Energy in Future
 
Dr.-Ing. Dieter Bokelmann


Zusammenfassung

Das Ziel der Untersuchungen war es festzustellen, inwieweit unter Berücksichtigung des fortschreitenden Klimawandels ein 100% Ersatz von fossilen Brennstoffen durch Solar- und Windenergie technisch möglich ist und kostenmäßig und landschaftsnutzend vertretbar.

Die Produktion und der Konsum von Primärenergie Welt wird erläutert. Als Basis dient hierzu ein Energieflussbild der USA 2018 (Sankey-Schaubild).

Die wesentlichen Quellen Erneuerbare Energie sind Photovoltaik und Windkraft. Diese können als Direktstrom oder als mit Strom erzeugter Kraftstoff genutzt werden. Für die 4 sich daraus ergebenden Varianten Solar Direktstrom, Solar Kraftstoff, Wind Direktstrom, Wind Kraftstoff wurden die Produktionskosten/ kWh berechnet sowie Zusatzkosten und Netzverteilungskosten vor Steuer.

Für den angenommenen Sonderfall 100% Erzeugung durch jeweils eine der 4 möglichen Varianten sind Wind Direktstrom und Wind Kraftstoff günstiger als die Varianten Solar. Der Landschaftsverbrauch von Windkraft ist signifikant größer als Photovoltaik, die Investitionssummen etwas geringer. Daher wäre der Sonderfall 100% Solar Direktstrom die beste Alternative. Da aber nur ein Mix technisch umsetzbar ist, sollte in der Reihenfolge Solar Direktstrom, Wind Direktstrom, Solar Kraftstoff und danach erst Wind Kraftstoff berücksichtigt werden.

Das Szenario Welt ist mit einem Landschaftsverbrauch von 2,19 % technisch und kostenmäßig realisierbar, die 100%-Variante Ersatz Primärenergie Deutschland wegen des hohen Landschaftsverbrauchs von 12,33% nicht. Dies liegt am Verhältnis Energieverbrauch zur Landfläche im Vergleich zum Durchschnitt Welt. Für den Fall Deutschland 100% Stromerzeugung durch Erneuerbare werden 2,39 % Landschaft verbraucht, was noch umsetzbar wäre. Bereits die Addition vom Ersatz von Kraftstoffen für den Transport führt mit 3,99 % Landschaftsverbrauch eher zur Notwendigkeit des Imports von Energie, was aber technisch und hinsichtlich Kosten möglich wäre.

Wenn man die derzeitige Aktivität Welt und Deutschland in der Umwandlung der Primärenergieerzeugung durch erneuerbare Energien betrachtet, wird das Ziel Welt erst in 323 Jahren erreicht. In Deutschland sind dies 292 Jahre für den Fall 100% (nicht umsetzbar wegen Landschaftsverbrauch), 71 Jahre für den Ersatz nur Stromerzeugung und 122 Jahre für den Ersatz Summe Stromerzeugung plus Kraftstoffe Transport.

Der Klimawandel kann nur in Grenzen gehalten werden, wenn weltübergreifend gemeinsam alle Anstrengungen unternommen werden, den Zuwachs von Solarstrom und Windkraft derart zu forcieren, dass in 20 Jahren die berechneten Werte Welt erreicht werden. Bis dahin sollte die Elektrizitätsversorgung via robuste Gaskraftwerke (Combined-Cycle-Kraftwerke), kombiniert mit Fernwärme (und damit einem Gesamtwirkungsgrad über 90%) ausgebaut werden. Diese müssen so konzipiert werden, dass sie später auch mit geeigneten grünen Kraftstoffen betrieben werden können. Parallel sollten die vorhandenen Nuklear-Kraftwerke nicht vorzeitig stillgelegt werden und als Puffer für die Übergangszeit genutzt werden.

Die Kosten sind finanzierbar, allerdings muss ein vertretbar erhöhter Preis für Kraftstoff akzeptiert werden. Bezogen auf die Situation Welt würde diese Challenge folgende Vorteile bieten. Erstens Energiegewinnung via Solar und Windkraft in Entwicklungsländern und ärmeren Ländern mit relativ geringer Bevölkerungsdichte und großen ungenutzten Landflächen und die Schaffung von Arbeitsplätzen für den Aufbau und die Unterhaltung des entsprechenden notwendigen Equipments. Zweitens technische Weiterentwicklung und Produktion der hochwertigen Anlagenkomponenten in den hochentwickelten Ländern mit relativ hoher Bevölkerungsdichte, auch neue Ersatzarbeitsplätze schaffend für die Stilllegung von Öl-und Kohleförderung.

Der Inhalt der angegebenen Internetseiten auf dieser Webseite ist nicht mein Eigenwerk. Ich habe durch mehrfache Kontrollen nach bestem Wissen die Berechnungen überprüft und überprüfen lassen, kann aber Fehler nicht ganz ausschließen und bin dankbar für jeden sinnvollen Hinweis oder Beitrag. Meine eigenen Annahmen können etwas von aktuellen Entwicklungen abweichen, was aber auf das Gesamtergebnis relativ geringen Einfluss hat. Ob wir das Ziel in 150, 200, oder 250 Jahren erreichen, ist in jedem Fall zu spät. Das gesamte ist eine Challenge für die Menschheit.

Ich hoffe, dass es viele Interessierte lesen und verstehen und auch die Expertenteams vieler Länder und deren Führung dies als Anreiz empfinden, die Challenge anzunehmen. Wenn sich ein wesentlicher Teil der viel Primärenergie konsumierenden Länder auf ein Abkommen verständigen können, hat die Welt eine Chance zu überleben im jetzigen Zustand. Wenn nicht, wird es zu bereits verfilmten Endszenarien kommen. Noch ist es Zeit, den Schaden zu begrenzen, aber es ist bereits 5 Minuten nach 12. 

Das Diagramm untenstehend zeigt einen simplifizierten Zeitplan, wie die Umsetzung zu einer CO2-freien Energiebeschaffung in 20 Jahren aussehen würde. Die fossilen Brennstoffe Öl, Kohle, Gas würde auf null reduziert. Die vorhandenen Energieträger Biomasse und die bereits vorhandene erneuerbare Elektrizitätsproduktion inklusiv nuklear bleibt bestehen (am Ende kann man auch nuklear auf null herunterfahren, wenn entsprechend mehr Kapazität Solar, Wind oder andere aufgebaut wird). Die Anteile der 4 Alternativen Erneuerbare Solar und Wind werden von 0 auf die berechneten Werte hochgefahren. Die Summe an Primärenergie ist geringer als im Jahr null, weil insbesondere die Anteile Direktstrom deutlich effizienter sind. 

Eine Umsetzung in dieser Zeitspanne ist leider unwahrscheinlich, da sich einerseits nicht alle Länder daran beteiligen und andererseits die dafür notwendige jährliche Steigerung der Investitionen in erneuerbare Energien (Faktor 15 zu 2019) schwer realisierbar ist (aber technisch nicht unmöglich). Fakt ist jedoch, dass sich die jährlichen Investitionen erheblich steigern müssen.

Einige Länder sind nicht in der Lage, die gesamte benötigte Primärenergie auf Erneuerbare umzustellen (Flächen nicht ausreichend), z.B. Deutschland. Dafür gibt es andere Länder, die einen erheblichen Überschuss an grüner Primärenergie erzeugen können, z.B. Saudi-Arabien, Australien, Afrika. Die Lösung ist der Ausgleich. 

Deutschland muss sich darauf konzentrieren, zumindest die Stromproduktion zu 100% auf erneuerbare Energien umzustellen und parallel dazu die restliche Primärenergie in Form von Wasserstoff (u.a.) zu importieren. Für die Produktion größerer Mengen grünen Wasserstoffs gibt es zu wenig geeignete Landflächen. Das bedeutet aus heutiger Sicht ein Import von ca. 50 Millionen Tonnen Wasserstoff/ Jahr. Wenn es Deutschland gelingt, die jährlichen Investitionen in Solar und Wind zu verdoppeln und aus geeigneten Ländern (mit technischer Unterstützung) diese Mengen grünen Wasserstoffs zu importieren, sollte Deutschland in 30-35 Jahren (1 Generation) CO2-frei sein.

Das untenstehende Diagramm zeigt eine simplifizierte lineare Entwicklung der Primärenergieerzeugung Deutschland. 

Noch einmal kurz zusammengefasst.

1.    Die Weltgemeinschaft bemüht sich in Richtung CO2-Neutralität.

2.   Die Investitionsaktivitäten sind aber viel zu gering, das Ziel wird erst sehr spät erreicht.

3.   Hinsichtlich Kosten und Landschaftsverbrauch könnte das Ziel in   20 Jahren erreicht werden, jedoch müssen die Investitionsaktivitäten um den Faktor 15 verstärkt werden. Da dies nicht in kurzer Zeit zu erreichen ist, müssen zusätzlich Alternativen eingesetzt werden. Einige Länder setzen hierbei auf den Verbleib bzw. den Ausbau von Kernenergie. In Deutschland sollten die bestehenden Kernkraftwerke erst abgeschaltet werden, wenn das Ziel 100% CO2-Freiheit in greifbare Nähe gerückt ist. Es sei denn, man akzeptiert das erhöhte Risiko von Stromausfällen.

4.   Die effizienteste Variante der erneuerbaren Energien ist der Direkteinsatz der gewonnenen elektrischen Energie.

5.   Die Umwandlung in Wasserstoff oder andere Kraftstoffe ist als Puffer für z.B. Nachflauten sehr gut geeignet, ist aber deutlich weniger effizient.

6.   Das Elektroauto steht damit an vorderster Stelle, weil es den CO2-freien Strom direkt mit einem hohen Wirkungsgrad nutzt. Ca. 80% des erzeugten Stroms werden genutzt.

7.   Wenn das Elektroauto in der Übergangszeit noch mit Strom aus fossilen Brennstoffen betrieben wird, ist das immer noch die bessere Alternative. Der Gesamtwirkungsgrad mit ca. 55% (Mittelwert moderne Gasturbine und Kohlekraftwerk) und 80% läge über 40% und wäre damit besser als der Einsatz des Verbrennungsmotors mit seinen hohen Wärmeverlusten. Dazu reicht die Gesamtkapazität Stromerzeugung jedoch nicht.

8.   Wenn genügend Kapazität vorhanden, ist das mit dem Puffermedium Wasserstoff oder ähnlichen Kraftstoffen betriebene Fahrzeug (Brennstoffzelle oder Verbrenner) eine Alternative, allerdings nur mit grünem Wasserstoff aus überschüssigem Strom. Dies insbesondere für LKWs und Busse mit langen Fahrstrecken.

9.   Um einen Puffer für Nachtflauten zu bilden, muss ein entsprechender Teil des CO2-freien Stroms in Kraftstoff umgewandelt werden. Dieser kann dann mit geeigneten Gasturbinen mit Nutzung der Abwärme in Strom umgewandelt werden.

10. Es gibt Verbesserungspotenzial, dem steht jedoch ein ungebremster Anstieg der Weltbevölkerung und eine weitere Zunahme des Elektrizitätsverbrauchs entgegen