Was ist die Energiewende?

Klimawandel

Wir beobachten gegenwärtig einen schnellen und drastischen Wandel des globalen Klimas, manchmal sogar als Klimakrise oder Klimakatastrophe bezeichnet. Dieser rasche Klimawandel ist eindeutig auf den Ausstoß von Treibhausgasen – allen voran Kohlenstoffdioxid CO₂ – durch den Menschen seit Beginn der Industrialisierung zurückzuführen. Falls Sie hieran noch Zweifel haben sollten, empfehle ich Ihnen die Lektüre des Berichts Climate Change 2021: The Physical Science Basis des IPCC (Weltklimarat).

Der Klimawandel bedroht das empfindliche Gleichgewicht der globalen Wettersysteme und führt zu einer Häufung von extremen Wetterereignissen sowie Naturkatastrophen. Darüber hinaus gefährdet der Klimawandel auch das biologische Gleichgewicht der Flora und Fauna auf unserem Planeten und führt gemeinsam mit ein paar weiteren menschlichen Einflüssen gegenwärtig zum größten Artensterben seit dem Zeitalter der Dinosaurier (siehe: Artensterben WWF).

Um diese katastrophalen Auswirkungen zu mildern oder gar abzuwenden, ist es unabdingbar den Klimawandel aufzuhalten. Dazu müssen wir Menschen jedoch die Netto-Emissionen von Treibhausgasen auf Null senken. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig jegliche Emissionen zu vermeiden, denn ein Ausstoß von Treibhausgasen an einem Ort kann durch eine Rückbindung von Treibhausgasen an einem anderen Ort ausgeglichen werden, sodass die Treibhausgas-Konzentration in der Atmosphäre in Summe nicht ansteigt. Ein solcher Ausgleich muss auch nicht sofort passieren, sondern aufgrund der Trägheit der klimatischen und biologischen Systeme genügt es die Netto-Emissionen über einen gewissen Zeitraum summiert – sagen wir etwa auf zehn Jahre gerechnet – auf Null zu halten.

Energiesektoren

Der größte Teil der menschlichen Treibhausgasemissionen stammt aus dem Energiebereich. In Deutschland waren es 2021 ganze 84,2% (siehe: Umweltbundesamt). Um Null Netto-Emissionen zu erreichen, ist es daher unbedingt erforderlich die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung zu beenden und durch erneuerbare Quellen zu ersetzen. Diesen Prozess nennen wir die Energiewende.

Die Energiewende gliedert sich, wie auch der Energiebereich selbst, in drei Sektoren. Wobei die Sektoren in verschiedenen Ländern mal mehr mal weniger miteinander verbunden sind. In Deutschland sind die Sektoren bis heute aber weitgehend getrennt, daher behandeln wir sie hier einzeln.

Elektrizität

Der erste Sektor ist die Elektrizität, also die Stromversorgung. Die Elektrizitätswende, oder eigentlich eher die Energiewende im Stromnetz, bezeichnet den Übergang von der heute noch in großem Stil betriebenen Stromproduktion aus fossilen Brennstoffen hin zur Stromgewinnung aus rein erneuerbaren Energien. Als erneuerbare Energien stehen hier im Wesentlichen zwei Optionen mehr oder weniger weltweit zur Verfügung: Die Stromgewinnung aus Windkraft und aus Photovoltaik – also direkt aus dem Sonnenlicht. Zusätzlich gibt es noch die Möglichkeit aus Biomasse, Wasserkraft, Geothermie und Solarthermie Strom zu produzieren. Die Potenziale für diese Energiequellen sind aber sehr unterschiedlich je nach Standort und spielen in Deutschland nur eine untergeordnete Rolle. Neben diesen erneuerbaren Stromquellen gibt es noch eine weitere emissionsfreie¹ Option: die Kernkraft. Die aber nicht im eigentlichen Sinn erneuerbar ist, da sie einen endlichen Brennstoff verbraucht – wenngleich dieser nicht fossiler Art ist.

Die Herausforderung bei der Umstellung des Stromnetzes auf erneuerbare Energien ist deren zeitliche Verfügbarkeit. Wind und Sonnenschein können wir Menschen nicht beeinflussen, und folglich ist die Stromproduktion daraus durch das jeweils aktuelle Wetter naturgegeben begrenzt. Da wir aber auch in windlosen Nächten Strom benötigen, sind Energiespeicher unabdingbar. Das Problem beim Speichern jedoch: Man bekommt nie so viel Energie zurück, wie man eingespeichert hat.

Die zweite Herausforderung ist die Standortabhängigkeit der erneuerbaren Energien. Denn, auch wenn in allen Ländern der Welt ab und zu der Wind weht und täglich die Sonne scheint, die durchschnittlichen Windstärken und Sonnenstunden sind je nach Region sehr unterschiedlich. Somit ist es wirtschaftlicher, Windparks dort zu bauen, wo im Jahresmittel viel Wind weht, und Photovoltaik-Anlagen dort, wo im Jahresmittel viele Sonnenstunden erwartet werden. Diese optimalen Standorte sind aber selten auch dort, wo der meiste Strom verbraucht wird. Was wiederum bedeutet, dass wir viele Hochspannungsleitungen benötigen, um den Strom aus den windigen und sonnigen Regionen in die Städte und Industriezentren zu bringen.

Verkehr

Der zweite Sektor ist der Verkehr. Zur Fortbewegung von Menschen und Waren nutzen wir heute meist motorisierte Fahrzeuge, die vorwiegend mit fossilen Kraftstoffen angetrieben werden. Ziel der Verkehrswende ist es, diese Nutzung von fossilen Brennstoffen zu beenden. Hierfür gibt es im Wesentlichen zwei Ansätze.

Der erste Ansatz ist die Ersetzung von fossilen Kraftstoffen durch erneuerbare Energiequellen. Hierbei stehen zurzeit drei Optionen zur Wahl. Als erstes können fossile Kraftstoffe direkt durch elektrischen Strom ersetzt werden, wobei dieser natürlich selbst aus erneuerbaren Quellen stammen muss. Dieser Wandel hat bereits vor langer Zeit begonnen, als die Eisenbahnen weltweit mit der Elektrifizierung ihrer Strecken anfingen, und lässt sich auch auf andere Verkehrsmittel anwenden. Statt Oberleitungen über allen Straßen zu bauen, werden Elektroautos aber typischerweise mit Akkus ausgestattet, wobei ein neues Problem ins Spiel kommt: Die Herstellung der großen Akkus bedarf besonderer Rohstoffe und benötigt selbst viel Energie. Eine Alternative ist die Ersetzung der fossilen Kraftstoffe durch erneuerbare Kraftstoffe – sogenannte E-Fuels. Diese sind chemisch gesehen identisch zu ihren fossilen Verwandten, werden aber nicht aus Quellen unter der Erde gefördert, sondern künstlich aus Biomasse oder unter Nutzung von elektrischem Strom aus Wasser und CO₂ hergestellt. Der Vorteil von E-Fuels ist, dass bestehende Verbrennungsmotoren und Kraftstoffinfrastrukturen nahtlos weiterverwendet werden können. Allerdings ist die Herstellung von E-Fuels in großen Mengen heute noch sehr ineffizient und entsprechend teuer. Die dritte Möglichkeit ist die Ersetzung fossiler Kraftstoffe durch Wasserstoff, der unter Nutzung von elektrischem Strom aus Wasser hergestellt werden kann. Der Vorteil von Wasserstoff gegenüber E-Fuels ist, dass dieser bereits deutlich effizienter in größeren Mengen produziert werden kann und somit günstiger zur Verfügung steht. Allerdings ist Wasserstoff bei Normalbedingungen gasförmig und kann nur unter großem Aufwand platzsparend gespeichert werden.

Das zweite Standbein der Verkehrswende ist die Effizienzsteigerung bzw. der Wechsel zu Verkehrsmitteln mit geringeren Emissionen. So werden bspw. auch Emissionen verringert, indem vier Personen ein Auto gemeinsam nutzen, statt jeder ein eigenes. Oder besser: Wir nutzen öffentliche Verkehrsmittel, die noch deutlich mehr Personen pro Fahrzeug transportieren können. Und schließlich steht uns bei kurzen Distanzen auch gleich die Möglichkeit offen emissionsfrei zu Fuß zu gehen oder mit dem Rad zu fahren.

Wärme

Der dritte Sektor ist der Wärmesektor. Dieser Bereich umfasst sowohl die Heizung von privaten und öffentlichen Gebäuden, als auch die Nutzung von Prozesswärme in der Industrie. Wobei mit Heizung hier auch die Erwärmung von warmem Nutzwasser gemeint ist. Sowohl Gebäudewärme als auch industrielle Prozesswärme werden in Deutschland bis heute zum größten Teil aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Ziel der Wärmewende ist es daher, diese Nutzung fossiler Brennstoffe zu beenden und durch erneuerbare Wärmequellen zu ersetzen. Hierfür gibt es im Wesentlichen zwei Ansätze.

Zum einen gibt es wieder die Möglichkeit auf elektrischen Strom zurückzugreifen, der natürlich dann selbst auch wieder aus erneuerbaren Quellen stammen muss. Insbesondere für die Gebäudeheizung steht hier inzwischen auch eine besonders effiziente Lösung zur Verfügung: die Wärmepumpe. Alternativ kann auch direkt elektrische Energie in Wärme umgewandelt werden, was insbesondere zur Gewinnung von Prozesswärme relevant ist. Hierfür werden allerdings große Mengen an Strom benötigt, was einerseits großer Mengen erneuerbarer Stromquellen bedarf und andererseits an vielen Stellen einen Ausbau der vorhandenen Stromnetze erfordert.

Die zweite Option ist der Aufbau von Fernwärmenetzen, der bereits seit einigen Jahrzehnten in Deutschland vorangetrieben wird. Zwar wird heute noch vorwiegend Wärme aus fossilen Brennstoffen in diese Fernwärmenetze eingespeist. Aber in Zukunft kann hier nahtlos auf erneuerbare Wärmequellen wie Biomasse, Geothermie, Solarthermie oder wiederum elektrischen Strom aus erneuerbaren Quellen umgestiegen werden. Für die Endverbraucher ist dabei sogar keine weitere Anpassung erforderlich.

Ausblick

Wie wir sehen nimmt die Elektrizität eine Schlüsselrolle in der Energiewende ein, die häufig auch als Sektorenkopplung bezeichnet wird. In diesem Blog werden wir uns daher vorwiegend der Energiewende im Stromnetz widmen. Ab und zu soll es aber auch mal über die Verkehrs- und Wärmewende gehen.

Fußnoten:
¹⁾ emissionsfrei meint hier ohne direkte Emissionen im Betrieb der Anlage. Beim Bau und Rückbau entstehende Emissionen werden hier ignoriert, darauf gehe ich ein andermal genauer ein.

Vielen Dank an catazul auf Pixabay für das Titelbild des Beitrags.