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Klimakrise: Was nun?

Immer wieder habe ich mich bei bto kritisch mit der Energiewende auseinandergesetzt. Ein heikles Thema. Im morgigen Podcast spreche ich mit Dr. Lars Schernikau, Energieökonom und Entrepreneur, über die Möglichkeit, gleichzeitig aus Kohle- und Atomkraft auszusteigen und Deutschland zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien zu versorgen. Sicherlich wird es wieder hohe Wellen schlagen, weil wir bei diesem Thema zunehmend emotional argumentieren. Das sehe ich ohnehin problematisch. 

Zur Vorbereitung heute ein Gastbeitrag von Dr. Schernikau bei bto. Darin analysiert er erneuerbare Energien als Antwort auf die Erderwärmung und ob eine komplette „Energiewende“ mit heutiger Technologie überhaupt möglich oder ratsam ist:

Ich stand vor der „Mwakirunge Municipal Dump Site“ am Stadtrand von Mombasa, Kenia. Vor mir durchsuchten afrikanische Kinder und Frauen den teilweise giftigen Elektroschrott nach werthaltigen Metallen. Als ich wieder nach Hause kam, erkundigte ich mich und fand heraus, dass Elektroschrott die weltweit am schnellsten wachsende Abfallkategorie mit mehr als 50 Millionen Tonnen pro Jahr ist.

Der Großteil des Elektroschrotts der westlichen Welt wird nach Afrika und Asien „exportiert“. Berüchtigte Mülldeponien wie die Dandora-Deponie in Nairobi (Kenia) oder die Agbogbloshie-Deponie nordwestlich der Stadt Accra (Ghana) sind Beleg der Kapitulation vor der Krise des Recycling-Systems, von der die Menschen kaum etwas hören.

Wovon die Menschen jedoch hören, ist die Klimakrise. Es scheint, dass die fossilen Brennstoffe und allen voran Kohle, aber auch Gas und Ölprodukte bzw. die durch sie verursachten Kohlendioxid (CO2)-Emissionen das neue Feindbild der Welt sind. Dies hat dazu geführt, dass ganze Nationen, Banken und Industriekonzerne jeder Quelle erneuerbarer Energie hinterherjagen, die sich ihnen bietet. Billionen von Euro – meist Steuergelder – fließen in den Bau neuer Windparks, Solaranlagen und Elektrofahrzeuge. Es gibt einen Handel für Kohlendioxid-Zertifikate, Berater produzieren Hochglanzberichte, Journalisten übertreffen sich gegenseitig in der Verbreitung von Katastrophenmeldungen und das Geld fließt weiterhin von einer Tasche in die andere (in der Regel von Arm zu Reich).

Die Energiekosten steigen, doch laut den Medien sind Wind- und Solarenergie bereits jetzt – oder zumindest bald – günstiger als konventionell erzeugte Energie. Einige Projekte versprechen Solarstrom zu 0,03 US$/kWh. Kann das stimmen? Was ist mit dem Abfall?

Auf lange Sicht wird der Energiemix unserer Erde vermutlich stärker auf erneuerbaren Energien und Fusion/Fission basieren. Dennoch stellen sich die Fragen, ob die derzeit durchgeführten Vorhaben wirklich gut für die Umwelt sind und ob die heutige Wind- und Solartechnologie die Lösung unserer Energieprobleme bereithält.

Heute leben fast acht Milliarden Menschen auf der Welt und 80 % des weltweiten Energiebedarfs wird mit Kohlenwasserstoffen bzw. „fossilen Brennstoffen“ gedeckt. Wind- und Solarenergie machten 2018 schätzungsweise zwei Prozent der Primärenergie aus, der „nicht-fossile“ Rest stammt weitgehend aus Kernenergie, Wasserkraft und Biomasse.

Noch vor 100 Jahren lag die Weltbevölkerung bei zwei Milliarden Menschen. Von den heute acht Milliarden Menschen haben mindestens drei Milliarden keinen oder nur unregelmäßigen Zugang zu Strom. Es wird erwartet, dass die Weltbevölkerung in den nächsten 50 Jahren um weitere drei Milliarden Menschen anwachsen wird. Das addiert sich auf sechs Milliarden neue Stromkunden. Doch nicht nur die Bevölkerung wächst. Da die Menschen auch weiterhin neue elektronische „Gadgets“, Flugzeuge, Autos und Dinge, wie Raumfahrt verlangen, steigt zudem der durchschnittliche Energieverbrauch pro Kopf dramatisch an. Zusätzlich zu dem drastischen Anstieg des globalen Brutto- Stromverbrauchs soll der Anteil an Wind- und Solarstrom exponentiell wachsen und so wird der Elektroschrott drastisch mitwachsen.

 

Wind- und Solarenergie sind nachteilig, wenn sie en masse eingesetzt werden

Der auf YouTube und Vimeo seit Mai 2020 verfügbare Dokumentarfilm von Michael Moore „Planet der Menschen“ (Planet of the Humans) veranschaulicht das Problem der Erneuerbaren sehr gut. Solar- und Windenergie sind offensichtlich nicht neu. Diese beiden Energiequellen haben auch nichts Außergewöhnliches oder Revolutionäres an sich. Im Laufe der Jahrzehnte wurde ihre Effizienz jedoch stark verbessert – tatsächlich sind ihre physikalischen Grenzen fast erreicht. Die Schockley-Queisser-Grenze besagt, dass maximal 33 Prozent der einfallenden Photonen in der Silizium-Fotovoltaik (PV) in Elektronen umgewandelt werden können. Moderne PV-Anlagen erreichen 26 Prozent. Das Betz-Gesetz besagt, dass der Rotor eines Windrads maximal 60 Prozent der kinetischen Energie der Luft nutzen kann. Moderne Windanlagen haben 45 Prozent erreicht. Es gibt kein Mooresches Gesetz in der Energie. Man kann also bei der Energieerzeugung nicht das erwarten, was man von Computern kennt. Die Kosten werden nicht ewig weiter sinken. Es ist daher an der Zeit, einen ganzheitlichen Blick auf die Wind- und Solarenergie bzw. jede Form der Energieerzeugung zu werfen.

Ein Kernproblem von Wind- und Solarenergie ist das der Unbeständigkeit. Es gilt der Grundsatz, dass praktisch jede Kilowattstunde an Solar- und Windenergie ein Back-up benötigt. Wind und Sonne stehen naturgemäß nur zeitweise zur Verfügung. Das bedeutet, dass entsprechende Anlagen nur dann funktionieren, wenn der Wind weht oder die Sonne scheint. Es gibt keine Fläche, die groß genug wäre, um sicherzustellen, dass Wind oder Sonne immer verfügbar ist. Alle paar Jahre kommt es vor, dass auf einem Kontinent wie Nordamerika ein oder zwei Tage lang nirgendwo die Sonne scheint oder der Wind weht. Auch in Deutschland, einem Land mit viel Wind, ist das nicht anders.

Aktuelle Energiekostenvergleiche auf der Grundlage der standardisierten Stromgestehungskosten (LCOE, Levelized Cost of Electricity) sind irreführend. Sie berücksichtigen weder Leistungsdichte und Energiedichte (siehe eROeI) noch folgende Sachverhalte, die für einen sinnvollen Vergleich mit konventioneller Energieerzeugung notwendig sind:

1. Energie und Materialien, die für den Bau von Solar- und Windkapazitäten benötigt werden (siehe auch Rendite der investierten Energie, eROeI – Energy Return On Energy Envested).
2. Kosten und Energiebedarf für das Recycling von Abfällen aus erneuerbaren Energien.
3. Kosten für konventionellen Strom oder Batterien als Back-up.
4. Effizienzverluste der konventionellen Energieerzeugung durch geringere Auslastung.
5. Kosten für zusätzliche Stromanbindungen.
6. Kosten für das Betreiben von Netzwerken mit stark schwankenden Energieinputs.
7. Kosten für Platzbedarf, Tötung von Tieren, Veränderung von Winden und lokalem Klima.

Effizienzverluste und die Kosten für konventionelle Energie als Back-up erklären, warum die Gesamtkosten für Strom IMMER ansteigen, je mehr Wind- oder Solarenergie ab einem bestimmten Punkt installiert wird. Dieser Punkt hängt vom Land und der Region ab. Eines ist aber sicher: Deutschland ist weit über diesen Punkt hinaus, wie die hohen Strompreise zeigen (Abbildung 3).

 

Abbildung 4 veranschaulicht die irreführenden Kostenvergleiche, die der aktuelle LCOE gegenüber dem korrekteren, aber immer noch unvollständigen VALCOE der International Energy Agency (IEA) ergeben würde.

Im Januar 2020 veröffentlichte das renommierte Institute of Energy Economics, Japan (IEEJ) seinen „IEEJ Outlook 2020“ und äußerte dabei seine Besorgnis über die steigenden Integrationskosten für erneuerbare Energien. Das IEEJ kam zu dem Schluss, dass die LCOE nicht in der Lage sind, die wahren Kosten von Wind und Sonne zu erfassen.

Die deutsche Politik und Stromunternehmen sind sich bewusst, dass trotz der großen Wind- und Solarkapazitäten konventioneller Strom benötigt wird. Die installierte Wind- und Solarkapazität Deutschlands lag Ende 2019 bei 110,5 GW – was 50,3 Prozent der gesamten deutschen Stromkapazität entspricht. Laut Frauenhofer ISE lag der Anteil der Wind- und Sonnenenergie an der Bruttostromerzeugung in Deutschland 2019 bei 28,6 Prozent und bei nur 4,9 Prozent bei der Primärenergie.

Deutschland hat beschlossen, neben der Kernenergie auch aus der Kohlekraft auszusteigen. Wind und Sonne sind jedoch unzureichende Energiequellen, ganz gleich wie viel Kapazität installiert ist.

Daher beschloss das Land, stattdessen neue Gaskraftwerke zu bauen und in große Gasleitungen aus Russland zu investieren. Trotz der derzeit bestehenden Überkapazitäten an verflüssigtem Erdgas (LNG) und den daraus resultierenden rekordtiefen Preisen ist Gas in der Regel teurer als Kohle, schwieriger und teurer zu transportieren (dazu sind Pipelines oder LNG erforderlich) – und allgemein schwieriger und potenziell gefährlicher zu lagern.

Warum hat Deutschland also seine bestehenden Kohlekraftwerke abgeschaltet und baut nun neue Gaskraftwerke? Die Antwort liegt in der Emission von Treibhausgasen oder „Green-House Gasen“(GHG), da Gas bei der Verbrennung nur etwa halb so viel CO2/kWh wie Kohle emittiert. Weniger bekannt scheint die Tatsache zu sein, dass die Gasversorgung während der Förderung, der Verarbeitung und des Transports mit Leckagen von Methan (ein 84-malschädlicheres GHG als CO2 über einen Zeitraum von 20 Jahren, und 28-mal schädlicher über 100 Jahre) einhergeht. Dies ist in mehreren Studien belegt, unter anderem in Poyrys deutscher Studie von 2016 mit dem Titel „Vergleich der Treibhausgasemissionen von Kohle- und Gaskraftwerken“.

Dieser Zusammenhang wurde auch von Bloomberg in einem Artikel vom Januar 2020 aufgegriffen, in dem Methanleckagen im Zusammenhang mit LNG erörtert wurden. Methanemissionen variieren sehr stark, aber es gibt viele Fälle, in denen die GHG-Emissionen bei Gas höher als bei Kohle sind – wie eine von Total Gas finanzierte Studie aus dem Jahr 2016 belegt. In der Studie heißt es, dass „US-amerikanisches Schiefergas mit 95-prozentiger Sicherheit mehr Treibhausgase emittiert als kolumbianische Steinkohle“.

Abbildung 5 veranschaulicht diese Tatsache und vergleicht die direkten (bei der Verbrennung entstehenden) mit den indirekten (bei der Förderung und beim Transport entstehenden) Emissionen:

 

  • Gas emittiert bei der Verbrennung etwa die Hälfte an CO2 im Vergleich zu Kohle.
  • Bei der Förderung, Verarbeitung und dem Transport von Gas wird mehr CO2-Äquivalent emittiert (meist in Form von Methan).
  • Die Gesamtemissionen von Gas ausgedrückt in CO2- Äquivalenten sind in den meisten Fällen gleich hoch oder höher als die von Kohle, je nach Turbinentyp, Standort und der Quelle und der Art des Gases.

Gas ist ein guter und notwendiger Brennstoff im Strommix, aber wenn man an die vom Menschen verursachte globale Erwärmung glaubt, muss man konsequent sein und darf nicht das Geld der Steuerzahler ausgeben, um von Kohle auf Gas umzusteigen, wenn es selbst nach eigenen Angaben keine positiven Auswirkungen auf das „Klima“ hat. Methanemissionen werden weder gemessen noch besteuert. Ist das fair in Bezug auf Kohle, die Umwelt und den Steuerzahler?

Heutige Batterietechnologie ist nicht für die Anwendung in großem Maßstab bei der Stromerzeugung geeignet

Wenn Gas nicht die Lösung ist, was ist es dann? Sie könnten fragen: „Was ist mit diesen tollen Batterien?“ Es stimmt, dass ein kostengünstiges und nachhaltiges Speichersystem eine Lösung für das Problem der Verfügbarkeit von Wind und Sonne wäre. Allerdings wird keine Speicherlösung je die Probleme der Leistungsdichte oder Energiedichte (siehe auch eROeI) lösen können.

Im Laufe der Jahre sind die Batterien wesentlich effizienter geworden, und der jüngste Trend hin zu Elektrofahrzeugen hat weltweit zu großen Investitionen in “Giga-Fabriken” für Batterien geführt. Eine der größten Batteriefabriken ist die fünf Milliarden US-Dollar teure Giga-Fabrik von Tesla in Nevada (USA), die im Jahr 2020 voraussichtlich eine jährliche Batterieleistung von 50 GWh produzieren wird. Die Berliner Giga-Fabrik 4 wird 2021 bis 2022 mit der Produktion von E-Autos beginnen. Diese Fabriken werden die Batterien für die Elektrofahrzeuge der Welt und auch Ersatzbatterien für Häuser liefern. Aber welche ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen haben diese Fabriken?

Abbildung 6 fasst die ökologische Herausforderung der heutigen Batterietechnologie zusammen. Die drei Hauptprobleme bei jeder bekannten Batterietechnologie sind Energiedichte, Materialbedarf und Recycling.

 

Energiedichte

Kohlenwasserstoffe sind eine der effizientesten Möglichkeiten, Energie zu speichern. Die modernste Batterietechnologie von heute kann nur 1/40 der Energie speichern, die Kohle speichern kann. Die Energie, die eine 540 kg, 85 kWh Tesla-Batterie speichern kann, entspricht 30 kg Kohleenergie. In dieser Zahl ist die Effizienz von Kohlekraftwerken von etwa 40 Prozent bereits berücksichtigt. Eine Tesla-Batterie muss dann noch mit Strom aufgeladen werden, während die Kohle bereits „geladen“ ist. Natürlich hinkt der Vergleich, aber bitte lesen Sie weiter, es wird noch interessanter.

Darüber hinaus lässt sich berechnen, dass die jährliche Produktion einer Giga-Fabrik von 50 GWh Tesla-Batterien gerade ausreichen würde, um den gesamten Stromverbrauch der USA für sechs Minuten abzudecken. Die heutige Batterietechnologie kann leider nicht die Lösung für das Problem der Verfügbarkeit sein. Wenn man das Speicherproblem für Erneuerbare Energien gelöst hätte, bedarf es immer noch unglaublich großer abgeholzter Flächen, auf denen nicht gebaut oder Nahrungsmittel angebaut werden können, um den Platz für energie-ineffiziente Windräder oder Sonnenkollektoren bereitzustellen.

Materialbedarf und Recycling

Als nächstes stellt sich die Frage nach den für die Herstellung einer Batterie erforderlichen Materialien. Nach konservativen Annahmen wird erwartet, dass jede Tesla-Batterie mit 85 kWh bis zu 25 bis 50 Tonnen Rohstoffe benötigt, die abgebaut, transportiert und verarbeitet werden müssen. Zu den benötigten Materialien gehören Kupfer, Nickel, Grafit, Kobalt, Lithium und einige Seltene Erden. Aluminium und Kupfer werden für das Gehäuse und die Verkabelung benötigt. Zusätzlich wird für den Bau einer Tesla-Batterie ein Energieeinsatz von zehn bis 18 MWh benötigt, was unter der Annahme eines Anteils von 50 Prozent erneuerbarer Energie zu 15 bis 20 Tonnen CO2-Emissionen führt.

Einschließlich des Abraums (Annahme: 1:10) benötigt eine einzige Tesla-Batterie 250 bis 500 Tonnen zu bewegendes/abzubauendes Material. Im Vergleich dazu benötigt Kohle nur 0,3 Tonnen – das entspricht einem Faktor von 800 bis 1.700!

Zum Thema Recycling: Das Thema kommt langsam in den Massenmedien an (siehe Artikel vom Februar 2020 auf Bloomberg). Die ersten größeren Mengen stillgelegter und unbrauchbarer Windparks kommen auf die Deponien und treffen auf unzureichende Kapazitäten an Recyclinganlagen. Es gibt noch keinen kostengünstigen Weg, um ausgediente Rotorblätter oder Solarpaneele in großen Mengen zu recyceln. Der von uns erzeugte Elektroschrott ist bereits ein verheerendes Problem für Deponien außerhalb von Accra, Nairobi und Mombasa (Kenia), die mit dem Abfall der reichen Länder umgehen müssen. Stellen Sie sich vor was passiert, wenn Millionen von ausgedienten Batterien von Elektrofahrzeugen und Solarparks nach zehn bis 20 Jahren das Ende ihrer Lebensdauer erreichen? Es wird zu einer „Abfallkatastrophe“ führen, denn es gibt weder genügend Recyclingkapazitäten noch Geld oder Energie, um diesen teilweise hochgiftigen Abfall zu entsorgen. So oder so werden die Kinder in Mombasa weiterhin wertvolle Metalle von gefährlichem Elektroschrott trennen.

Was machen wir jetzt?

Es ist besorgniserregend, dass junge Menschen in der Schule lernen, vor der durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehenden Erwärmung Angst zu haben. Es ist noch problematischer, wenn sie lernen, dass der Ausweg Wind, Fotovoltaik oder E-Autos wären. In den letzten 150 Jahren gab es eine Erwärmung von etwa 1 ° C. Die IPCC bestätigt (wenn man genau liest), dass mindestens die Hälfte dieses Temperaturanstiegs natürliche Ursachen hat und die Folge verstärkter Sonneneinstrahlung nach dem Ende der kleinen Eiszeit vor 300 Jahren ist. Die andere Hälfte ist möglicherweise „vom Menschen verursacht“, was die Wärme sowie das CO2 einschließt, die die gesamte verbrauchte Energie von fast 600 Exa Joule (EJ) jährlich erzeugt, die in die Biosphäre freigesetzt wird. Die zusätzliche Begrünung – und damit Biomasse – die durch dieses zusätzliche CO2 entsteht, wird kaum erwähnt. Eine Klimakatastrophe droht nicht, aber echte Umweltverschmutzungen und die vom Menschen verursachten Abfälle geben Anlass zur Sorge – und hierauf sollten die Ressourcen konzentriert werden.

Bezüglich globaler Erwärmung und der bevorstehenden Katastrophe bestätigt das IPCC Folgendes: IPCC 2018 Sonderbericht 15 Punkt A2.1: „Es ist unwahrscheinlich, dass die vom Menschen bis heute verursachten Emissionen (einschließlich Treibhausgase, Aerosole und deren Vorläufer) eine weitere Erwärmung von mehr als 0,5 ° C in den nächsten zwei bis drei Jahrzehnten (hohe Wahrscheinlichkeit) oder auf einer Zeitskala von hundert Jahren (mittlere Wahrscheinlichkeit) verursachen werden.“
IPCC 2018 Dritter Bewertungsbericht 14 Seite 771: „In der Klimaforschung und -modellierung sollten wir erkennen, dass wir es mit einem gekoppelten, nicht linearen, chaotischen System zu tun haben und daher eine langfristige Vorhersage zukünftiger Klimazustände nicht möglich ist.“

Selbst wenn man davon überzeugt ist, dass katastrophale Vorhersagen für die globale Erwärmung der richtige Weg sind, um den Umweltschutz anzugehen, zeigt dieser Artikel, dass Wind- und Solarenergie – obwohl sie sicherlich für Anwendungen wie die Beheizung eines Schwimmbads geeignet sind und damit einen Platz im Energiemix verdienen – die konventionelle Energieerzeugung nicht ersetzen können und werden. Was wir brauchen, ist eine echte „Neue Energie-Revolution“. Die Energie der Zukunft mag völlig neu sein, möglicherweise vermehrt erneuerbar und nuklear, aber sie wird wenig mit Wind und der heutigen Fotovoltaik zu tun haben.

Um diese neue Energierevolution zu realisieren, muss mehr in Bildung und Grundlagenforschung (Stromerzeugung, Speicherung, Supraleiter usw.) investiert werden, während gleichzeitig in konventionelle Energie investiert werden muss, um sie effizienter und umweltfreundlicher zu machen. Dies ist der vernünftigste Weg, um den Planeten vor den negativen Auswirkungen unserer Existenz zu retten.

Wie TIME MAGAZIN „Hero of the Environment 2008“ Michael Shellenberger in einem am 6. Mai 2019 im Forbes erschienenen Artikel sagte: „Der Grund, warum erneuerbare Energien nicht die Energiequelle für die moderne Zivilisation sein können, ist, dass sie nie dafür gedacht waren. Eine interessante Frage ist, warum irgendjemand dachte, sie könnten es sein.“