Die Energiequellen der Zukunft – eine Suche

In diesem Jahr stehen auf der Mainau Energie und Nachhaltigkeit im Zentrum von Diskussion und Ausstellung. Dazu ein paar Gedanken vorab (1). Rund 80 Prozent des weltweiten Energiebedarfs werden heute mit den fossilen Brennstoffen Öl, Kohle und Gas abgedeckt. Mit dem Verbrennen der Jahrmillionen alten Stoffe wurden die Menschen immer mobiler und die Industrialisierung beschleunigt. Doch die Vorräte sind endlich und das verschwenderische Verbrennen führt zu einem immensen Kohlendioxidausstoß mit Folgen für das Weltklima.

„Es ist wichtig, dass wir mit der Energie, die immer kostbarer wird, intelligenter umgehen“, fordert etwa Theodor Hänsch, Physiknobelpreisträger des Jahres 2005. Allen voran habe das Einsparen von Energie das größte Potenzial. Der Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik hofft, dass in diesem Sinne auch sein Forschungsgebiet indirekt helfen kann, indem schnellere Datenströme etwa mehr Videokonferenzen und Online-Austausch ermöglichen und so Reisen vermeiden. „Grundsätzlich müssen wir auf das gesamte Spektrum möglicher Alternativen setzen, inklusive der Kernenergie als Zwischenlösung, bis wir hoffentlich andere Energieformen in großem Maßstab nutzbar machen können,“ meint Hänsch.

Große Hoffnungen werden in eine umfassende Renaissance erneuerbarer Energiequellen wie Wasserkraft, Windkraft oder Sonnenenergie gesetzt. Wind- und Wasserkraft treiben längst nicht mehr direkt Werkzeuge an. In hoch technisierten Anlagen wird Strom gewonnen und in das allgemeine Netz eingespeist. In ähnlicher Weise, wird die Sonnenkraft selbst genutzt, sei es mittels Photovoltaik oder Solarthermie.

Mainau 2010

Pavillons der Ausstellung “Entdeckungen 2010: Energie” auf der Insel Mainau

Eines der ehrgeizigsten Projekte in dieser Hinsicht heißt Desertec: Strom, gewonnen aus der Kraft der glühenden Saharasonne, könnte als dauerhafte Energiequelle Afrika und Europa versorgen. Auf rund 20.000 Quadratkilometern sollen Solarthermie-Kraftwerke das Sonnenlicht in Parabolrinnen-Spiegeln einfangen, Wasser verdampfen und Turbinen für die Stromerzeugung antreiben.  „Europa könnte bis zum Jahr 2050 rund 15 Prozent seines Strombedarfs aus der Wüste beziehen“, skizziert Robert Pitz-Paal, stellvertretender Direktor des Instituts für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), das maßgeblich an der Entwicklung der Technologie für Desertec beteiligt ist, seine Vision.

Zwar sind die Kosten pro Kilowattstunde per Solarthermie noch viel zu hoch, um mit der Elektrizität aus Kohle- und Kernkraftwerken mithalten zu können. Aber Pitz-Paal ist überzeugt „wir werden in den kommenden 15 bis 20 Jahren finanziell wettbewerbsfähig werden“. Doch der Preis ist nicht alles. Mehrere Aufgaben haben die Solarforscher am DLR noch zu erledigen: Sie wollen die Effizienz steigern; klären, wie der Strom ohne große Verluste nach Europa gelangen kann – Hochspannungsleitungen, die mit Gleichstrom statt dem üblichen Wechselstrom arbeiten, könnten eine Lösung sein. Und nicht zuletzt müssen sie geeignete Speicher finden, die auch nachts, wenn die Sonne schläft, Energie bereitstellen. Gehandelt werden von Salz über Sand, Beton bis hin zur chemischen Speicherung die unterschiedlichsten Materialien.

Vielleicht macht am Ende doch Wasserstoff das Rennen, als Energiespeicher der Zukunft. Viele Hoffnungen wurden schon in den Stoff gesetzt. Denn das Prinzip erscheint einfach. Wasser wird aufgespalten, Wasserstoff gespeichert und bei Bedarf mit Sauerstoff wieder zu Wasser verbrannt. Das klingt sauber und machbar. Schon Jules Vernes schrieb 1874: „Wasser ist die Kohle der Zukunft.“

Nun ist aber die Speicherung von Wasserstoff keine einfache Sache. Größere Mengen lassen sich verhältnismäßig gut bei sehr tiefen Temperaturen oder unter hohem Druck aufbewahren, doch für den breiten Einsatz im mobilen Bereich sind andere Speicherformen nötig. Am Max-Planck-Institut (MPI) für Kohlenforschung und am MPI für Metallforschung werden viel versprechende Speichermaterialien wie Metallhydride und so genannte MOFs untersucht, die sehr viel Wasserstoff einlagern können. Genutzt wird Wasserstoff als Energieträger häufig in Brennstoffzellen. Forscher am MPI für Festkörperforschung arbeiten daran, diese durch den Einsatz verbesserter Materialien zuverlässiger und kostengünstiger zu machen.

Eine Vision der Wasserstoff-Zukunft existiert bereits: Autos angetrieben von einer Brennstoffzelle und einem Elektromotor anstelle des klassischen Verbrennungsmotors. Doch es gibt noch keine Serienproduktion und es fehlt ein flächendeckendes Netz an Wasserstoff-Tankstellen.

„Es kommen auch Hybridsysteme aus Batterie und Brennstoffzelle, womöglich noch gekoppelt mit einem Rage extender, der die Reichweite des Fahrzeugs erhöht, in Frage“, meint Holger Hanselka, Hauptkoordinator des Forschungsverbunds Systemforschung Elektromobilität der Fraunhofer Gesellschaft. Der Verbund will das Elektroauto auf die Straße bringen und setzt dafür auf das Know-how seiner Mitarbeiter von gleich 33 Instituten.

Am Institut für Chemische Technologie etwa will Jens Noack mittels sogenannter Redox-Flow-Batterien aus flüssigen Elektrolyten ein elektrisches Tanksystem schaffen, „das nur wenige Minuten für ein komplettes Wiederaufladen benötigt“. Knapp 100 Kilometer weit solle man dann fahren können. Dank solcher und vieler anderer Innovationen des Forschungsverbundes hält Hanselka es für realistisch, „dass im Jahr 2020 über eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren werden und wir ein entsprechendes Betankungsnetz mit verschiedenen Möglichkeiten haben.“

Mit in den Mix der mobilen Zukunft werden weiterhin Autos gehören, die mit Kraftstoffen aus Biomasse angetrieben werden. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) setzt man auf Biokraftstoffe der zweiten Generation. „Wir verwenden weitgehend trockene Biomasse, nichts, das in Konkurrenz zur Nahrungserzeugung Fläche verbraucht“, beschreibt Nicolaus Dahmen, Projektleiter Bioliq am KIT. In Frage kommen restliches Stroh und Holz aus Land- und Forstwirtschaft sowie der Landschaftspflege. Die Biomasse kann in kleinen dezentralen Anlagen zu einem speziellen Öl-Gemisch, das sie BioSyncrude nennen, energetisch verdichtet werden. In einer zentralen Anlage soll daraus schließlich Kerosin, Diesel oder Otto-Kraftstoff für Verbrennungsmotoren werden.

In der Summe aber wird vermutlich Elektrizität eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Selbst in der Geothermie wird längst nicht nur mehr an die direkte Nutzung der Wärme aus der Tiefe gedacht. Am Deutschen Geoforschungszentrum verwandelt beispielsweise Ernst Huenges die thermische Energie in mechanische, die wiederum Strom erzeugt – in Deutschland bei einer Wassertemperatur von 120 bis 150 Grad Celsius mit einem satten Energieverlust von 90 Prozent. Aber genau das wollen Huenges und sein Team wesentlich verbessern und er erklärt: „Immerhin ist von dieser Energiequelle wirklich reichlich vorhanden.“

Theodor Hänsch zeigt sich vielen gegenwärtigen Programmen gegenüber vorsichtig und warnt davor allzu schnell mit heutiger Technologie Großprojekte etwa der Solarenergie oder Windenergie zu starten. „Wir dürfen die Grundlagenforschung nicht vernachlässigen, mit der man vielleicht ganz neue Ansätze findet, die uns am Ende enorm weiterführen können,“ gibt er zu bedenken. Mit Grundlagenforschung gebe man jungen Leuten die Möglichkeit, mit ganz neuen Ideen die Zukunft vielleicht anders zu gestalten.

Wer weiß, womöglich gelingt es die Sonne auf die Erde zu holen? Nach dem Modell der Sternenfeuer sollen Wasserstoffisotope zu Helium verschmelzen und dabei große Mengen Energie freisetzen. Die friedliche Nutzung der so genannten Kernfusion ist eine Idee, die Physiker seit mehr als 50 Jahren umtreibt und sich als wahre Herkulesaufgabe erweist. Für die Verschmelzung müssen die Atome ihre Elektronenhüllen abstreifen, ein Plasma bilden. Auf Erden setzen die Forscher die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium ein, denn diese verschmelzen leichter als die Sonnenoriginale. „Dennoch müssen wir das Plasma auf 200 Millionen Grad erhitzen, damit die Fusionsreaktion ablaufen kann“, erklärt Günther Hasinger, Wissenschaftlicher Direktor des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik. Weil dies kein Material des Planeten aushält, müssen die Physiker das Plasma in Magnetfeldern wärmeisoliert einschließen.

Derzeit wird unter deutscher Beteiligung in Frankreich der internationale Experimentalreaktor ITER, lateinisch „der Weg“, gebaut. Mitte der 2020er Jahre wollen die Forscher damit zehnmal mehr Energie durch Kernfusion gewinnen, als sie zur Heizung des Plasmas einsetzen. Sind sie erfolgreich soll DEMO, ITERs Nachfolger, etwa ab 2040 den ersten Strom erzeugen. Richtige Kraftwerke könnten schließlich etwa ab 2050 ans Netz gehen. Wenn es gelingt, diese Energiequelle zu nutzen, wäre eine wirtschaftliche, sichere und umweltverträgliche Stromquelle gefunden. Doch all dies ist ergebnisoffen, wie Theodor Hänsch betont – „Aber es wäre natürlich ein Traum.“


(1) diesen Text habe ich in weiten Teilen für die Ausstellung “Entdeckungen 2010: Energie“, die vom 20. Mai bis 29. August auf der Mainau zu sehen ist, geschrieben.

mehr zum Thema:

Die Nachhaltigkeit der Lindauer Tagungen

Paneldiskussion zum Klimawandel 2009

Das Nobelpreisträgertreffen, Graf Lennart Bernadotte und die Ökologie

Beatrice Lugger

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Beatrice Lugger is a science journalist and science social media specialist with a background as a chemist. She is Deputy Scientific Director of the National Institute for Science Communication, NaWik – nawik.de – and a consultant for this blog. @BLugger is her twitter handle, Quantensprung her own blog.

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One comment on “Die Energiequellen der Zukunft – eine Suche

  • Martin Holzherr says:

    Erneuerbare Energien haben zwei Probleme, die sie sehr teuer und materialaufwendig machen, nämlich die geringe Energiedichte und die Leistungsschwankungen auf allen denkbaren Zeitskalen (auch saisonal). Desertec’s solarthermischen Kraftwerke müssen zum Glück nur Tagesschwankungen bewältigen, weil die Sonne in der Sahara so zuverlässig scheint. Trotzdem wird so gewonnene Energie ein kleines Vielfaches teurer sein als herkömmlich erzeugt.

    Der vielversprechenste Weg zur Fusionsenergie ist nicht ITER, dem Monsterreaktor, der schon als Demoobjekt mindestens 15 Milliarden Euro verschlingen wird.
    Nein, es ist die Laserfusion. Die National Ignition Facility in Kalifornien plant im Oktober 2010 erste Fusionen, die mehr Energie erzeugen, als für sie aufgewendet werden muss. Ein kommerzieller Laserfusionsreaktor, nämlich LIFE (Laser Intertial Fusion Energy) ist auch bereits in Planung. Ab 2030 sollen kommerzielle LIFE-Reaktoren auf den Markt kommen. LIFE ist ein Fusions/Fissions-Hybridkonzept. Als Brennstoff kann radioaktive Abfall aus Kernreaktoren dienen – ein wahrlich guter Weg um radioaktiven Abfall zu entsorgen. Die kommerziellen Reaktoren, die auf LIFE basieren, sollen ersten Schützungen gemäss, kostengünstiger Energie produzieren als alle heute bekannten Energiequellen. Hier ein Link zu LIFE: https://lasers.llnl.gov/about/missions/energy_for_the_future/life/

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