke sind die radioaktiven Abfälle und das "Restrisiko" beim Betrieb. In Deutschland ist die Akzeptanz für jedes noch so kleine Restrisiko weiter gesunken. Das Recycling abgebrannter Brennelemente ist nach einer Zwischenlagerung von 1 bis 2 Jahren möglich, nachdem die Strahlung kurzlebiger Isotope abgeklungen ist. Danach kann das mit fast 1% darin enthaltene Plutonium sowie das restliche Uran abgetrennt werden. Dieses Material kann in neue MOX-Brennstäbe eingebracht und in den Brennstoffkreislauf zurück gebracht werden. Dies nicht nur weil es wertvolle Ressourcen sind, auch damit das Material nicht für den Bau von Kernwaffen missbraucht werden kann. Die nicht verwertbaren strahlenden Abfälle müssen sicher end-gelagert werden. Bei optimiertem Recycling erreicht die Strahlung im Endlager im theoretisch günstigsten Fall nach etwa 300 Jahren das Niveau des ursprünglichen Urans nach dessen Abbau im Bergwerk. Derzeit praktizierte Verfahren sind noch weit davon entfernt. Man versucht derzeit schon im Kernreaktor langlebige Isotope mit schnellen Neutronen in kurzlebigere umzuwandeln. Ziel ist dabei die notwendige Abklingzeit der Strahlung im Endlager auf höchstens 10000 bis maximal 100000 Jahre zu begrenzen. Das ist ein Zeitraum, für den Geologen noch sichere Aussagen über die Stabilität der umgebenden Gesteine im Endlager treffen können.

Der niedrige Energiepreis aus Kernenergie wird ansteigen: Verbesserte Technologien zur Abfall-Aufbereitung erfordern einen höheren Aufwand und vorgeschlagene Reaktortypen mit höheren Sicherheitsanforderungen erhöhen die Kosten. Ein Kandidat für zukünftige Reaktortypen ist "ADS", ein beschleunigergetriebenes unterkritisches System, bei dem eine Explosion des Reaktors wie in Tschernobyl nicht eintreten kann. Dieser Unfall zeigte, wie wichtig eine redundant abgesicherte Mess-, Steuer- und Regeltechnik ist, die nicht einfach abgeschaltet werden kann. Das Unglück in Fukushima unterstreicht andererseits die Bedeutung der Kühlsysteme. Die müssen mehrfach abgesichert funktionieren, selbst wenn der Reaktor zuvor abgeschaltet wurde und wenn der Eigenbedarf nicht mehr aus dem Hochspannungsnetz bezogen werden kann. Denn die Brennstäben geben nach einer Schnellabschaltung des Reaktors weiter Wärme ab, anfangs etwa 60% der Leistung im Normalbetrieb, dann im Zeitverlauf exponentiell abfallend. Die genannten schweren Unfälle wären bei ausreichender Kühlung der Brennstäbe vermieden worden.

Das gegenwärtig beobachtete Ansteigen der mittleren Temperaturen besonders auf der nördlichen Halbkugel zeigt an, dass sich das feine Gleichgewicht des Klimas auf der Erde gegenwärtig wieder verschiebt. Trotz großer Anstrengungen bei Modellrechnungen ist eine genaue Vorhersage über größere Zeiträume wegen zu zahlreicher Einflussfaktoren bisher nicht möglich. Dabei ist es neben erkannten Ursachen schwer abzuschätzen, wie nach einer Temperaturerhöhung zusätzliche rückkoppelnde Faktoren die Erwärmung beschleunigen können - etwa freiwerdendes Methan und Kohlendioxyd aus den Kontinentalschelfen im Meer oder dem Dauerfrostboden Sibiriens. Verschiedene Kreisläufe von Kohlenstoff sind ungenau bekannt. Meerwasser etwa enthält in sehr geringer Konzentration organische Verbindungen, die dennoch in ihrer Summe den in der Atmosphäre enthaltenen Kohlenstoff übertreffen können. Wie Bakterien mit solchen Bestandteilen umgehen, ob sie Stoffkreisläufe unterhalten, es gibt mehr Fragen als Antworten.

In den letzten 2 Millionen Jahren gab es mehrere Kälteperioden und wärmere Zwischeneiszeiten. In Europa können wir an den Alpengletschern und den Jahresringen von alten Bäumen ständige Klimaschwankungen bis in unsere Zeit ablesen. Diese Gletscher waren vor 8000 Jahren verschwunden, Bäume wuchsen in Bergregionen, die heute vergletschert sind. Wie die Rekonstruktion der Junitemperatur zeigt, gilt das auch für den hohen Norden Europas. Vor 1000 Jahren war es ebenfalls wärmer als heute, obgleich damals der Mensch weniger Einfluss auf das Klima hatte. Dagegen war es vor 350 Jahren kälter, was mit der damals verminderten Aktivität der Sonne erklärt wird.

Die meisten Klimaforscher nehmen als Ursache der gegenwärtigen Erwärmung eine sich gegenseitig steigernde Überlagerung "natürlicher" Ursachen mit der vom Menschen verursachten Emission von Treibhausgasen an - besonders von CO₂ bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, etwa bei der Zementproduktion usw... Zur Abtrennung des CO₂ aus Rauchgasen werden verschiedene Verfahren in Pilotanlagen erprobt mit dem Ziel schließlich zur Endlagerung geeignete Rückstände zu erhalten. Aus gegenwärtiger Sicht wird vor allem für das von anderen Bestandteilen - wie Stickstoff, Argon, Stickoxyden, Schwefeloxyden - befreite also reine CO₂ ein geeignetes "Endlager" gesucht. Speziell die kalte Tiefsee hat eine fast unerschöpfliche Kapazität als "CO₂-Endlager". Es dort hin zu verbringen wäre eine technische Herausforderung. Derzeit wird das Verpressen in speicherfähige Erdschichten favorisiert. Für eine dauerhafte Speicherung geeignete Schichten sind jedoch meist fern vom Ort der Energieerzeugung. Ein unkontrollierter CO₂-Austritt wird als Risiko angesehen. Alle bisher bekannten Verfahren sind aufwändig und verschlechtern den effektiven Wirkungsgrad in der Energiebilanz. Pilotanlagen befinden sich im Erprobungsstadium. Fürchten wir zu sehr Kosten und Risiken der CO₂-Entsorgung und lassen es lieber die Natur langfristig selber "regeln"? Die löst CO₂ aus der Atmosphäre im Ozean allerdings zunächst vor allem im relativ warmen Oberflächenwasser. Das Gleichgewicht der dort beheimateten Arten verschiebt sich. Mehr Wärme und Kohlensäure gesellen sich zur Überfischung, die Lebensgemeinschaften verändern sich. Wenn die Eisdecke im Nordpolarmeer weiter wie bisher schwindet, hat das wenigstens einen positiven Nebeneffekt: es erleichtert die CO₂-Absorption in kaltem Wasser mit Zirkulation zur riesigen Tiefsee.

Als Alternative wird ein Wechsel weg von der Kohlenwasserstoffverbrennung hin zu einer Wasserstoffwirtschaft diskutiert. Wasserstoff als sekundärer Energieträger kann auf verschiedenen Wegen (CO₂-neutral, doch leider nur mit geringem Wirkungsgrad - etwa aus Windenergieanlagen) erzeugt werden. Er kann leichter gespeichert werden als elektrische Energie oder auch zu anderen Energieträgern wie Methan verarbeitet werden. Viele Fragen der Ökonomie einer Wasserstoffwirtschaft und auch indirekte Wirkungen auf das Klima sind noch ungenügend beantwortet.

Bei einem künftig hohen Anteil der Stromerzeugung aus regenerativen Quellen mit geringer Verfügbarkeit sind zuverlässige "Speicher" die eigentliche technische Herausforderung. Der oft genannte Netzausbau ist dagegen technisch kein Problem. Eine hohe Verfügbarkeit und Stabilität hat höchste Priorität bei der Planung elektrischer Netze. Dabei sind sehr lange Fernübertragsleitungen mit großer Übertragungsleistung ohne redundante Vernetzung nicht ratsam, schon gar nicht in politisch instabilen Regionen. Ihr Ausfall wäre vergleichsweise viel dramatischer als etwa bei Erdgas. Für Zeiten mangelnder Sonnenstrahlung bei Solaranlagen und Windstille bei Windkraftanlagen müssen andere Reserveeinheiten vorgehalten werden. Deren anzustrebende geringe durchschnittliche Nutzung erhöht allein durch ihre Bereithaltung effektiv den Strompreis. Am liebsten würde man sich Reserveeinheiten wünschen, die ohne fossile Energieträger auskommen. Pumpspeicherwerke werden in Deutschland seit 1929 erfolgreich zum Ausgleich von Lastschwankungen und als schnell verfügbare Havariereserve betrieben.

Ihr Wirkungsgrad konnte von anfänglich 65% auf 80% verbessert werden. Vielleicht hätte die (Energie-) Speicherung mit Druckluft in ausgehöhlten Salzkavernen eine Chance. Dafür müsste der Wirkungsgrad dieses Kreisprozesses erhöht oder anders gesagt die Thermodynamik bis an ihre Grenze ausgeschöpft werden. Bei einem hohen Anteil etwa der Windenergie am Energiemix wären sehr große Energiespeicher gefragt. Magnetfeldspeicher (mit supraleitenden Spulen) oder eben Pumpspeicherwerke können das wegen der topografischen Gegebenheiten in Deutschland nicht leisten. Um die Größenordnung der Alternativen zu verstehen: Ein durchschnittliches modernes Kern- oder Kohlekraftwerk zu ersetzen sind 1000 Windenergieanlagen und zusätzlich Reserveeinheiten etwa in Form von Gasturbinenanlagen (oder GuD, kombinierte Gas- und Dampfturbinen) und Gasspeicher erforderlich. Betrachten wir die aktuelle Situation in Deutschland: Die Lastspitze also der maximal auftretende Gesamtbedarf liegt derzeit bei 80 GW. Inzwischen bringen 24 GW installierte Leistung von Windkraftanlagen (2007) zeitweilig einen beachtlichen Anteil an der Gesamtleistung. Ereignet sich starker Wind in einer Zeit mit geringem Bedarf (schwacher Last) ist die Lastverteilung ein Problem. Vielleicht könnte die Erzeugung von Wasserstoff in lastschwachen Zeiten, seine Weiterleitung und Speicherung Chancen eröffnen. Derzeit ist nicht zu erkennen wie die für die kommenden Jahrzehnte von der Regierung proklamierten Klimaziele in Deutschland ohne steigende Strom- und Gasimporte erreicht werden können.

Strom aus regenerativen Quellen mit geringer Verfügbarkeit ist weniger wertvoll. Biogasanlagen haben in dieser Hinsicht Vorteile, da sie sich zuverlässiger betreiben lassen. Nachwachsende Rohstoffe und das erzeugte Gas lassen sich speichern - bevor es verheizt oder daraus Strom erzeugt wird. Alternativ kann Biomasse auch als Rohstoff für die Wasserstofferzeugung dienen. Jährliche Schwankungen der Wachstumsfaktoren (wie Regen usf.) für diese Rohstoffe können einkalkuliert werden ebenso wie die Aufwendungen für die Bodenbearbeitung und Düngerherstellung. Nicht nur die Wirtschaftlichkeit, auch Auswirkungen der Bodenbewirtschaftung auf die Klimabilanz und die verfügbaren Anbauflächen für Nahrungs- und Futtermittel sind abzuwägen. Vorrangig sollten "Abfallprodukte" als primäre Energieträger dafür genutzt werden.

Die Verschwendung der Menschen in Industriestaaten, vor allem aber das Wachstum in Schwellenländern mit großer Bevölkerung, sorgen für steigenden Energiebedarf. Es ist eine Illusion zu glauben, künftige Gesellschaften würden global betrachtet mit weniger Energie auskommen wollen. Aus gegenwärtiger Perspektive wird es keine „richtige“ Energiepolitik für alle geben. Die Voraussetzungen in der Welt im Hinblick auf Ressourcen, Risikobereitschaft, technisches know how, Finanzierungsmöglichkeiten und Renditeerwartungen, Umweltbewusstsein… sind viel zu unterschiedlich. Keine Primärenergie ist klarer Favorit überall und für alle. Der Anteil regenerativer Quellen - einschließlich uns noch ungewohnter - wird sich hoffentlich vergrößern. Und es werden mehr Anstrengungen für die Endlagerung von strahlenden Spaltprodukten der KKW und von Verbrennungsprodukten der Wärmekraftwerke nötig sein. Energie wird deshalb abgesehen von den Brennstoffkosten teurer werden. Öffentlich geführte Diskussionen von selbsternannten Experten erinnern oft eher an einen fanatischen Glaubenskrieg als an die sachgemäße Suche nach den besten Lösungen. Demagogische Sprüche werden durch Wiederholung nicht richtiger, wenn gesamtgesellschaftliche Auswirkungen verschwiegen werden. Verschwiegen wird meist wie gewaltig die versteckten wirtschaftlichen Interessen in diesem "Spiel" sind und wie sehr sie im Ergebnis die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie und auch jeden kleinen Verbraucher betreffen.

Die Situation kann von derzeit noch "reichen" Volkswirtschaften verkraftet werden. Die meisten Energieverbraucher der Zukunft leben dagegen in Ländern mit geringem pro Kopf Einkommen. Für diese Menschen muss Energie bezahlbar bleiben, denn vor allem sie werden entscheiden, ob der vom Menschen verursachte Klimawandel aufgehalten werden kann und wie zuverlässig Kernkraftwerke künftig betrieben werden. Eine zweite industrielle Revolution wird kommen müssen: mit direkter oder indirekter Nutzung der Sonne (in Wind-, Biogas-, Solarkraftwerken) und vermutlich auch einer weiter entwickelten Kernenergie. Ein wirksamer Weg, CO₂ aus der Atmosphäre zu entfernen, wäre Kohlenstoff aus dem Stoffkreislauf zu entfernen und mit ihm landwirtschaftlich genutzte Böden anzureichern mit dem positiven Effekt steigender Erträge (Schwarzerdeboden) - leicht gesagt, doch der schwer zu stillende Energiehunger...

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