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Die Energiefrage

 
 
 
 
 
 

Dr. BjÖrn Peters

Die Energiefrage - #32
Die ersten hundert Tage (1|3):
Offene Forschungsfragen der Energiepolitik

Die Briten haben schon eigenartige Zeitgenossen. Da gibt es Leute, die sich jahrelang engagiert dafür einsetzen, dass Großbritannien die EU verlässt, und wenn ihnen die Bürgen den Gefallen tun, entsprechend abzustimmen, dann haben sie nicht den Hauch einer Ahnung, was als nächstes zu tun ist. In der deutschen Energiepolitik wollen wir stattdessen vorbereitet sein. Sollten sich nach der Bundestagswahl dank eines glücklichen Wählervotums Mehrheitsverhältnisse für den notwendigen Neustart der Energiepolitik ergeben, dann wollen wir vorbereitet sein. Wir starten eine kleine Reihe von Artikeln bis zur Bundestagswahl mit der Analyse von offenen energietechnischen Forschungsfragen, die dringend angegangen werden müssen.

Oft haben wir in "Die Energiefrage" festgestellt, dass die von der Bundesrepublik Deutschland verfolgte ‚Energiewende' elementare naturwissenschaftliche und technische Zusammenhänge nicht hinreichend berücksichtigt, manchmal sogar mathematische Zusammenhänge.  Zur Wiederholung: Das eigentliche Ziel der ‚Energiewende', die chemischen Energieträger Kohle, Öl und Gas langfristig zu überwinden, stellt so gut wie niemand infrage.  Nur hat die Bundesrepublik derzeit keine Energiepolitik, die dazu geeignet ist, dieses Ziel auch nur annähernd zu erreichen.  Umgebungsenergie wie Solar- und Windenergie liefert nicht stetig genug Energie zur Versorgung, und die Technologien zur Überbrückung der großen zeitlichen Lücken steht noch nicht ansatzweise zur Verfügung.  Zu groß ist also die Herausforderung der ‚Energiewende', denn weltweit wie auch in Deutschland stammen etwa vier Fünftel der verwendeten Energie aus chemischen Quellen, die in der Regel fossilen Ursprungs und damit endlich sind.  Nukleare Energien stellen nur wenige Prozent bereit, der Rest kommt aus der Umgebung, also vor allem aus der Verbrennung von Holz, in geringem Umfang auch aus der energetischen Nutzung Biomasse, aus Wasserkraft, Wind- und Solarenergie sowie Geothermie (in dieser Reihenfolge). 

Da weite Teile der einst führenden deutschen energietechnischen Forschung mangels Finanzierung eingestellt wurden, ist die energietechnische Forschungsförderung kein Sprint, sondern ein auf Jahrzehnte angelegter Marathon.  Es fehlen uns in allen wichtigen Bereichen die Technologien, um die Überwindung chemischer Energieträger erfolgreich bewerkstelligen zu können.  Zentrale Fragen wurden schlicht nicht gestellt.  Wir können froh sein, wenn sich durchschlagende Erfolge ab der Jahrhundertmitte einstellen.  Lassen Sie uns hier kurz skizzieren, wie eine Forschungsförderung aussehen könnte, die das neugewählte Parlament ab Herbst anstoßen sollte.  Wir orientieren uns dabei zunächst an der Energieerzeugung, dann an der Energieverwendung.

Forschung für die Nutzung von Umgebungsenergie

Da die Umgebungsenergien das Steckenpferd der Deutschen zu sein scheinen, beginnen wir bei ihnen.  Bei der Frage, welche energiewirtschaftliche Rolle sie spielen könnten, wurde bislang sträflich vernachlässigt, den Einfluss von Wetter auf die Solar- und Windenergie, Wasserkraft und die Verfügbarkeit von Kühlwasser für thermische Kraftwerke systematisch zu verstehen.  Dringend überfällig ist also die Gründung eines interdisziplinären Instituts für Statistische Energiemeteorologie mit dem Auftrag, in Deutschland, Europa und der Welt Wetterdaten dahingehend zu analysieren, wie sich Witterung auf die Energieproduktion systemisch auswirkt, und mit diesen Erkenntnissen die technologischen und volkswirtschaftlichen Lösungen für die Nutzung von Umgebungsenergie zu formulieren.  Auch sollte hier berechnet werden, wie sich der Ausbau von Solar- und Windenergie auf die notwendigen Leitungskapazitäten quer über den Kontinent auswirkt.  Im Deutschen Wetterdienst gab es bereits Initiativen zur Generierung entsprechender Datensätze (im Hans-Ertl-Zentrum für Wetterforschung), allerdings sind die Arbeiten daran eingeschlafen und müssen verstetigt werden.  Je besser die statistischen Eigenschaften von Wetter verstanden sind, desto treffgenauer können politische Entscheidungen über die Nutzung von Umgebungsenergie getroffen werden.  Heute fehlen diese Kenntnisse.
Zur Entwicklung von Stromspeichern sollten technologieneutrale Fördertöpfe eingerichtet werden, mit denen Forscher Ideen weiterverfolgen könnten, an die heute vielleicht noch niemand denkt.  Stromspeicher sind aber nur eine Antwort auf die Anforderungen der Energiemärkte, daneben gibt es noch andere Verfahren, Nachfrage und Angebot im Strommarkt aneinander anzugleichen.  Diese werden beispielsweise im KOPERNIKUS-Programm der Bundesregierung erforscht, ein sinnvoller Ansatz.  Aus Strom chemische Brennstoffe für die Wiederverstromung zu machen, ist energetisch so lange sinnlos, wie dabei über die gesamte Prozesskette vier Fünftel der Energie verloren geht.  Das Thema beleuchten wir auch noch weiter unten.
Forschung an der Effizienzsteigerung von Solaranlagen sowie an den gesundheitlichen Auswirkungen von Windindustrieanlagen sollten gleichfalls gefördert werden.  Das größte Potential der Nutzung der Umgebungsenergie in Deutschland hat aber die Nutzung der Tiefen-Geothermie für Heizzwecke – die Stromerzeugung mit den dann viel tieferen und teureren Bohrlöchern ist nicht wirtschaftlich.  Weite Teile Norddeutschlands, des Rheingrabens und des Alpenvorlands eignen sich für die Einspeisung geothermischer Energie in Fernwärmenetze.  Die Forschung daran sollte verstetigt werden und das Bergrecht danach durchgesehen werden, die Genehmigungsabläufe zu vereinfachen.

Die Nutzung von Biomasse zur Verstromung oder Gaserzeugung ist übrigens aus energetischer Sicht sehr ineffizient: Weniger als zwei Prozent der eingegangenen Sonnenstrahlung wird nutzbar gemacht, dies allerdings unter Aufbringung von erheblichen Mengen an Mineralöl für Feldbearbeitung, Düngung und Verarbeitung.  Der energetische Saldo ist also kaum positiv.  Daneben würde es der Artenvielfalt in Deutschland am besten auf die Sprünge helfen, wenn die für die energetische Nutzung aufgebauten, enorm großen Monokulturen mit Mais und Raps in naturnahe Brachflächen umgewandelt würden.

Forschung an chemischen Energieträgern

Ein knappes Drittel des Weltenergieverbrauchs stammt aus Erdöl und wird vornehmlich im Transportsektor eingesetzt.  Dass dies so ist, liegt an der hohen Energiedichte von Erdöl.  Mit Kraftstoffen aus Erdöl im Tank lassen sich also große Energiemengen im Schiff, Auto und Flugzeug mitführen.  Moderne Lithium-Batterien kommen Demgegenüber etwa auf ein Hundertstel der Energiedichte von Kraftstoffen.  Dies zeigt die Größe der Herausforderungen in der Batterieforschung in den kommenden 3-4 Jahrzehnten bis zur Marktreife von Elektroautos.  Ein anderer Lösungsansatz ist, mit Einsatz von elektrischer Energie künstlich Kraftstoffe herzustellen.  Würde dies gelingen, könnten wir die Vorteile von Verbrennungsmotoren weiterhin nutzen.  Ansätze für die großtechnische Produktion synthetischer Kraftstoffe gibt es bereits, allerdings ist der Umwandlungswirkungsgrad noch eine hohe Hürde.  Wenn über 80 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie als Abwärme verloren geht, wären gigantische Kühltürme notwendig, die das Unterfangen ad absurdum führen.  Interessanterweise sind derzeit auch bereits synthetische Kraftstoffe in der Erprobung, die den Sauerstoff für die Verbrennung von Kohlenstoff und Wasserstoff selbst mitführen.  Der Vorteil ist enorm, ist die Verbrennung doch dadurch frei von Stickoxiden und sehr arm an Feinstaub.  Dem Verbrennungsmotor mit Verbotsphantasien zu begegnen ist angesichts dieser vielversprechenden technischen Entwicklungen an intellektueller Schlichtheit kaum zu überbieten.  Stattdessen sollte die Forschung an höheren Umwandlungswirkungsgraden in der Prozesskette hin zu synthetischen Kraftstoffen eine hohe Priorität erhalten.

Erdgas ist noch für einige Jahrhunderte verfügbar.  Weil es wegen des hohen Wasserstoffgehalts emissionsarm verbrennt, eignet es sich sehr gut als Brückentechnologie in einer Zeit, in der Erdöl knapper wird.  Flüssiggas lässt sich auch gut als Kraftstoff im Mobilitätssektor verwenden.  Die Technologien rund ums Erdgas sind gut verstanden, offene Forschungsfragen gibt es kaum.  Allerdings könnte es sein, dass Erdgas buchstäblich aus der tiefen Erde emporsteigt und nicht fossilen Ursprungs ist.  Dies zu erforschen wäre lohnenswert, dazu sollte in internationaler Zusammenarbeit ein Forschungsinstitut zum besseren Verständnis der tiefen Geosphäre gegründet werden. 
Kohle dient heute in erster Linie der Verstromung, in zweiter Linie der Herstellung von Stahl.  Die energetische Nutzung soll ja gerade überwunden werden, allerdings sind moderne Kohlekraftwerke bereits so sauber, dass aus ihren Schloten kaum mehr als Kohlendioxid und Wasserdampf entweicht.  Für die stoffliche Nutzung von Kohle in der Stahlherstellung gibt es nur wenige Regionen, in denen genügend Holzkohle da ist, um die Steinkohle zu ersetzen.  In absehbarer Zeit wird es also keine Stahlherstellung geben, wenn Pläne zur "Dekarbonisierung" weiterverfolgt werden.  Hier wären neue Forschungsansätze sinnvoll.  Analoges gilt für die stoffliche Nutzung von Erdgas und Erdöl, beispielsweise in der Chemieindustrie.  Diesen Materialbedarf aus Biomasse wie Algen, Bakterien und Pflanzen zu erzeugen, ohne durch Industrialisierung der Agrarökonomie die Artenvielfalt zu gefährden, sollte weiter erforscht werden.

Forschung an nuklearen Energien

Wenn Umgebungsenergien auf Jahrzehnte hinaus oder vielleicht nie einen entscheidenden Beitrag zur Energieerzeugung leisten können, gleichzeitig auch auf die Nutzung chemischer Energieträger verzichtet werden soll, dann bleiben nur nukleare Technologien für die langfristige Energieversorgung der Menschheit übrig.  Nicht hilfreich war daher, dass die derzeitige Bundesregierung die Gelder für die Fusionsforschung eingefroren hat, sodass tarifliche Erhöhungen für das Wissenschaftspersonal nur durch Stellenstreichungen aufgefangen werden konnten.  (Die ‚Grünen' wollen übrigens ganz aus der Fusionsforschung aussteigen!)  Seien wir froh, dass wir in Deutschland mehrere erstklassige Forschungsinstitute für die Kernfusion haben.  Deren Mittel sollten so erhöht und verstetigt werden, dass die Fortschritte hin zur großtechnischen Anwendung beschleunigt und nicht ausgebremst werden.

In einem anderen Feld, der Forschung an modernen Verfahren der Kernspaltung, ist ein Aufbau von Forschungskapazitäten nahezu aussichtslos.  In einem beispiellosen Kahlschlag an der Kernforschung seit den 1990er-Jahren haben viele aktive Wissenschaftler das Land verlassen, ein anderes Forschungsgebiet gesucht oder sind bereits verrentet.  Dabei gibt es längst technologische Konzepte für die Nutzung der Kernenergie, die wenig Atommüll erzeugen und bei denen eine Kernschmelze physikalisch unmöglich sind.  Nur werden diese Konzepte nur noch in Russland und China untersucht.  In Deutschland wieder eine solche Forschungslandschaft aufzubauen und an die Weltspitze Anschluss zu finden wird Jahrzehnte dauern. In einigen Bereichen müssen ganze Studiengänge aufgebaut und eine neue Generation von Forschern herangezogen werden.  Ob der politische Wille hierfür da ist, erscheint aus heutiger Sicht fraglich.  Notwendig wäre er und die kommende Bundesregierung sollte sich das Ziel setzen, die Öffentlichkeit von dieser Notwendigkeit zu überzeugen.

Anwendungsforschung

Energie wird ja hauptsächlich für Verkehr, Wärme-/Kälteerzeugung und Strom verwendet.  In der Verkehrsforschung gibt es einige Bereiche, in denen deutsche Forscher bereits Ergebnisse geliefert haben, deren Erkenntnisse aber noch kaum in die praktische Politik eingeflossen sind.  Hierzu zählen die Ursachen von Emissionen aller Art, die Bedingungen für emissionsarmen Verkehrsfluss, Verbrennungsprozesse im Motor, alternative Antriebstechnologien, synthetische Kraftstoffe, Verkehrssicherheit und vieles mehr.  Will man einen emissionsarmen Verkehr sowohl im Hinblick auf Schadstoffe als auch Lärm, so kommt man um eine konsequente Umsetzung bestehender Forschungsergebnisse und die Klärung noch bestehender offener Fragen nicht herum.  Eine der wichtigsten dabei ist, wie Stromnetze im Zeitalter von Elektromobilität aussehen sollten.

Im Wärme-/Kältesektor ist der Einfluss von Wärmedämmung auf das tatsächliche Verbrauchsverhalten von Gebäuden noch viel zu wenig erforscht.  Dadurch gibt es auch keine seriösen Studien über die Energiebilanz von Wärmedämm-Maßnahmen.  Dies ist bedauerlich, da der erste Zentimeter an Dämmschicht viel mehr an Dämmwirkung bringt als der letzte Zentimeter.  Da die Produktion von Dämmstoffen Energie kostet, könnte eine übertriebene Wärmedämmung über die gesamte Lebenszeit einer Dämmschicht mehr Energie kosten als sie einspart.  Hierzu bedarf es neuer Forschungsansätze und einer Umsetzung in die Gesetzgebung.

Recht gut entwickelt ist in Deutschland die Forschung an "Negawatt", also an der Vermeidung von Energieverbrauch durch Effizienzsteigerung von bestehenden Prozessen.  Diese Forschung sollte weitergeführt werden.

Klimaforschung

Die Forschung an der Physik der Atmosphäre ist der Bereich der Wissenschaft, der in den vergangenen Jahrzehnten den mit Abstand größten Einfluss auf die Politik weltweit genommen hat.  Mithilfe der ersten vorläufigen Ergebnisse der Klimaforschung wurden politische Entscheidungen getroffen, die die Volkswirtschaften der Welt auf Jahrzehnte hinaus mit Billionen an US-Dollar belasten werden.  Umso wichtiger ist es, die Klimaforschung dahingehend zu kontrollieren, ob sie wissenschaftliche Standards einhält, und die Forschungstöpfe dort einzusetzen, wo tatsächliche Menschheitsprobleme gelöst werden.  Aus Platzgründen verzichten wir auf eine ausführliche Darstellung der notwendigen Umstrukturierungen in den Klimaforschungsbudgets, nur so viel sei gesagt:  Solange die Computermodelle der Klimaforscher gerade bei der Simulation der global das Geschehen beherrschenden Wetterküchen im Ostpazifik und Nordatlantik so dürftige Resultate zeigen, sollten die Forscher erst einmal diese Regionen besser verstehen, bevor sie sich um Mittel für weitere Großprojekte bemühen.

Forschungspolitik

Während Politik grundsätzlich technikneutral formuliert werden sollte, ist dies in der Forschungspolitik nicht ganz so einfach.  Forschungsprogramme werden für bestimmte Themen aufgelegt und daher sind hier klare Entscheidungen notwendig, welche Fragen an die Wissenschaftler gestellt werden.  Daneben sollte es aber auch Fördertöpfe für unkonventionelle Ideen geben, aus denen einzelne Personalstellen und Sachmittel finanziert werden können.  Diese Fördertöpfe sollten zu den großen energiepolitischen Fragen aufgestellt werden und ein einfaches Antragsverfahren haben, mit denen promovierte Wissenschaftler mit Ideen experimentieren können, für die es noch keine Forschungsinfrastruktur gibt. – Dies wäre eine sinnvolle Ergänzung zu den mit sehr bürokratischen Antragsverfahren der von den Wissenschaftlern selbstverwalteten Budgets, und eine sicherlich gewinnträchtige Wette auf den Erfindergeist deutscher Forscher.

 

 

4. September 2017

Dr. Björn Peters

Peters beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dem Energiesektor in Zeiten der Energiewende unter wissenschaftlichen, volks- und betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten. Er ist Inhaber der Unternehmens- und Politikberatung Peters Coll.