Energiewende (2): Energiesysteme und Energieträger

Energiewende (2): Energiesysteme und Energieträger

Do, 27.06.2019 - 15:04 — Robert Schlögl

Robert SchlöglIcon Politik und GesellschaftDer Chemiker Prof. Dr. Robert Schlögl (Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion; Mülheim a.d.R.) appelliert in seinem Eckpunktepapier „Energie. Wende. Jetzt“ an einen beschleunigten Umbau des Energiesystems, der als „Revolution“ verstanden werden müsse. Dieser Artikel erscheint auf Grund seiner Länge bei uns in mehreren Teilen. Nach einer Einführung [1] erläutert Schlögl, nun im zweiten Teil, dass die Grundlage eines neuen Energiesystems die elektrische Primärenergie sein müsse, das System jedoch nicht gänzlich ohne stoffliche Energieträger funktionieren könne. Diese können teilweise aus Biomasse generiert werden, vor allem aber durch die Umwandlung der primären Elektrizität in beispielsweise synthetische Brennstoffe. Der Bedarf an stofflichen Energieträgern wiederum, erfordere einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf, um wirklich nachhaltig zu sein.

Energieversorgung ist systemisch

Alle Elemente der Energieversorgung -Energieträger, Energiewandlung, Energienutzung - sind untereinander vielfach verbunden. Ein vereinfachtes Schema dieses enorm wichtigen, bereits im vorangegangenen Artikel dargestellten, komplexen Systems ([1], Abbildung 3) soll die gegenseitigen Abhängigkeiten nun nochmals veranschaulichen. Abbildung 1.

Abbildung 1. Generische Elemente eines Energiesystems heute. Von unten nach oben: man erkennt die Ebenen der Energieträger – Kohle, Öl, Gas, Kernenergie und erneuerbare Energien – der Grundanwendungen – Strom, Mobilität und Wärme – und der differenzierten Anwendungen (Sektoren) – von Industrieproduktion zum Wohnen.

Greift man daher in ein Element ein, so erhält man eine systemische Antwort aus allen Ebenen. Ihr Inhalt kann auf Grund der Komplexität des Systems nicht vorhergesagt werden, selbst wenn man sich nur auf die zu verändernde Größe (z. B. gesamthafte CO2 Einsparung) bezieht. Es ist kontraproduktiv, dies zu ignorieren und jedem Element separiert eine mengenmäßige und zeitliche Änderungslast im Umbau des Systems zuzuweisen. Dabei entstehen Schnittstellen, die falsche Anreize, ungeeignete Infrastrukturen und in jedem Fall suboptimale Wirksamkeiten im Hinblick auf die Zielsetzung verursachen.

Insbesondere der regulatorische Rahmen muss dies berücksichtigen und mit möglichst einem einheitlichen Werkzeug das System in die gewünschte Richtung steuern.

Derzeit ist dies in Deutschland und Europa nicht der Fall. Vielmehr gibt es eine Vielzahl von unterschiedlich konstruierten Steuerinstrumenten. Insbesondere das System von Anreizen (für EE zum Beispiel) ist nicht hilfreich, wenn es nicht die ganze Technologiekette erfasst (Netze, Flexibilisierung der fossilen Nutzung).

Vordringlich wichtig ist eine direkte negative Anreizung zum Verzicht auf fossile Träger, die systemweit wirkt. Dafür gibt es zahlreiche Methoden. Das ETS (Emissions Trading System) ist eine bereits existierende Vorlage, die, wenn sie voll funktional gemacht und auf das gesamte System ausgedehnt würde, die Aufgabe erfüllen würde. Wirksam wird ein derartiges System nur, wenn gleichzeitig alle Subventionen im Energiebereich zurückgefahren werden.

Energiesysteme benötigen zwei Arten von Energieträgern

Grundlage der neuen Energiesysteme ist die elektrische Primärenergie aus Wandlern von Sonne und Wind. Diese erneuerbare Energie mit freien Elektronen als Energieträger kann in geringem Umfang durch stoffliche erneuerbare Energie aus Biomasse ergänzt werden. Diese nutzen chemische Bindungen in Molekülen als Energieträger. Damit kann erneuerbare Energie transportiert und gespeichert werden. Durch Verbrennung mit und ohne Flammen wird die Energie freigesetzt.

Einige Energieanwendungen aus Abbildung 1 benötigen zwingend stoffliche Energieträger für die Herstellung von Materialien (als Einsatzstoffe) und für energiedichte Mobilitätsanwendungen (Flugzeuge, Schiffe, Baumaschinen, Busse und Lkw im Fernverkehr). Um die Transportsysteme für elektrische Energie in überschaubaren Größen zu halten, sind weiter Punktanwendungen von Prozesswärme günstig mit stofflichen Energieträgern zu betreiben (Grundstoffe wie Stahl, Glas, Ziegel, Zement; Gas als Träger). Somit kann ein rein elektrisches Energiesystem nicht funktionieren - es wird immer die Dualität der Energieträger geben.

Der Bedarf an stofflichen Energieträgern ist ein erheblicher Teil des Energiesystems und kann nicht ohne Schaden für die Entwicklung des Planeten durch Biomasse alleine aufgebracht werden. Folgt man einem Konzept der systemischen Nachhaltigkeit so sollten die stofflichen Energieträger durch Wandlung (chemische Energiekonversion) aus primärer Elektrizität hergestellt werden. Dann kann ein rein technisches Energiesystem ohne unmittelbare Auswirkung auf die Ökosysteme entstehen. Bei seiner Einrichtung sind Auswirkungen auf den Verbrauch von Mineralstoffen, Wasser und Land zu minimieren und entsprechende Stoffkreisläufe einzurichten.

Der Bedarf an stofflichen Energieträgern erfordert einen Kohlenstoffkreislauf

Die globale Energieversorgung beruht heute auf Transport und Lagerung von fossilen kohlenstoffhaltigen Energieträgern (Kohle, Gas, Öl). Um die Pfadabhängigkeiten des Umbaus des Energiesystems minimal zu halten und die Kosten des Umbaus zu optimieren, sollten diese Infrastruktur und die Folgeprozesse weitgehend weiter genutzt werden. Synthetische Energieträger aus CO2 und grünem Wasserstoff (durch Wasserspaltung) liefern bei Einsatz von ausschließlich erneuerbarer Primär-Elektrizität erneuerbare stoffliche Energieträger, die als Flüssigkeiten (Methanol) oder Gase (Methan) die existierenden Infrastrukturen nutzen können.

Gewinnt man das bei ihrer Nutzung freiwerdende CO2 zurück und transportiert es zu Orten wo die nötigen großen Mengen an Primär-Elektrizität verfügbar sind, so bildet man einen Stoffkreislauf der grundsätzlich nachhaltig ist. Er macht erneuerbare Energie transportier-und lagerbar. Der Einsatz von mineralischen Hilfsstoffen, von Wasser und Landflächen muss noch erheblich optimiert werden, um die Größe dieser Technologie ökologisch und ökonomisch günstig abzubilden. Dieses Konzept, das in Abbildung 2 sehr vereinfacht dargestellt ist, kann als „Pack die Sonne in den Tank“ oder als „flüssige Sonne“ verstanden werden. Es ergänzt die begrenzte Nutzbarkeit von Biomasse, die auf der Erde wichtige andere Funktionen (menschliche Nahrung, Biodiversität und Ökostabilität, Klimastabilität) zu erfüllen hat.

Abbildung 2. "Pack die Sonne in den Tank": Stark vereinfachte Darstellung eines Kohlenstoffkreislaufs in einem nachhaltigen Energiesystem. Der Transport von Wasserstoff zur „solaren Raffinerie“ kann vielfältig entweder direkt oder auch durch Transportstoffe wie organische große Moleküle oder Ammoniak erfolgen (siehe Abbildung 3).

In solch einem System stellen mobile Nutzungen ein „Leck“ an Kohlenstoff dar. Deshalb können synthetische Kraftstoffe (Abbildung 3) zunächst nur mit maximal 50 % CO2-Einspareffekt bilanziell angerechnet werden. Dieses kann beim Umbau des Energiesystems zunächst verkraftet werden, das Leck muss aber vor Abschluss des Umbaus geschlossen werden. Eine Möglichkeit dazu ist die Nutzung von Biomasse als Sammler von CO2, das durch Mineralisation der Biomasse aus dem Kreislauf entfernt wird. Andere anorganische Prozesse der Mineralisation können diese „sub-zero“ Option im Energiesystem unterstützen. Auch die Nutzung von Biomasse als ursprüngliche Quelle von Kohlenstoff kann, wie in Abbildung 2 dargestellt, das Problem der „Leckage“ lösen.

Abbildung 3. Synthetische Kraftstoffe. Alle auf CO2 basierenden Molekülstrukturen und reiner Wasserstoff lassen sich in heutigen Verbrennungsmotoren nach geringfügigen Anpassungen einsetzen. Ammoniak hat eine hohe Energiedichte und kann als Wasserstoffspeicher oder direkt als kohlenstofffreies Medium in Brennstoffzellen - es entstehen N2 und Wasser - eingesetzt werden (Satz von Redn. eingefügt.)

Wählt man eine möglichst energieeffiziente Antriebsart von Fahrzeugen, so kann die Größe des Lecks stark verringert werden. Eine Designstudie zeigt, dass mit heutigen Technologien und einem optimierten PKW Hybridfahrzeug ohne energetisch aufwändige Materialien und mit vergleichsweise kleinen Batterien enorme Einsparungen an Kraftstoff zu erzielen sind. Abbildung 4. Mit einer Kombination von elektrischer Antriebseffizienz und stofflicher Speichereffizienz können die wesentlichen Anforderungen an die Kompatibilität der Mobilität mit einem neuen Energiesystem gut erfüllt werden, und es bedarf keiner Änderung der Infrastruktur jenseits der Bereitstellungs- Ebene der Energieträger (Abbildung 1).

Abbildung 4. Die Kombination von elektrischem Antrieb und vielen Optionen zur Energieversorgung jenseits einer relativ kleinen Batterie für Mittelstreckenfahrten verspricht einen sehr energiegünstigen Antriebsstrang, der „multimodal“ mit Energie versorgt werden kann. Die Indikatoren „lokal“ und „fern“ beziehen sich auf die Quelle der erneuerbaren Energie relativ zum Ort der Nutzung des Fahrzeuges (auf einer globalen Skala).

Grundsätzlich sollte überlegt werden, ob die energetische Nutzung von Biomasse eingeplant wird. Die heute erkennbaren großflächig negativen Folgen der extensiven wie intensiven Nutzung der Biomasse für Ökosysteme und Biodiversität und die Gefahren, die sich daraus für die Stabilität des Lebens auf dem Planeten ergeben, lassen es geraten erscheinen, die gesamte Energieversorgung auf den technischen Kohlenstoffkreislauf, der ohnehin nötig ist, auszurichten und die Biomasse nur für stoffliche Nutzungen zu verwenden.

Eine Nebenfunktion mit allerdings wertvollen Systemdienstleistungen können solche Kreisläufe erfüllen, wenn sie mit lokaler Primärelektrizität als Flexibilisierungsmaßnahme (siehe z. B. https://www.kopernikus-projekte. de/synergie) eingesetzt werden, wenn sie als lokale Energiespeicher eingesetzt werden oder wenn sie auf die Herstellung von Chemikalien (8) fokussiert werden.


[1] Robert Schlögl: 13.06.2019: Energie. Wende. Jetzt - Ein Prolog. http://scienceblog.at/enrgie-wende-jetzt-ein-prolog


* Dies ist Teil 2 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 (https://cec.mpg.de/fileadmin/media/Presse/Medien/190507_Eckpunktepapier__Energie.Wende.Jetzt__-_Erstfassung_final.pdf). 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 wurde zwei Abbildungen (Abb. 3 und 4) eingefügt. Literaturzitate wurden allerdings weggelassen - sie können im Original nachgelesen werden.

Der demnächst erscheinende Teil 3 wird sich mit dem Aufbau der Energiesysteme und dem Einbau von Stoffkreisläufen befassen.


Weiterführende Links

Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI CEC ) https://cec.mpg.de/home/

Woran forscht das MPI CEC? Video 3:58 min. https://www.youtube.com/watch?v=-aJJi6pFOKc&feature=youtu.be

Oppermann, Bettina/Renn, Ortwin (März 2019) Partizipation und Kommunikation in der Energiewende. Analyse des Akademienprojekts „Energiesysteme der Zukunft“ https://energiesysteme-zukunft.de/publikationen/analyse-partizipation/

Akademienprojekt ESYS (Mai 2019): Warum sinken die CO2-Emissionen in Deutschland nur langsam, obwohl die erneuerbaren Energien stark ausgebaut werden? https://energiesysteme-zukunft.de/kurz-erklaert-co2-emissionen/

R. Schlögl (2017): Wasserstoff in Ammoniak speichern. https://www.solarify.eu/2017/09/10/254-wasserstoff-in-ammoniak-speichern/


Artikel zum Thema Energie/Energiewende im ScienceBlog:

Eine Liste der Artikel findet sich unter [1].

Redaktion Thu, 27.06.2019 - 14:33