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• Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe ISBN 3-937863-00-1

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DANKSAGUNG

Bei dem vorliegenden Buch handelt es sich um eine Neuauflage von dem Buch "Wasserstoff und Brennstoffzellen - Die Technik von morgen!", das zum ersten Mal im Mai 2002 vom Autor Sven Geitmann in Eigenarbeit herausgebracht worden ist.

Nachdem der Fachjournalist und beratende Ingenieur im Februar 2004 seinen eigenen Verlag gegründet hat, erschien diese neue, sprachlich und inhaltlich überarbeitete Version. Alle Angaben wurden so weit wie möglich aktualisiert, und zahlreiche neue Bereiche wurden eingearbeitet, so dass der Umfang um etwa 100 Seiten angewachsen ist. Darüber hinaus wurden die graphische Gestaltung von Text und Bildern sowie die Druckqualität entscheidend verbessert.

Besonderer Dank geht an dieser Stelle an zahlreiche Personen, Unternehmen, Institute und Verbände, die mit Informationen, Abbildungen und konstruktiven Ratschlägen bei der Erstellung dieses Buches zur Seite gestanden haben. Hervorzuheben sind Dione Gutzmer, die bei der Durchsicht hilfreich zur Seite stand, Andreas Wolter, der Cover-Grafik sowie Text-Layout erstellte, und natürlich Doritt und Willi.

Viel Spaß bei der Lektüre wünscht

Sven Geitmann

6

VORWORT

Bewusstseinsbildung ist unverzichtbare Voraussetzung für die Entscheidungen in demokratisch-parlamentarischen Gemeinwesen. Das gilt für alle politischen Entscheidungen, so auch für energiepolitische. Die aufkommende Wasserstoffenergiewirtschaft gehört hierher. Es genügt nicht, wenn Experten die Sache verstanden haben. Verstehen und verständlich machen ist ihre Aufgabe.

Der Kommunikationsmittel gibt es viele, sie nehmen eher noch zu. Das altehrwürdige Buch wie das vorliegende neue über Wasserstoff und Brennstoffzellen werden auch im Zeitalter der elektronischen Kommunikation ihre Bedeutung bewahren.

Kardinale Unterschiede gegenüber dem gewachsenen Energiesystem kennzeichnen Wasserstoff und seine Technologien: Einmal hergestellt, ist Wasserstoff über seine gesamte dann folgende Energiewandlungskette von der Primärenergie über die Sekundärenergie, die Endenergie, Nutzenergie, schließlich bis zu den Energiedienstleistungen umwelt- und klimaökologisch sauber. Wasserstoff tritt an die Seite von Elektrizität, die andere Sekundärenergie. Beide werden aus allen denkbaren Primärenergien hergestellt. Beide rücken den Schwerpunkt des Energiegeschehens in die Sekundärenergiewirtschaft, deren Bedeutung zunimmt. Beide stehen und fallen mit effizienten Energietechnologien.

Technisches Wissen um Energieanlagen höherer Effizienzgewinne macht mehr Energiedienstleistungen aus weniger Primärenergierohstoffen. Wasserstoffversorgte, kleinteilige und effiziente Brennstoffzellen der Watt- bis Megawatt-Klasse treten im dezentralen Nutzerbereich als virtuelle Kraftwerke in Wettbewerb zu den gewachsenen zentralen Strukturen. Strom wird nicht mehr nur am Anfang der Energiewandlungskette erzeugt, sondern auch an ihrem Ende. Fahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe mit Wasserstoff im Tank und effizienten Wasserstoff-Motoren oder -Brennstoffzellen an Bord werden Transport und Verkehr buchstäblich schadstoff- und treibhausgasfrei machen.

VORWORT 7

Wasserstoff perpetuiert das Weltenergiehandelssystem. Ländern hoher Importabhängigkeit (wie Deutschland, das 75 % seines Bedarfs an Primärenergierohstoffen einführt) bietet er die Chance, diese Abhängigkeit zu mildern. Technologiepolitik wird zu Energiepolitik. Bei Wasserstoff aus fossilen Energien werden Schadstoffe und Treibhausgase bereits in den Energieverkäuferländern entfernt, was heute den Energiekäuferländern obliegt. Es ergab sich so, dass das Weltenergiehandelssystem Energierohstoffe transportiert und die Schadstoffe gleich mit. Morgen wird es sauberen Wasserstoff transportieren.

Wasserstoff aus erneuerbaren Energien lässt Weltregionen am Energiehandel teilnehmen, deren riesige und beständig erneuerte Ressourcen (Sonne, Wind, Wasserkraft) derzeit ungenutzt bleiben, weil sie nicht speicher- und transportfähig und damit auch nicht handelsfähig sind, da ihnen der speicher- und transportierbare chemische Energieträger Wasserstoff fehlt. Aber, Einsicht verlangt Illusionslosigkeit: Energie braucht Zeit. Viele Jahrzehnte bis zu halben Jahrhunderten sind die typischen Zeiten, die allen neuen Energien im Energiemix eigen waren. Wasserstoff und besonders Wasserstoff aus erneuerbaren Energien machen da keinen Unterschied. Folglich ist es hohe Zeit zu beginnen, „it’s HYtime!“ Eigentlich ist es immer zu spät. Erneuerbarer Wasserstoff ist die ultima ratio, Manche sagen die prima ratio, jedoch durchaus nicht die Voraussetzung für die Wasserstoffenergiewirtschaft. Bis die erneuerbaren Energien in nennenswerte Märkte hineingewachsen sein werden, wird Wasserstoff weiterhin aus fossilen Energien hergestellt werden. Mit einem signifikanten Unterschied gegenüber heute: Die bedrohte Klimaökologie verlangt das Einfangen (Sequestrieren) der mitproduzierten Treibhausgase und ihre für die Atmosphäre schadlose Nutzung oder Endlagerung. Wenn das geschehen sein wird, bleibt nur mehr ein bedeutsamer Unterschied gegenüber erneuerbarem Wasserstoff: Die fossilen Primärenergierohstoffe sind endlich, die erneuerbaren Primärenergien nach Menschengedenken unendlich.

8 VORWORT

Ich wünsche dem vorliegenden Buch eine große Zahl an Lesern und ihnen wachsendes, kritisches Bewusstsein in die Notwendigkeit des Aufbaus der Wasserstoffenergiewirtschaft.

9

INHALT

1  EINLEITUNG  14

2  AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN  18

2.1  Energiebedarf  19

2.2  Heutige Energiequellen  22

  22  

2.2.1  Primärenergieverbrauch in Deutschland  

  25  

2.2.2  Stromverbrauch in Deutschland  

  28  

2.2.3  Welt-Energieversorgung  

2.3  Begrenzte zeitliche Verfügbarkeit  29

2.4  Umweltbelastung  30

  32  

2.4.1  Limitierte Emissionen  

  32  

2.4.2  Nichtlimitierte Emissionen  

  33  

2.4.3  Schadstofffreisetzung  

2.5  Kohlenstoff-Dioxid  34

2.6  Ausstieg aus der Atomenergie  37

2.7  Entwicklung  39

2.8  Solare Wasserstoffwirtschaft  43

2.9  Dezentralität  46

2.10  Förderung  47

3  WASSERSTOFF ALS ENERGIETRÄGER  53

3.1  Chemische & physikalische Eigenschaften  53

  56  

3.1.1  Knallgas-Probe  

  56  

3.1.2  Flüchtiger Wasserstoff  

3.2  Material-Wechselwirkungen  57

3.3  Wasserstoff-Konfiguration  59

3.4  Erfahrung mit Stadtgas  59

3.5  Wasserdampf-Bildung & Wasserstoff-Emission  60

4  HERSTELLUNG VON WASSERSTOFF  61

4.1  Elektrolyse  62

4  2 Dampfreformer  64

10  INHALT  

4.3  Partielle Oxidation  67

4.4  Autothermer Reformer  68

4.5  Kværner-Verfahren  69

4.6  Vergasung  69

4.7  Biochemische Herstellung  70

4.8  Chemische Herstellung  72

4.9  Dissoziation  73

4.10  Nachreinigung  74

  76  

4.10.1  Entschwefelung  

  77  

4.10.2  Ent- oder Befeuchtung  

  77  

4.10.3  Silizium-Entfernung  

4.11  Verflüssigung  77

4.12  Herstellungskosten  79

5  GESPEICHERTE ENERGIE  83

5.1  Druckbehälter  84

  84  

5.1.1  Niederdruck-Tank  

  85  

5.1.2  Hochdruck-Tank  

5.2  Kryogen-Behälter  88

5.3  Metallhydrid  94

5.4  Nano-Röhrchen  98

5.5  MTH-Speicher  99

5.6  Unterirdische Kavernen  100

6  TRANSPORT VON ENERGIE  102

6.1  Gastransport  102

6.2  Flüssigtransport  103

6.3  Rohrleitungssystem  104

7  LEITUNGEN & VENTILE  106

8  BETANKUNGSVORGANG  108

8  1 GH 2 -Betankung  108

  INHALT  11

8.2  LH 2 -Betankung  111

8.3  Wasserstoff-Tankstellen  114

9  SICHERHEIT  121

9.1  Vorsichtsmaßnahmen  121

9.2  Unfallgefahren  125

  125  

9.2.1  Pkw-Brand  

  126  

9.2.2  Lkw-Unfall  

  127  

9.2.3  Lachenbildung  

10  DIE BRENNSTOFFZELLE  130

10.1  Funktionsweise einer BZ  133

10.2  Hohe Effizienz  139

10.3  Verschiedene Brennstoffzellen-Arten  142

  142  

10.3.1  AFC  

  143  

10.3.2  DMFC  

  145  

10.3.3  PE-MFC  

  147  

10.3.4  PAFC  

  148  

10.3.5  MCFC  

  149  

10.3.6  SOFC  

  152  

10.3.7  Mikrobielle BZ  

  153  

10.3.8  Zink/Luft-Brennstoffzelle  

10.4  Brennstoffe für Brennstoffzellen  154

  154  

10.4.1  Erdgas  

  156  

10.4.2  Flüssiggas  

  158  

10.4.3  Biogas  

  159  

10.4.4  Methanol  

10.5  Kostenfrage  161

10.6  Brennstoffzellen Vor- & Nachteile  164

  164  

10.6.1  Pro  

  165  

10.6.2  Kontra  

  10 7 Entwicklung im BZ-Sektor  165

12  INHALT  

11  BRENNSTOFFZELLEN-EINSATZGEBIETE  168

11.1  Mikro- und Mini-Brennstoffzellen  168

11.2  Portable Einheiten  173

11.3  Hausenergie-Versorgung  180

11.4  Kraftwerksbetrieb  189

11.5  Fahrzeuge  194

  197  

11.5.1  Pkw  

  210  

11.5.2  Busse  

  214  

11.5.3  Lkw  

11.6  Luftfahrt  215

11.7  Raumfahrt  217

11.8  Schienenfahrzeuge  218

11.9  Schifffahrt  218

12  DER WASSERSTOFF-MOTOR  220

12.1  Äußere Gemischbildung  221

12.2  Innere Gemischbildung  222

12.3  H 2 -Motor Vor- & Nachteile  223

  223  

12.3.1  Umwelt-Verträglichkeit  

  224  

12.3.2  Abmagerungsfähigkeit des Wasserstoff/Luft-Gemisches  

  224  

12.3.3  Hoher Wirkungsgrad  

  225  

12.3.4  Gewicht & Kosten  

  225  

12.3.5  Unregelmäßige Verbrennung  

  227  

12.3.6  Geringe Leistungsdichte durch Liefergrad-Verluste  

  228  

12.3.7  Schlechte Schmier-Eigenschaften  

  229  

12.3.8  Hoher Aufwand  

12.4  Stickstoff-Emissionen  229

12.5  H 2 -Anreicherung  230

12.6  Motorische Anwendungen  230

  230  

12.6.1  BMW  

  232  

12.6.2  Ford  

  234  

  12 6 3 MAN  

  INHALT  13

13  DER KATALYTISCHE BRENNER  236

14  GEGENÜBERSTELLUNG  238

14.1  Kraftstoff-Vergleich  238

14.2  BZ-Verbrennungskraftmaschine  243

14.3  Schadstoff-Vergleich  247

15  AUSBLICK  252

15.1  Die weitere Entwicklung  252

15.2  Wasserdampf-Bildung  255

15.3  Klimatische Auswirkungen  256

15.4  Elektrolyse-Plattform  257

15.5  Das Wasserstoff-Haus  257

15.6  Insel-Energieversorgung  259

15.7  Island-Modell  260

16  ZUSAMMENFASSUNG  263

17  ANHANG  270

17.1  Abkürzungen  270

17.2  Einheiten/Formelzeichen  271

17.3  Elemente  273

17.4  Geschichte  274

17.5  Chemische Eigenschaften  280

17.6  H 2 -Sicherheitsmaßnahmen  282

17.7  Regenerative Energien  284

  LITERATUR  286

  INDEX  295

  AUTOR  299

14

1 EINLEITUNG

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Er verfügt über einen hohen Heizwert und verbrennt mit Sauerstoff zu nichts anderem als Wasser.

Er ist leicht und wird bereits seit über 70 Jahren als Industriegas verwendet. Genügen diese Eigenschaften, um Wasserstoff zum so genannten Kraftstoff der Zukunft zu machen, der eventuell die bisherigen Energiespeicher ablösen könnte?

Energiespeicher egal welcher Art sind heutzutage unbedingt notwendig, weil ohne Energie so gut wie gar nichts mehr geht auf diesem Planeten. Wissenschaftler und Techniker arbeiten zwar fortwährend an der weiteren Effizienzsteigerung der bisher gebräuchlichen Energiewandler, aber die Entwicklungsschritte werden immer kleiner. Trotz der fortschreitenden Technisierung und Computerisierung ist bei jeder Technik irgendwann ein Stadium erreicht, an dem es aus thermodynamischen oder mechanischen Gründen nicht mehr weitergeht.

Der Verbrennungsmotor basiert auf einer Technik, die mittlerweile so weit ausgereizt ist, dass kaum noch Wirkungsgrad-Verbesserungen möglich sind. Nach 120 Jahren Entwicklung mit Otto- und Diesel-Motoren ist die Frage berechtigt, ob es nicht andere Techniken gibt, die den heutigen Anforderungen besser genügen können.

Die Brennstoffzelle ist so eine Technik. Sie ist zwar keine wirklich neue Erfindung, aber manchmal lohnt es sich auch, alte Patente wieder zu reaktivieren. Die Brennstoffzelle basiert auf einem Prinzip, das bereits vor über 160 Jahren entdeckt, aber dann nicht mit sonderlich viel Vehemenz weiterentwickelt wurde. Dass nicht bereits früher auf diese Technik zurückgegriffen wurde, lässt sich durch die dominante Stellung des Verbrennungsmotors erklären, der bisher nie ernsthaft in Frage gestellt worden ist.

Im Zuge der Industrialisierung mit dem anschließenden Wechsel von der Kohle zum Öl war die Verbrennungskraftmaschine für über 100 Jahre ein durchaus geeignetes Medium. Die Brennstoffzelle bietet im direkten Ver-

1 EINLEITUNG 15

gleich jedoch eine wesentliche Effizienzsteigerung bei gleichzeitig sauberem und leisem Betrieb. Dies hat sie bereits in den sechziger Jahren bei zahlreichen Einsätzen in der Raumfahrt bewiesen.

In den achtziger Jahren wurde zum ersten Mal ernsthaft in Erwägung gezo- gen, Wasserstoff als Energieträger zu verwenden. Entscheidend war damals in Zeiten des aufkeimenden Umweltschutzes speziell der ökologische Aspekt. Ei- nige der damaligen Projekte wurden mittlerweile eingestellt, andere sind bereits verwirklicht worden. Betrachtet man den geschichtlichen Verlauf (s. Kap. 17.4), wird deutlich, dass an der Wasserstoff-Technik schon seit über

200 Jahren mehr oder minder intensiv geforscht wird.

Nach so langer Zeit ist jetzt quasi der zweite Frühling ausgebrochen. Schlagwörter wie „Wasserstoff-Wirtschaft“ und „Brennstoffzellen-Auto“ sind bereits in vieler Munde, auch wenn häufig das Hintergrundwissen noch eher dünn ist. Die Frage stellt sich deswegen, warum gerade jetzt so viel davon geredet wird. Ist die Wasserstoff-Technik geeignet, heutige Probleme zu lösen, und können Brennstoffzellen eine aussichtsreiche Alternative für die Zukunft bieten?

Wasserstoff bietet auf vielen Gebieten Vorteile gegenüber konventionellen Kraftstoffen, so dass er, beispielsweise eingesetzt in einer Brennstoffzelle, der Energiespeicher sein könnte, der den Weg in eine schadstofffreie Zukunft weist.

Das Ausgangsprodukt Wasser ist in ausreichendem Maße vorhanden, bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen kaum Schadstoffe und natürliche Erdöl-Ressourcen können geschont werden. Natürlich gibt es auch Probleme mit diesem Element: Wasserstoff und Sauerstoff sind unter bestimmten Voraussetzungen leicht brennbar, die umweltschonende Erzeugung von Wasserstoff ist noch nicht ausgereift und die für die Nutzung notwendige Infrastruktur ist noch nicht vorhanden. Aber Erfahrungen aus den letzten Jahren zeigen, dass diese Schwierigkeiten bewältigt werden können. Die Wasserstoff-Technik ist insbesondere in den letzten Jahren weit vorangekommen und es existieren bereits vielerlei Anwendungsbeispiele, in denen die Alltagstauglich- keit unter Beweis gestellt wird.

16 1 EINLEITUNG

Beim aktuellen Kostenvergleich mit konventionellen Systemen schneidet die Wasserstoff-Technik erwartungsgemäß nicht gut ab. Viele Komponenten sind noch zu teuer und die Wasserstoff-Herstellung ist noch nicht in ausreichendem Maße auf ökologische Weise möglich. Nimmt man jedoch die Entwicklung der letzten Jahre als Maßstab, so ist absehbar, dass in den nächsten Jahren die ersten Kleinaggregate, Hausenergie-Versorgungssysteme und Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf den Markt drängen werden. Die Preise werden zwar

zu Anfang noch nicht unbedingt günstig sein, mit steigenden Absatzzahlen wird sich jedoch bald eine konkurrenzfähige Alternative zu den herkömmli- chen Systemen etablieren.

Alles läuft daher auf eine Umstrukturierung des Energiesektors hinaus. Dabei muss insgesamt die Effizienz aller Energiesysteme gesteigert werden. Und außerdem muss ein Wechsel stattfinden, sowohl bei den Energieträgern (von fossilen zu erneuerbaren Energien) als auch bei den Energiewandlern (vom Verbrennungsmotor zur Brennstoffzelle).

Dieses Buch soll über die Möglichkeiten informieren, die Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft eröffnen kann. Dazu wird zunächst aus europäischer Sicht über die derzeitige Situation im Energiesektor aufgeklärt, so dass die Notwendigkeit eines neuen, alternativen Energieträgers deutlich wird. Der neue Kraftstoff wird im Weiteren mit seinen Eigenschaften sowie Vor- und Nachteilen vorgestellt. Dieses umfasst sowohl die chemischen und physikalischen Merkmale als auch unterschiedliche Herstellungsverfahren. Die anschließende Energiewandlung in verschiedenen Brennstoffzellen-Arten wird ebenso dargelegt wie die Verbrennung im herkömmlichen Hubkolbenmotor. Darüber hinaus werden Fragen zur Speicherung, zum Transport und zur Betankung beantwortet. Zudem werden in einem ausführlichen Vergleich die Vor- und Nachteile verschiedener Kraftstoffe aufgezeigt. Auf das etwa vorhandene Gefahrenpotential von Wasserstoff wird ebenso eingegangen wie auf das vorhandene Entwicklungspotential.

Zum Schluss wird festzuhalten bleiben, dass Wasserstoff mit Sicherheit nicht gefährlicher ist als andere Energieträger, sondern durchaus mit Recht den

1 EINLEITUNG 17

Titel „Kraftstoff der Zukunft“ tragen darf. Und die Brennstoffzellen-Techno- logie wird die Technik sein, die uns in Zukunft bewegt.

18

2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

Im Laufe der Jahrhunderte und Jahrtausende haben sich die Energiequellen der Menschheit stetig gewandelt. Es hat sich die Art der Energieträger und außerdem deren Nutzungsdauer verändert. Zunächst wurde über Jahrtau- sende hinweg Holz verwendet. Aus Baumstämmen und Ästen wurde im zwei-

eigenschaften verfügte. Im Altertum wurden dann Braun- und Steinkohle entdeckt.

Der Vorteil der Kohle lag in einem höheren Brennwert bedingt durch ihre Entstehungsgeschichte. Kohle ist ein aus tierischen und pflanzlichen Substanzen entstandenes komprimiertes Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Ähnlich ist es beim Erdöl sowie beim Erdgas. Deren Vorteil gegenüber der Kohle ist die leichtere Handhabung, da beide Stoffe einen höheren Energieinhalt bei geringerem Gewicht aufweisen. All diese fossilen Energieträger benötigen besondere Voraussetzungen für ihre Entstehung (Temperatur, Druck, katalytische Wirkungsmechanismen). Kohle, Öl und Gas entstammen längst vergangenen Zeiten und haben Jahrmillionen benötigt, bis sie ihre derzeitige Konfiguration erhalten haben. Bei der Suche nach weiteren Energiequellen entdeckte die Menschheit schließlich im 20. Jahrhundert die Kernenergie und wähnte sich zukünftiger Energieprobleme entledigt. Den beeindruckend großen Energiemengen, die aus relativ geringen Mengen Kernbrennstoff erzeugt werden können, stehen jedoch zurzeit nicht lösbare Entsorgungs- und Gesundheitsprobleme gegenüber, die nicht nur unsere Generation, sondern auch noch zahlreiche zukünftige Generationen belasten werden. Dieser Ausflug in die Kerntechnik entpuppte sich folglich als Sackgasse, so dass die Energiefrage vorerst noch nicht geklärt erscheint.

Die zurzeit vorwiegend verwendeten fossilen Energieträger Erdöl und Erdgas weisen zwei gravierende Nachteile auf:

2.1 ENERGIEBEDARF 19

1. Ihr Verbrauch ist umweltschädlich.

2. Die Ressourcen sind begrenzt.

Auch wenn immer wieder neue Erdölquellen und Erdgasfelder entdeckt werden, ist offensichtlich, dass diese Vorkommen endlich sind und in einiger Zeit erschöpft sein werden. Produkte der Erdgeschichte, die Hunderte von Menschengenerationen bis zur Entstehung benötigt haben, werden innerhalb kürzester Zeit vernichtet, ohne dass die Chance besteht diesen Vorgang jemals wieder rückgängig machen zu können. Der ehemals unter der Erde gebunde-

ne Kohlenstoff wird somit vorrangig in den Industrieländern in die Atmos- phäre entlassen und beeinflusst dadurch in wesentlichem Maße die Umwelt weltweit und das gesamte Erdklima.

Hinzu kommt, dass mitunter die Emissionen, die in den Industrieländern verursacht werden, in den Entwicklungsländern erhebliche Schäden verursachen: Abgas-Schadstoffe verunreinigen über Grenzen hinweg die Luft, undichte Öl- und Gaspipelines verseuchen Grundwasser und Böden, gekenterte Tankschiffe verdrecken Meere und Meeresbewohner. In vielen Fällen bezahlen damit unschuldige Lebewesen mit ihrer Gesundheit für die Annehmlichkeiten der Industrienationen.

Genau wie bei der Diskussion über die Kernenergie müssen wir uns fragen,

ob wir diese teilweise gravierenden Auswirkungen gegenüber den Mitmen- schen und nachfolgenden Generationen rechtfertigen können und wollen.

2.1 Energiebedarf

Es stellt sich die Frage, wie in den folgenden Jahren und Jahrzehnten der gesamte Energiebedarf der Erde gedeckt werden kann.

Ein entscheidender Faktor, der sehr eng mit dem Energiebedarf verknüpft ist, ist das Bevölkerungswachstum. Die Weltpopulation nimmt seit den ersten Schritten des Homo sapiens stetig zu. Bis zum Jahr 2050 soll die Weltpopulation bei fast 9 Mrd. Menschen liegen. Das ist dreimal so viel wie noch vor 100 Jahren.

In gleichem Maße, wie die Anzahl der Menschen auf diesem Planeten zu-

20 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

nimmt, steigt auch die benötigte Energiemenge. Allein mit Holz können sich aber schon lange nicht mehr alle Menschen versorgen. Immer mehr Energie

in vielen unterschiedlichen Erscheinungsformen ist daher notwendig, um in der heutigen Zeit überleben zu können.

Darüber hinaus nimmt auch der Energiebedarf pro Person stetig zu. Speziell in Zeiten der Globalisierung, in denen der Wunsch nach mehr Mobilität die Kilometerleistung aller Fahrzeuge in die Höhe treibt, wird immer mehr Energie von jedem Einzelnen benötigt.

Diese beiden Aspekte gehen einher mit der weltweit fortschreitenden Industrialisierung. Die Millionenbevölkerungen Indiens und Chinas fordern ebenso ihr Recht auf mehr Mobilität und bessere Energieversorgung wie die Bewohner der Industriestaaten. Mit dem gleichen Recht, das Amerikaner und Europäer für sich in Anspruch nehmen frei und unabhängig zu sein, steht auch jedem anderen Menschen das Recht auf Mobilität und damit auf ein Fortbewegungsmittel inklusive der benötigten Energie zu.

Zurzeit ist es so, dass der gesamte Verkehrssektor (inklusive Gütertransport sowie Flugzeug- und Schiffsverkehr) fast die Hälfte des weltweit geförderten Erdöls verbraucht. Es wird geschätzt, dass sich die Gesamtzahl aller Kraftfahrzeuge von derzeit rund 800 Mio. bis zum Jahr 2030 mehr als verdoppelt. Dies bedeutet, dass die globale Autoflotte derzeit prozentual doppelt so schnell wächst wie die Weltbevölkerung. Im Flugsektor wird mit einer Steigerungsrate von jährlich 5 Prozent gerechnet. Das entspricht einer Verdopplung der zurückgelegten Flugmeilen innerhalb von 15 Jahren. Diese weltweit anwachsenden Fahrzeugzahlen und steigenden Kilometerleistungen werden den Energiebedarf weiter erhöhen. Darüber hinaus werden derzeit so viele großmotorige Autos gekauft wie nie zuvor. Da hilft es auch nichts, dass der Kraftstoffverbrauch pro zurückgelegtem Kilometer bei einigen wenigen neuen Kleinwagen gesenkt werden konnte. Die in der Vergangenheit in einzelnen Bereichen erzielten Effizienzsteigerungen werden sofort wieder von einer immer umfassender werdenden Kfz-Sonderausstattung (z. B. Klima-Anlage, Navigationssystem usw.) aufgefressen.

2.1 ENERGIEBEDARF 21

Über die Jahre gesehen hat sich der gesamte Mineralölverbrauch dadurch von

1960 bis zum Jahr 2000

• in den USA mehr als verdoppelt,

• in Europa mehr als vervierfacht,

• im pazifischen Raum versechsfacht.

Es wird weltweit mit einem weiter wachsenden Energiebedarf gerechnet. In der Zeit von 2000 bis 2010 wird die jährliche Steigerungsrate voraussichtlich bei 1,2 Prozent liegen, in den Jahren 2010 bis 2030 bei 0,7 Prozent [Höhlein, 2004].

Dabei muss berücksichtigt werden, dass zwischen den Industrie- und den Entwicklungsländern ein krasses Missverhältnis besteht bezüglich Energieverbrauch und Bevölkerungsanteil (s. Abb. 1).

Die westliche Welt verbraucht mehr als die Hälfte der weltweiten Energievorkommen, wobei sie lediglich ein Siebtel der Weltbevölkerung repräsen-

22 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

tiert. Die USA stellen beispielsweise lediglich 5 Prozent der Weltbevölkerung, konsumieren aber 26 Prozent des Rohöls. [Rifkin, 2002] Umso erschreckender ist es, dass die Effizienz im Energiesektor auf der gesamten Erde gerade mal bei 10 Prozent liegt. 90 Prozent der eingesetzten Energie geht demnach größtenteils in Form von Abwärme verloren. Selbst in technologisch hoch entwickelten Nationen wie Deutschland liegt der durchschnittliche Nutzungsgrad bei gerade mal 30 Prozent. Ein wesentlicher Teil der zukünftigen Energiepolitik wird deswegen der unbedingt notwendigen Effizienzsteigerung zukommen.

2.2 Heutige Energiequellen

Wie soll der stetig zunehmende Energiebedarf zukünftig gedeckt werden? Die Beantwortung dieser Frage wird von Tag zu Tag schwieriger, weil allein eine Steigerung des Wirkungsgrades noch nicht ausreicht. Bei der Betrachtung der heutigen Energieversorgung, wie sie im Folgenden dargelegt werden soll, muss zunächst darauf hingewiesen werden, dass beim Energieverbrauch generell unterschieden werden muss zwischen dem gesamten Primärenergieverbrauch und dem Stromverbrauch.

2.2.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland

Zurzeit nehmen in Deutschland die fossilen Energieträger den größten Anteil bei den Energiequellen ein (s. Tab. 1). Deren Anteil am gesamten Energieverbrauch liegt bei insgesamt 85 Prozent.

Der größte prozentuale Anteil am Primärenergieverbrauch wird in Form von Mineralöl (fast 40 Prozent) bereitgestellt. An zweiter Stelle folgt Kohle (Braun- und Steinkohle zusammen) und dahinter Erdgas sowie Kernenergie. In den vergangenen Jahren hat es deutliche Veränderungen beim Energiemix gegeben. Erdgas konnte seinen Anteil innerhalb von 12 Jahren um rund

35 Prozent vergrößern, während der Anteil von Braunkohle fast um die Hälfte abgenommen hat. Entgegen dem langfristigen Negativtrend konnte je- doch die deutsche Braunkohle-Industrie in den letzten 2 Jahren wieder einen leichten Zuwachs verzeichnen. [Debriv, 2003]

2.2 HEUTIGE ENERGIEQUELLEN 23

Die Bereiche Mineralöl und Kernenergie haben zwar von 1990 bis

2000 jeweils gut 3 Prozent gewon- Umwandlung durchgemacht haben. In nen, in den Jahren 2001 und 2002 diesem Sinne zählen dazu sowohl die fos- ging deren Anteil aber wieder leicht silen Brennstoffe sowie Kernbrennstoffe zurück.

Insgesamt kann festgehalten werden, dass in Deutschland zunehmend mehr gasförmige und weniger feste Energieträger eingesetzt werden. Diese Entwicklung ist vor allem durch die weiter voranschreitende Substitution der Kohle durch Erdgas zu erklären, die unter anderem auf den fortschreitenden Umbau der Industrie in den neuen Bundesländern zurückzuführen ist.

24 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

Während der Gesamt-Energieverbrauch stagniert beziehungsweise geringfügig zurückgeht, nimmt der Anteil von erneuerbaren Energien (EE) am gesamten Primärenergieverbrauch (PEV) seit mehreren Jahren auf niedrigem Niveau weiter zu (s. weiss gestrichelte Linie in Abb. 2). Der stetige Aufwärtstrend, der lediglich im Jahr 1996 (Liberalisierung des deutschen Strommarktes) einen Aussetzer verbuchen musste, dauert mittlerweile über 10 Jahre an. Zunächst verlief dieser Anstieg infolge der Einführung des Stromeinspeisegesetzes (im Jahr 1991) eher langsam, seit 1999 jedoch recht zügig. Dies lag unter anderem an der Einführung des 100.000-Dächer-Solarstromprogramms (1999) und des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG, 2000).

Die erneuerbaren Energien machten im Jahr 2002 etwa 2,9 Prozent am Primärenergieverbrauch aus. Bis 2010 sollen daraus gemäß der Novelle des Er- neuerbare-Energien-Gesetzes 4,2 Prozent, bis 2020 etwa 10 Prozent werden.

2.2 HEUTIGE ENERGIEQUELLEN 25

2.2.2 Stromverbrauch in Deutschland

Der Hauptanteil der Stromproduktion wird in Deutschland von den 18 inländischen Kernkraftwerken übernommen (Stade wurde im Herbst 2003 abgeschaltet). Sie liefern rund ein Drittel der insgesamt benötigten Elektrizität. Insgesamt lieferten die deutschen Stromversorger im Jahr 2002 rund

504 Milliarden Kilowattstunden Strom (inkl. der Einspeisung von privater Seite). Davon exportierten die Stromerzeuger rund 45,5 Milliarden Kilowatt- stunden, während sie 46,2 Milliarden Kilowattstunden importierten.

Auf die erneuerbaren Energien entfielen bei der Stromversorgung im Jahr

1990 erst rund 3,5 Prozent, während es im Jahr 2002 bereits fast 9 Prozent waren und bis 2010 nach Willen der Bundesregierung 12,5 Prozent werden sollen. Allein der Anteil von Windkraft an den erneuerbaren Energien lag 2002 bei rund 35 Prozent (s. Tab. 3).

Der Anteil von Solarstrom (Photovoltaik, Abk.: PV) ist nach wie vor relativ gering, obwohl in den letzten 10 Jahren aufgrund der hohen Wachstumsrate in diesem Sektor (etwa 50 Prozent) beträchtliche Flächen mit PV-Modulen bestückt werden konnten. Dieser Anstieg ist jedoch vornehmlich ein Wachstum auf niedrigem Niveau, so dass der Anteil am Gesamtverbrauch gering bleibt.

Windkraft konnte in den letzten Jahren zulegen, während der Anteil der Bioenergie leicht abgenommen hat. Auch im Bereich der Wasserkraft ging es im Jahr 2003 geringfügig zurück. Dies lag unter anderem an Ausfällen von überalterten Anlagen, die nur vereinzelt durch neuere ersetzt wurden. Wasserkraft ist derzeit der wichtigste regenerative Stromlieferant mit einem Anteil von über 50 Prozent. Da die große Wasserkraft (> 5 Megawatt installierter Leistung) in der ursprünglichen Version des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) unberücksichtigt geblieben ist, war hier kein entsprechender Anstieg wie bei den anderen nachhaltigen Energietechniken zu verzeichnen. Dieses Manko ist allerdings in der Novellierung des EEG behoben worden. Als weiterer einschränkender Faktor kommt für diesen Sektor hinzu, dass die Standortpotentiale weitestgehend ausgeschöpft sind, so dass zukünftig der Schwerpunkt auf kleinen Wasserkraftwerken (z. B. Laufräder) liegen wird.

26 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

2.2 HEUTIGE ENERGIEQUELLEN 27

Bis zum Jahr 2010 kann damit gerechnet werden, dass der Windanteil am grünen Strom 50 Prozent betragen wird. Dies würde bedeuten, dass die Spitzenposition der Wasserkraft bis dahin von der Windkraft übernommen wird. Obwohl die Wachstumsrate bei den Windrädern nicht mehr wie bisher (1990 bis 2001) 60 Prozent beträgt, wird sie voraussichtlich noch bei 10 bis 20 Prozent liegen. Ein ebenfalls großes Potential wird der Bioenergie zukommen, deren Anteil von heute 8 Prozent (ohne Müll) an der regenerativen Energie voraussichtlich auf rund 22 Prozent im Jahr 2010 anwachsen wird. [Husemann, 2003]

Einen maßgeblichen Anteil am Zuwachs des nachhaltig hergestellten Stroms könnte die Nutzung dieses so genannten Ökostroms darstellen, wenn er auch in privaten Haushalten vermehrt eingesetzt werden würde. Die Akzeptanz ist zwar bereits heute durchaus gegeben (60 bis 70 Prozent der Haushalte wären Umfragen zufolge theoretisch bereit, mehr für Strom aus erneuerbaren Energien zu zahlen.), es hapert jedoch noch an der praktischen Umsetzung. Der Marktanteil von Ökostrom liegt heute lediglich bei einem Prozent, weil viele Kunden immer noch den tatsächlichen Wechsel scheuen. Würde jedoch

der Ökostromanteil zunehmen,

würde auch mehr Geld in den Bau

neuer Anlagen investiert werden können.

Nach der Liberalisierung des Strommarktes war ursprünglich mit deutlich höheren Quoten gerechnet worden. Die langfristigen Prognosen gehen aber auch weiterhin trotz dieser

trägen Entwicklung von bis zu 20 Prozent bei Haushaltskunden aus. Die Energieversorger hoffen dabei auf die Unterstützung des Bundes,

28 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

der seinerseits künftig vermehrt öko-zertifizierten Strom nutzen will und dies auch bereits bei der Versorgung des Bundesumweltministeriums realisiert hat.

2.2.3 Welt-Energieversorgung

Aufgrund der unterschiedlichen regionalen Begebenheiten ist die Energieversorgung in den verschiedenen Ländern der Welt sehr stark von den natürlichen Energievorkommen und geographischen Erscheinungsformen geprägt. Island verfügt beispielsweise über Thermalquellen (Geothermie), während in Kanada die Wasserkraft und in Chile die Windenergie entscheidende Rollen übernehmen.

Den größten Beitrag zur gesamten Primärenergieversorgung weltweit trägt nach wie vor das Erdöl bei (etwa 41 Prozent). An zweiter Stelle folgt die Steinkohle, die rund ein Fünftel des Weltenergiebedarfes und etwa ein Drittel des Strombedarfes abdeckt. Bei der Stromversorgung ist damit die Steinkohle der wichtigste Energielieferant. Nach Erdgas und Kernenergie ist die Was-

2.3 BEGRENZTE ZEITLICHE VERFÜGBARKEIT 29

2.3 Begrenzte zeitliche Verfügbarkeit

Da die fossilen Energieträger den größten Anteil am Energieverbrauch haben und der Energieverbrauch stetig zunimmt, ist absehbar, dass die natürlichen Vorkommen dieser Energieträger immer weniger werden. Allein die USA verbrauchen pro Tag rund 24 Mio. Barrel Öl (Importanteil: 9 Mio. Barrel). Deswegen wird immer wieder die Frage aufgebracht: Wie lange halten die Reserven noch?

Die Diskussion über die Bezifferung der zeitlichen Verfügbarkeit dieser Öl-, Gas- und Kohlevorkommen ist ein fortwährender Kampf unterschiedlicher Interessengruppen. Vertreter der Mineralölindustrie behaupten seit Jahren, es seien ausreichend Ressourcen vorhanden und in absehbarer Zukunft (50 Jahre) würde kein Mangel entstehen. Schließlich würden immer wieder neue Vorkommen entdeckt. Hinzu kommt, dass nach und nach auch jene Vorkommen unter wirtschaftlichen Aspekten ausgebeutet werden können, deren Förderung bisher zu aufwändig und damit zu teuer gewesen sind (Beispiel: Ölsande in Kanada). Je höher der Ölpreis, desto eher lohnt sich der Abbau auch dieser Reserven.

Dem halten diverse Umweltverbände und einige Wissenschaftler entgegen, in der nächsten Zeit (10 bis 20 Jahre) würden die Reserven drastisch abnehmen. Das Fördermaximum von Öl soll irgendwann im Zeitraum 2020 bis

2040 erreicht sein. [Rifkin, 2002] Von besonderer Bedeutung war daher zur Jahreswende 2003/2004 die Neubewertung des Mineralölkonzerns Shell, der nach eigenen Aussagen seine Reserven falsch eingeschätzt hatte und die Mengenangabe zunächst um ein Drittel und im Frühjahr 2004 nochmals um mehrere Prozent reduzieren musste.

Wer in dem Streit um die Verfügbarkeit letztlich Recht oder Unrecht hat, ist schwer zu sagen und soll an dieser Stelle nicht erörtert werden. Es bleibt auf jeden Fall eine unbestreitbare Tatsache, dass sich die Menge der natürlichen Energieträger mit jedem Tag verringert, an dem auch nur ein Fahrzeug mit Benzin fährt oder ein Haus mit Kohle geheizt wird. Die Frage muss demnach nicht lauten, wie lange die Vorkommen tatsäch- lich noch reichen werden. Statt dessen sollte sich jeder Einzelne fragen, wie

30 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

die noch existierenden Primärenergieträger im Sinne einer nachhaltigen Handlungsweise verantwortungsvoll und bewusst eingesetzt werden können.

Mineralöl gilt als so genannter „hochwertiger Energieträger“, weil es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. Deswegen spielt die Überlegung eine wichtige Rolle, ob es für die Verfeuerung in Heizkesseln oder den Antrieb von Kraftfahrzeugen nicht einfach zu schade ist, gerade weil es nicht endlos viel davon gibt.

Erdgas nebst diversen Folgeprodukten (z. B. Propan, Butan) ist genau wie Mineralöl ein endlicher, fossiler Primärenergie-Träger, wobei er als nicht ganz so hochwertig angesehen wird. Die Vorteile von Gas gegenüber dem so genannten „flüssigen Gold“ sind im Wesentlichen:

Wasserstoffwirtschaft.

Heute gesammelte Erfahrungen mit diesem Gas könnten in einigen Jahren bei der Anwendung von gasförmigem Wasserstoff als Energieträger genutzt werden.

Ungeachtet dieser Diskussion um die begrenzte zeitliche Verfügbarkeit der fossilen Energieträger ist ein Wechsel zu anderen Energieträgern auch ohne dieses Argument sinnvoll. Man kann also sagen, dass die Mineralöl-Zeit ohnehin abgelaufen ist.

2.4 Umweltbelastung

Die Diskussion über den Energieverbrauch sowie die Verfügbarkeit der fossilen Energieträger beinhaltet auch die Diskussion über die Umweltbelastung. Was aber bedeutet eigentlich Umweltbelastung? Mit der Umwelt ist neben den Mitmenschen auch die gesamte Tier- und Pflanzenwelt gemeint inklusive der Luft, die wir atmen, und des Bodens, auf

2.4 UMWELTBELASTUNG 31

dem wir gehen. Alle Einflüsse, die diese Umwelt negativ beeinflussen, können als Umweltbelastung bezeichnet werden.

Gemäß dem Motto: „Ob etwas giftig ist, entscheidet allein die Dosierung!“ gibt es Bestimmungen, die Grenzwerte für alle Emissionen festlegen. Die Emissionen, die auf diese Weise in ihrer Häufigkeit und Menge begrenzt (limitiert) sind, werden als „Schadstoffe“ bezeichnet. Wohlgemerkt handelt es sich hierbei lediglich um die gesetzlich reglementierten Emissionen. Andere Substanzen können ebenfalls die Umwelt belasten, unterliegen aber nicht unbedingt einer Reglementierung.

Wenn fossile Energieträger verbrannt werden, verändert sich deren chemische Struktur und es entstehen Verbrennungsprodukte. Bei diesen Produkten muss es sich nicht von vornherein um Schadstoffe handeln. Solange eine vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen stattfindet (s. Formel), werden lediglich unschädliche Reaktionsprodukte erzeugt. Inwieweit Kohlenstoff-Dioxid als schädlich oder unschädlich bezeichnet werden kann, wird im nachfolgenden Kapitel behandelt.

Vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen:

C n H m + (m + n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O

Weil jedoch nicht nur die Kohlenwasserstoffe als Reaktionspartner für Sauerstoff zur Verfügung stehen, sondern auch große Mengen Stickstoff (79 % der Umgebungsluft sind Stickstoff), entstehen auch Stickstoff-Oxide, die als Schadstoffe angesehen werden.

Problematischer wird es, wenn es zum Beispiel bei Sauerstoff-Mangel zu einer unvollständigen Verbrennung kommt, so dass außerdem Kohlenstoff-Monoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Schwefeloxid und Ruß entstehen. In der Realität sieht es so aus, dass eigentlich nie eine vollständige Verbrennung stattfindet. Demzufolge entstehen tatsächlich bei jeder Verbrennung von fossilen Energieträgern gewisse Mengen an Schadstoffen, limitierte und nichtlimitierte Emissionen.

32 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

2.4.1 Limitierte Emissionen

Kohlenwasserstoffe (C n H m ): Bezeichnung für organische Verbindungen, die nur aus verschiedenen Anteilen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Kohlenstoff-Monoxid (CO): Reiz-, farb- und geruchsloses Gas, das bei der unvollständigen Verbrennung von organischen Verbindungen entsteht. Es wirkt gesundheitsgefährdend, da es die Sauerstoff-Aufnahme des Blutes behindert.

Stickstoff-Oxide (NO x ): NO x umfassen Stickstoff-Oxid (NO) und Stickstoff-Dioxid (NO 2 ). Speziell NO greift die Schleimhäute der Atmungsorgane an und begünstigt Atemwegserkrankungen. In der Luft reagieren die Oxide in Verbindung mit Wasser zu Salpeter-Säure und sind für den sauren Regen mitverantwortlich. Stickstoff-Oxide tragen außerdem zur Smog-Bildung bei. Ruß (C): reiner, unverbrannter Kohlenstoff. Er wird vornehmlich in Diesel-Aggregaten erzeugt. Am Ruß können polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe angelagert sein, denen eine karzinogene (krebserzeugende) Wirkung nachgesagt wird.

2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen

Schwefel-Dioxid (SO 2 ): SO 2 ist ein farbloses, stechend riechendes Gas. Es entsteht überwiegend als unerwünschtes Nebenprodukt bei der Verbrennung schwefelhaltiger, fossiler Energieträger wie Kohle oder Öl. Reagiert Schwefel-Dioxid mit dem in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampf, entsteht schwefelige Säure (H 2 SO 3 ), die zur Bildung von saurem Regen führt, der für das Waldsterben mitverantwortlich ist.

Kohlenstoff-Dioxid (CO 2 ): Farbloses, nicht brennbares, geruchloses und ungiftiges Gas, das mit etwa 0,03 Prozent natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre ist.

Polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH): Einige besitzen karzinogene und auch mutagene Eigenschaften (Krebs und Mutationen auslösend).

Benzol, Toluol, Xylol (BTX): leicht flüchtige, aromatische Einzelkohlenwasserstoffe in ringförmiger chemischer Anordnung, Benzinbestandteile. Benzol gilt als krebserzeugend, Toluol kann in erhöhter Konzentration Schleimhaut-

2.4 UMWELTBELASTUNG 33

reizungen, Störungen des Nervensystems sowie Schädigungen an Leber, Niere und Gehirnzellen verursachen.

Formaldehyd (HCHO oder CH 2 O): wasserlösliches, sehr reaktionsfreudiges, säuerlich-stechend riechendes, farbloses Gas, karzinogen. Es gehört zur Gruppe der Aldehyde und kommt meist in 35%iger wässriger Lösung als Formalin in den Handel. Es entsteht als Nebenprodukt bei fast allen Verbrennungsprozessen.

2.4.3 Schadstofffreisetzung

Je nach Energiewandler und Einsatzgebiet werden unterschiedliche Energieträger verwendet. Folglich unterscheiden sich dementsprechend auch die Menge sowie die Zusammensetzung der Emissionen (Abb. 4). Für den Straßenverkehr werden vorrangig Otto- und Diesel-Motoren eingesetzt, die Benzin beziehungsweise Dieselöl verbrauchen. In Kraftwerken können je nach Bauart Braun- oder Steinkohle, Erdgas und auch Erdöl in großen Turbinen verfeuert werden. In der Industrie kommt es zu einer Ansammlung verschiedener Energiewandlungsprozesse, während es in privaten

34 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

Haushalten entweder Kohleöfen gibt oder Brennkessel, die bisher meist mit Öl und inzwischen zunehmend mehr mit Gas befeuert werden.

Im gesamten Verkehrssektor (Straßen-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr) werden über 60 Prozent der NOx-Emissionen abgegeben. Etwa 20 Prozent werden in Kraftwerken erzeugt und

weitere 10 Prozent entstehen durch Industriefeuerung. Der Verkehr ist darüber hinaus für über 55 Prozent der CO-Emissionen verantwortlich. stoff-Monoxid emittieren die privaten Haushalte und etwas weniger als

20 Prozent die Industrie. Mehr als ein Drittel aller Kohlenstoff-Dioxid- Emissionen wird in Kraftwerken erzeugt und jeweils ein Sechstel im Straßenverkehr, in den Haushalten und durch die Industriefeuerung.

2.5 Kohlenstoff-Dioxid

Beim Thema Kohlenstoff-Dioxid gehen die Meinungen auseinander, ob diese Substanz als Schadstoff angesehen wird, als Treibhaus-Gas oder lediglich als ganz natürliches Umweltgas.

Kohlenstoff-Dioxid (CO 2 ) ist ein ungiftiges Gas und natürlicher Bestandteil der Erd-Atmosphäre. Für die Pflanzenwelt ist es unverzichtbar. Es wird von den Pflanzen bei der Photosynthese in energiereichere Kohlenhydrate umgewandelt, wobei Sauerstoff frei wird. Für diesen Vorgang sind lediglich Sonnenenergie und Wasser notwendig. Der auf diese Weise produzierte Sauerstoff bildet die Lebensgrundlage für alle Säugetiere (inkl. Mensch). Die außerdem bei der Photosynthese erzeugten Kohlenhydrate werden von tierischen Organismen bei deren Stoffwechsel aufgenommen (Pflanzenfresser essen Grünzeug). Während des Verdauungsvorganges werden die Pflanzen wieder zu CO 2 und Wasser abgebaut und anschließend über die Atmung an die Außenluft abgegeben beziehungsweise in Biomasse umgewandelt.

2.5 KOHLENSTOFF-DIOXID 35

Somit schließt sich ein Kreislauf, in dem Kohlenstoff-Dioxid nichts weiter ist als ein lebensnotwendiges Umweltgas.

Kohlenstoff-Dioxid hat jedoch auch Auswirkungen auf das Klima und wird in diesem Zusammenhang als Klimagas bezeichnet: Die Erd-Atmosphäre ist weitestgehend durchlässig für einfallendes, sichtbares Sonnenlicht. Die Rückstrahlung von langwelliger Infrarot-Strahlung wird hingegen teilweise verhindert. Dafür sind verschiedene Klimagase verantwortlich, von denen Wasserdampf in hohen Luftschichten den größten Einfluss hat.

Damit verhält sich die Atmosphäre ähnlich wie das Glasdach eines Treibhauses, woher dieses Phänomen auch seinen Namen bekommen hat. Diese natürliche Eigenschaft der Erd-Atmosphäre hebt die durchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche um etwa 30 °C. Ohne diese Eigenschaft wäre es also um einiges kälter auf diesem Planeten.

Wird allerdings heute von „Treibhaus-Effekt“ gesprochen, ist eine weitergehende Erwärmung gemeint, die der Konzentrationszunahme von Kohlenstoff-Dioxid, Methan, FCKW, Distickstoff-Oxid sowie anderen Spurengasen zugeschrieben wird. Einige Klimamodelle sagen in den nächsten 50 Jahren eine globale Temperaturerhöhung um 1,5 bis 4,5 °C voraus.

36 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

Seit dem Klimagipfel in Rio de Janeiro im Jahr 1992 diskutieren die Teilnehmer-Staaten über ein gemeinsames Vorgehen, um eine menschengemachte Temperaturerhöhung und fortschreitende Klimaveränderung einzudämmen. Nachdem es damals neben wichtigen verabschiedeten Dokumenten (Agenda

21) noch keine konkreten Vereinbarungen gegeben hatte, einigten sich im Jahr 1997 insgesamt 160 Staaten in der japanischen Stadt Kyoto auf eine Ver- ringerung ihres Schadstoff-Ausstoßes. Die Industrieländer verpflichteten sich, ihre Emissionen an Kohlenstoff-Dioxid und Treibhaus-Gasen bis zum Zeitraum 2008 bis 2012 um 5 Prozent gegenüber dem Vergleichsjahr 1990 zu senken. Von dieser Vereinbarung distanzierten sich jedoch die Vereinigten Staaten.

Im Sommer 2001 wurde in Bonn ein weiterer Versuch unternommen, das so genannte Kyoto-Protokoll dennoch in Kraft treten zu lassen. Dies gelang unter erheblichen Zugeständnissen, allerdings ohne die Beteiligung der USA. Die Europäische Union hat im Rahmen dieser Vereinbarung zugesichert, ihre Emissionen zukünftig um 8 Prozent zu reduzieren. Wegen der unterschiedlichen Lastverteilung innerhalb der EU wird die Bundesrepublik 21

2.6 AUSSTIEG AUS DER ATOMENERGIE 37

Prozent beisteuern, während anderen europäischen Ländern ein Anstieg ihrer Zahlen zugestanden wurde. Mittelfristig (bis zum Jahr 2020) ist eine Emissionsreduktion von 20 bis 40 Prozent angepeilt, langfristig (bis 2040) von 70 Prozent.

Bis zum Jahr 2001 war es noch so, dass fast alle Länder eher mehr als weniger Kohlenstoff-Dioxid emittierten. Dass Russland scheinbar eine löbliche Ausnahme bildete (s. Abb. 5), lag vorrangig am Zusammenbruch der Industrie nach dem Zerfall der Sowjetunion, von dem sich die dortige Wirtschaft noch nicht wieder erholt hatte. Speziell die Vereinigten Staaten von Amerika, die für einen Großteil des CO 2 -Ausstoßes verantwortlich sind, steigern sogar ihren Anteil und signalisieren nach wie vor kein Einlenken, aus Angst vor Einbußen für die eigene Wirtschaft.

2.6 Ausstieg aus der Atomenergie

Bei der Atomenergie gibt es zwar keine direkten Schadstoff-Emissionen wie bei fossiler Energie. Demgegenüber ist jedoch die Gefährdung während und nach der Nutzung von Kernbrennstoffen so groß, dass der Bundestag den Ausstieg aus dieser Technologie beschlossen hat. Die Abwendung von der Atomenergie ist in Europa bereits seit einiger Zeit im Gange. Von den damaligen EU-Mitgliedsländern haben fünf von Anfang an auf Kernenergie verzichtet. Zwei Länder (Österreich und Italien) haben den Einstieg in diese Technologie wieder abgebrochen und in drei Ländern (Niederlande, Belgien und Schweden) ist der Ausstieg beschlossene Sache. [Jänicke, 2002]. Diese Umorientierung hat gute Gründe:

1. Die Wettbewerbsfähigkeit einer nuklear erzeugten Kilowattstunde ist deutlich geringer als lange Zeit angenommen wurde.

2. Die Endlagerung des Atommülls ist nach wie vor ungeklärt.

3. Es besteht eine latente Unfallgefahr speziell von veralteten Anlagen. 4. Es besteht die Gefahr von Attentaten auf Kraftwerke und Castor-Transporte.

5. Es bestehen erhebliche Akzeptanzprobleme in der Bevölkerung.

38 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

Trotz dieser gewichtigen Probleme ist bisher geplant, bis zum Jahr 2005 in Deutschland lediglich zwei Atomkraftwerke abzuschalten (nach Stade könnte Obrigheim folgen). Da es jedoch bereits heute erhebliche Schwierigkeiten bei der Lagerung des täglich neu entstehenden Atommülls gibt, sollten so früh wie möglich auch die restlichen Meiler vom Netz genommen werden. Der Ausstieg aus der Atomenergie und die gleichzeitige Verwirklichung der Klimaschutzziele ist dabei kein Widerspruch, wenngleich Atomenergie-Befürworter den Nuklearstrom als schadstofffreie Energie propagieren, ohne die das Kyoto-Protokoll nicht erfüllt werden könne. Angesichts erheblicher Überkapazitäten und wachsender Anteile der erneuerbaren Energien sind Kapazitätsengpässe auf dem Strommarkt nicht zu erwarten. Es ist demnach nicht zu befürchten, dass beim Verzicht auf Atomstrom stattdessen veraltete Kohlekraftwerke die Luft verpesten oder die Lichter ausgehen könnten. [Jänicke, 2002]

Mitte der 1960er Jahre konnte die Kernenergie-Branche einen großen Aufschwung verzeichnen. Der damalige Anstieg des Jahresenergieertrages war jedoch nicht so hoch wie bei der Windenergie, die in den 1990er Jahren ihre

2.7 ENTWICKLUNG 39

Anfänge hatte (s. Abb. 6). Trotz relativ windarmer Jahre kann die Windbranche in ihren ersten 11 Jahren eine bessere Entwicklung vorweisen als die Atomindustrie.

2.7 Entwicklung

Bei der Analyse der vorweggegangenen Verbrauchs- und Schadstoff-Daten kommt man nicht umhin zu fragen, wie die weitere energiewirtschaftliche Entwicklung aussehen wird. Dazu hier ein kurzer Ausblick. Der weltweite Energiebedarf wird weiter steigen. Wissenschaftler erwarten, dass er bis 2015 gegenüber dem Referenzjahr 1995 um über 50 Prozent zunehmen wird. Wenn keine radikale Trendwende eintritt, wird der überwiegende Anteil davon nach wie vor durch die Verbrennung fossiler Energieträger gedeckt werden. Damit verbunden wäre:

• eine weitere Reduzierung der natürlichen Vorkommen fossiler Energieträger,

• eine weitere Zunahme der Umweltbelastung und

• eine weitere globale Klimaerwärmung.

Um diese Entwicklung zu umgehen oder zumindest zu verzögern hat sich die Bundesregierung zum Ziel gesetzt, den Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch zu steigern. Von 2,1 Prozent im Jahr 2000 soll deren Anteil auf 4,2 Prozent im Jahr 2010 verdoppelt werden. Bei der Stromproduktion soll der Anteil von 6,25 Prozent (2000) auf 12,5 Prozent (2010) und bis 2020 auf mehr als 20 Prozent erhöht werden. Nach den heute vorliegenden Zahlen kann dieses Vorhaben durchaus als ein realistisches eingeschätzt werden.

In einem Zukunftsszenario, das „Die Grünen“ im Jahr 2002 vorstellten, würde der Windenergie im Jahr 2020 mit etwa 45 Prozent der größte Anteil unter den erneuerbaren Energien zukommen. An zweiter Stelle könnte dann Biomasse liegen. Von 4 Prozent im Jahr 2002 wird sie nach dieser Einschät-

40 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

zung auf rund 26 Prozent ansteigen. Wasserkraft würde auf die dritte Stelle zurückfallen (von 62 Prozent auf 21 Prozent). Demgegenüber könnte der Anteil von Photovoltaik von 0,2 Prozent auf 3,4 Prozent zunehmen. Im Wärmebereich werden sich dieser Einschätzung nach die erneuerbaren Energien etwas langsamer durchsetzen. Bis 2020 ist hier ein Anteil von rund

12 Prozent zu erwarten. Davon wird die Biomasse rund drei Viertel ausma- chen, den Rest werden Solarkollektoren liefern. [Trittin, 2002]

Eine etwas nüchternere Sichtweise hat die von der bundesdeutschen Regie- rung beauftragte Enquete-Kommission in ihrem Energiebericht festgehalten, ohne allerdings konkrete Zahlen zu nennen:

„Die regenerativen Energiequellen mit ihren direkten und indirekten Nutzungsmöglichkeiten sind aus technischer Sicht grundsätzlich in der Lage, alle heute und in Zukunft benötigten Sekundärenergieträger beziehungsweise Nutzenergieformen bereitzustellen. Von den 3 regenerativen Energiequellen solare Strahlung, Geothermie und Gezeitenkraft weist die Sonnenenergie bei weitem das größte Potenzial auf.“ [Enquete-Kommission, 2002]

Die Bedeutung der regenerativen Energieerzeugung für die Zukunft ist demnach sowohl auf deutscher als auch auf europäischer Ebene erkannt worden. Das liegt nicht zuletzt daran, dass mittlerweile auch die Wirtschaft maßgeblich von dieser Entwicklung profitiert. Um 20 Prozent ist der Gesamtumsatz dieser Branche allein von 2000 auf 2001 gewachsen, und zwar auf rund 8,2 Mrd. Euro. Die einzelnen Sparten haben dabei Anteile wie in Tabelle 6 zu sehen sind.

Auch die Zahl der Arbeitsplätze im Bereich der erneuerbaren Energien ist deutlich gestiegen. Heute sind etwa 135.000 Menschen in diesem Wirtschaftszweig beschäftigt (Stand: Frühjahr 2004).

Diese Beschäftigungszahlen (s. Abb. 7) umfassen direkte und indirekte Arbeitsplätze einschließlich vorgelagerter Produktionsketten, Planung, Wartung usw. Allein im Bereich der Windkraft gibt es rund 40.000 Arbeitsplätze, im

2.7 ENTWICKLUNG 41

Bereich der Biomasse circa 50.000 und bei der Solarenergie (Strom und Wärme) rund 18.000.

Im Weißbuch für Erneuerbare Energien wird von Seiten der EU bis 2010 mit 500.000 bis 900.000 Arbeitsplätzen gerechnet.

42 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

Diese Entwicklung wird voraussichtlich noch weiter anhalten. Sowohl der Umsatz in diesem Bereich als auch die Anzahl der Arbeitskräfte wird weiter steigen, so dass diese Branche zunehmend mehr an wirtschaftlicher Bedeutung gewinnen wird.

Damit auch die Umweltbilanz möglichst zügig an dieser Entwicklung partizipieren kann, bieten sich bei der Energieversorgungs- und Fahrzeugtechnik für eine kurz- und mittelfristige Schadstoffreduzierung zwei Wege an:

1. Die eine Variante ist die weitere Optimierung bereits vorhandener Tech- niken. Dies wäre der Versuch, im Prinzip voll ausgereifte Technologien, die mittlerweile über 100 Jahre an Entwicklung hinter sich haben, so zu verbessern, dass die Effizienz noch weiter steigt und im Gegenzug die Emissionen noch weiter sinken. Dies bringt jedoch gewisse Schwierig- keiten mit sich, weil die Potentiale schon weitgehend ausgereizt sind. Die Motoren- und Anlagen-Technik stößt bereits jetzt an Grenzen, so dass eine weitere Anhebung der Wirkungsgrade nur noch geringfügig mög- lich ist.

2. Die andere Variante ist die verstärkte Nutzung von bisher noch nicht vollständig etablierten Energieträgern wie zum Beispiel Biodiesel, Raps- öl, Erdgas, Flüssiggas und Methanol. Die Technik für derartige Kraft- stoffe ist vorhanden, aber noch nicht so weit ausgereift wie bei Benzin und Dieselöl. Es bietet sich aber die Möglichkeit, mit sofortiger Wirkung den Schadstoff-Ausstoß zu verringern, weil selbst Erdgas umweltscho- nender verbrennt als Erdöl. Darüber hinaus können auf diesem Weg die Mineralölvorkommen geschont werden, damit diese noch möglichst lange für andere (sinnvollere) Zwecke genutzt werden können. Die Europäische Kommission hat in diesem Zusammenhang das Ziel her- ausgegeben, bis 2020 mindestens 20 Prozent der Brennstoffe im Stra- ßenverkehrssektor durch alternative Kraftstoffe zu substituieren, und von Seiten der Mineralölkonzerne wird bereits in Langzeit-Szenarios eingeplant, dass die erneuerbaren Energien in einigen Jahren etwa ein Drittel des weltweiten Energiebedarfs decken werden. [Köpke a, 2003]