Kitabı oxu: «Wasserstoff und Brennstoffzellen»

2.3 GRENZEN DER HEUTIGEN ENERGIEVERSORGUNG
2.3.1 TREIBHAUSGASE UND KLIMAWANDEL

Verbrennt man kohlenstoffhaltige Energieträger, entsteht Kohlendioxid (CO₂). Kohlendioxid ist der wesentliche Treiber der menschengemachten, globalen Erwärmung (= Klimawandel), die mit dem Beginn der Industrialisierung einsetzte. Bereits in den 1930er Jahren beobachtete Guy Stewart Callendar einen CO₂-Anstieg in der Atmosphäre und einen damit einhergehenden Temperaturanstieg. Er erstellte auch erste Klimaprognosen, die seither immer mehr verfeinert wurden.

Kohlendioxid (chemisch korrekt: Kohlenstoffdioxid) ist ungiftig und ein natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre. Das „natürliche“ Kohlendioxid ist Teil eines Kreisprozesses: Bei der Photosynthese wird es von Pflanzen mithilfe der Sonnenenergie und Wasser in energiereichere Kohlenhydrate überführt. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt, den wiederum Menschen und Tiere zum Leben und Überleben benötigen. Auch die Kohlenhydrate und die daraus gebildete andere Biomasse werden von Mensch und Tier als Nahrung aufgenommen. Sie werden entweder in den Körper eingebaut (zum Beispiel als Fettreserven oder Muskelmasse) oder „verbrannt“, also zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut, um ihre Energie zu nutzen. Danach wird das CO₂ über die Atmung wieder abgegeben.

Gutes Treibhaus, schlechtes Treibhaus Doch was macht dieses CO₂ nun mit dem Klima? Die Erdatmosphäre ist weitestgehend durchlässig für sichtbares Sonnenlicht. Die Rückstrahlung langwelliger Infrarotstrahlung von der Erde ins Weltall wird hingegen von einigen in der Atmosphäre vorhandenen Substanzen teilweise verhindert. Damit verhält sich die Atmosphäre ähnlich wie das Glasdach eines Treibhauses. Deshalb spricht man vom Treibhauseffekt.

CO₂ ist weder das einzige noch das stärkste Treibhausgas. Der Treibhauseffekt wird zu zwei Dritteln von Wasserdampf in höheren Luftschichten, zu einem Viertel von Kohlendioxid (vor allem aus den natürlichen Prozessen) und zu zwei Prozent von Methan hervorgerufen. Das übrige Zehntel verteilt sich auf verschiedene andere Gase. Der Treibhauseffekt hebt die durchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche um 33 °C an. Ohne dieses Phänomen läge die weltweite Durchschnittstemperatur somit bei –18 °C und nicht bei +15 °C. Wir können also froh sein, dass es den natürlichen Treibhauseffekt gibt.

Das Problem besteht jedoch darin, dass Menschen seit rund 150 Jahren zusätzlich CO₂, das vor Jahrmillionen gebunden wurde, freisetzen. So ist die globale Durchschnittstemperatur seit der Zeit vor der Industrialisierung um gut ein Grad gestiegen. Dies macht sich bereits seit langem bemerkbar: Die Häufung von Dürren, Starkregen, Waldbränden und Hitzerekorden in den letzten Jahren ist wissenschaftlich nur nachvollziehbar, wenn man den Klimawandel mit einbezieht.

Recht neu in der öffentlichen Diskussion sind sich selbst verstärkende Effekte (positive Rückkopplungen), die schlimmstenfalls zu sogenannten Kipppunkten in der Klimadynamik führen könnten: Brennen beispielsweise durch die Trockenheit mehr Wälder und Moore, setzen sie zusätzliches CO₂ frei. Die dadurch entstandenen schwarzen Flächen erhitzen sich stärker als die zuvor grünen Gebiete, wodurch es noch trockener und wärmer wird als vorher. Auch wenn Eis schmilzt, verwandeln sich helle Flächen in dunkle und verstärken die Erwärmung. Höhere Temperaturen führen auch zum Auftauen der Permafrostböden, aus denen dann das Klimagas Methan in die Atmosphäre aufsteigt und die Erde noch weiter aufheizt.

In den letzten Jahren wurden solche Phänomene vermehrt beobachtet. Wissenschaftler befürchten daher, dass diese Dynamik schon in wenigen Jahren nicht mehr aufzuhalten ist. So können sich auch prägende Klimaphänomene verändern: Indem das Eis vor Grönland schmilzt, gelangt dort immer mehr Süßwasser ins Meer. Das sorgt bereits jetzt dafür, dass der Golfstrom, der angenehm warme Luft nach Mitteleuropa befördert, langsamer geworden ist.

ABB. 3: Die vom Wissenschaftler Ed Hawkins erfundenen „Warming Stripes“ verdeutlichen die Temperaturentwicklung von kühlen (blau) zu warmen (rot) Jahren. Grundlagen dieser Grafik sind die Daten des Deutschen Wetterdienstes für Berlin/Brandenburg von 1881 bis 2019.

Quelle: showyourstripes.info

Sogenannte „Klimaskeptiker“ halten dagegen, das Klima habe sich in der Erdgeschichte schon häufig geändert. Das ist durchaus richtig. Doch praktisch die gesamte Historie der menschlichen Zivilisation hat sich in den letzten 10.000 Jahren abgespielt, einem Zeitraum mit erdgeschichtlich ungewöhnlich stabilen Klimaverhältnissen. Deshalb ist ein Kippen des Klimas für die Menschen schlicht nicht vorstellbar. Schnelle Klimaumschwünge haben in der Erdgeschichte bereits mehrfach zum massenhaften Aussterben von Arten geführt.

Die Aufgabe ist also nicht, „das Klima zu schützen“ (ein Klima wird es immer geben), sondern es so stabil zu halten, dass unsere Ökosysteme und damit unsere Lebensgrundlage erhalten bleiben. Damit das gelingt, sollte sich die Erde möglichst nicht mehr als 1,5 °C gegenüber der vorindustriellen Zeit erwärmen. Eine Erwärmung um 2 °C gilt als Schmerzgrenze – würde es noch wärmer, wären die Folgen immer schwerer kalkulierbar.

Massive Änderungen können Mitte des Jahrhunderts, also für Menschen, die heute bereits geboren sind, spürbar werden. Im Jahr 2016 wurde bereits eine globale Erwärmung um 1,1 °C gegenüber 1880 registriert. Um die Erwärmung auf ein tolerables Maß zu begrenzen, muss die gesamte Weltwirtschaft bis 2050 dekarbonisiert werden, besser noch bis 2040. Das ist technisch machbar, sofern wir keine Zeit verlieren.

Klimaschutzabkommen: Viel heiße Luft Im Jahr 1992 trafen sich die Staaten der Vereinten Nationen in Rio de Janeiro in Brasilien zum ersten Klimagipfel und beschlossen die Klimarahmenkonvention. Sie enthält im Wesentlichen das Ziel, die Treibhausgasemissionen so stark zu begrenzen, dass Gefahren durch den Klimawandel für die Nahrungserzeugung, die Wirtschaft und die Ökosysteme vermieden werden. Der Weg zu diesem Ziel wird seither auf den regelmäßigen Vertragsstaatenkonferenzen verhandelt (Conferences of the Parties, COP).

Im Jahr 1997 verständigten sich insgesamt 160 Staaten in der japanischen Stadt Kyoto unter anderem auf die völkerrechtlich verbindliche Begrenzung der CO₂-Emissionen durch handelbare Zertifikate (Kyoto-Protokoll).

Die Industrieländer verpflichteten sich, ihre Emissionen von Kohlendioxid und Treibhausgasen bis 2012 um durchschnittlich 5,2 Prozent gegenüber dem Vergleichsjahr 1990 zu senken. Offiziell in Kraft getreten ist das Kyoto-Protokoll 2005.

Die Europäische Union (EU) sicherte im Zuge dieser Vereinbarung zu, ihre CO₂-Emissionen um acht Prozent bis 2012 zu reduzieren. Wegen der unterschiedlichen Lastverteilung innerhalb der EU sagte die Bundesrepublik Deutschland 21 Prozent zu, während anderen europäischen Ländern ein Anstieg ihrer Zahlen zugestanden wurde (z. B. Griechenland: +25 Prozent). Bis zum Jahr 2020 war ursprünglich eine Emissionsreduktion von 30 Prozent und bis 2040 von 70 Prozent angepeilt worden. Diese Zielsetzung wurde jedoch in zahllosen Verhandlungen aufgegeben. Ende 2008 stimmte das EU-Parlament stattdessen dafür, 20 Prozent Treibhausgasemissionsverminderung bis 2020 anzupeilen. Dieses Ziel wurde bereits erreicht. Allerdings spielten dabei der Zusammenbruch der Schwerindustrie im Osten und die Finanzkrise eine wesentliche Rolle. Das 2008 gesetzte Ziel von 40 Prozent Minderung bis 2030 gilt als deutlich schwerer erreichbar. Erschwerend kommt hinzu, dass es bereits überholt ist. Ende 2020 beschloss die Europäische Kommission im Rahmen ihres „Green Deal“, das 2030-Ziel auf 55 Prozent zu verschärfen. Die Anstrengungen werden also ebenfalls deutlich steigen müssen.

Momentan emittieren fast alle Länder eher mehr als weniger Kohlendioxid gegenüber 1990. Lediglich Wirtschaftskrisen führten zu vorübergehenden Rückgängen: der Zusammenbruch der Sowjetunion, der Bankencrash und zuletzt die Coronakrise. In den Vereinigten Staaten von Amerika, die für einen Großteil des weltweiten CO₂-Ausstoßes verantwortlich sind, zeigt sich ein widersprüchliches Bild: Seit dem Jahr 2000 gehen die Emissionen tendenziell zurück. Dieser Trend hielt sogar unter US-Präsident Donald Trump an, denn die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ist in weiten Teilen des Landes inzwischen die billigste Erzeugungsart geworden.

ABB. 4: Die Treibhausgasemissionen in Deutschland sinken seit 1990. Verglichen mit den angestrebten Minderungen (graue Balken) geht es allerdings zu langsam.

Quelle: Umweltbundesamt

Deutlich erkennbar ist auch, dass China und Indien aufgrund ihres enormen Wirtschaftswachstums weiterhin stark an Emissionen zulegen. Das Gleiche gilt für Länder wie Südkorea und Indonesien. China ist seit 2007 Hauptemittent von Kohlendioxid und erzeugte 2018 mehr als ein Viertel der globalen Emissionen. Abgesehen vom Emissionsrückgang, der durch die Corona-Pandemie bedingt ist, muss man feststellen: Eine globale Trendwende ist bei den Treibhausgasen nicht in Sicht.

Die Rolle des Wasserdampfes für das Klima Obwohl Wasserdampf für das Klima eine wichtige Rolle spielt, kommt er in der öffentlichen Diskussion kaum vor. Manch einer wittert hier eine Verschwörung in dem Sinne, dass die wahren Ursachen der Erderwärmung verzerrt werden sollen. Tatsächlich ist aber die Rolle des Wasserdampfes in den Klimamodellen sehr wohl berücksichtigt.

Wasserdampf ist fast allgegenwärtig auf der Erde. Aus Meeren und Seen, Flüssen und Pfützen verdunsten jedes Jahr rund 525 Billionen Tonnen Wasser.

Die mittlere Verweildauer eines H₂O-Moleküls in der Atmosphäre ist allerdings nicht sonderlich lang, sie beträgt nur neun Tage. Dann fallen mehrere Moleküle gemeinsam in Form von Regentropfen oder Schneeflocken wieder zu Boden beziehungsweise zurück ins Wasser. Insgesamt befinden sich so jährlich durchschnittlich etwa 13 Billionen Tonnen Wasserdampf in der Erdatmosphäre. Weil Wasserdampf so ein hohes Treibhausgaspotenzial besitzt, wird immer wieder die Frage gestellt, ob eine vermehrte Verbrennung von Wasserstoff sich nicht durch eine Veränderung der atmosphärischen Wasserdampfkonzentration auf die Erdtemperatur auswirken müsste. Tatsache ist: Ein höherer Gehalt an Wasserdampf und eine höhere Temperatur können sich gegenseitig verstärken. Dabei ist allerdings die Erhitzung durch mehr CO₂ der stärkere Treiber, denn eine wärmere Atmosphäre nimmt mehr Wasserdampf auf, der wiederum den Treibhauseffekt verstärkt.

Eine Umstellung des Verkehrssektors auf Wasserstoff als Energiespeicher würde dagegen Berechnungen zufolge keine merklichen Veränderungen bewirken. Nicht einmal mit lokalen Phänomenen wie vermehrtem Nebel wäre zu rechnen, da im Vergleich zur jetzigen Situation nur bedingt zusätzlicher Wasserdampf gebildet wird. Bei der Nutzung erneuerbarer Energien für die Wasserstoffherstellung per Elektrolyse würde aus Wasser mithilfe von Strom Wasserstoff erzeugt, der bei der anschließenden Verbrennung wieder zu Wasserdampf würde. Hierbei wäre es für das Klima egal, ob dieser Wasserdampf aus dem Auspuffrohr eines Brennstoffzellenautos käme oder durch Verdunstung über einem See entsteht.

Etwas anderes wäre die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas oder anderen fossilen Energieträgern. In dem Fall würde zusätzlicher Wasserdampf freigesetzt. Aber auch hier wäre es für das Klima egal, ob das Erdgas (oder andere Kohlenwasserstoffe) in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird, der dann Wasserdampf emittiert, oder ob in einem zusätzlichen Umwandlungsschritt zwischenzeitlich Wasserstoff als Energiespeicher genutzt wird.

Wissenschaftler der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST) berechneten bereits im Jahr 1994 den mit der Einführung von Wasserstofffahrzeugen verbundenen weltweiten Wasserdampfausstoß, wobei sie zum Zwecke des Vergleichs zunächst von der Verbrennung fossiler Brennstoffe ausgingen: Aus einem Liter Benzin werden 2,4 kg CO₂ und 0,99 kg Wasser. Bei dem damaligen Weltprimärenergiebedarf von 90,6 Petawattstunden gelangten gemäß der Studie 20 Milliarden Tonnen Wasserdampf in die Luft. Würde jedoch Wasserstoff als Energiespeicher eingesetzt und würden zu einem hohen Maße erneuerbare Energien genutzt, lägen die Wasserdampfemissionen nur bei zwölf Milliarden Tonnen pro Jahr.

Die LBST-Studie kam daher zu dem Ergebnis: „Eine Wasserstoffökonomie würde also gegenüber heute sicher nicht wesentlich mehr, sondern eher weniger Wasserdampf emittieren.“ Weiter hieß es seitens der Autoren: „Einfluss auf das Klima haben solche Quantitäten (0,005 Prozent von 525 Mio. t H₂O) nicht. Anthropogene Kohlendioxidemissionen mit einem Anteil von etwa vier Prozent an den Gesamtemissionen stören den natürlichen Kreislauf dagegen erheblich.“ [Zittel, 1994]

Das österreichische Bundesamt fertigte im Jahr 2006 ebenfalls eine Studie an. Bezogen auf die Fläche des Alpenstaats (84.000 km²) kamen die Autoren auf etwa 0,43 kg/m² spezifische Wasserdampfemissionen pro Jahr aus dem Straßenverkehr. Bei einer jährlichen Niederschlagsmenge in Österreich von etwa 1.170 mm, von der rund 44 Prozent verdunsten, ergeben sich daraus natürliche Wasserdampfemissionen in Höhe von 516 kg/m² pro Jahr. Bei einer vollständigen Umstellung der österreichischen Kraftfahrzeuge auf Wasserstoff würden also nur etwa 0,03 Prozent des natürlich verdampfenden Wassers zusätzlich emittiert werden.

Die Österreicher zogen daher das Fazit: „Wasserdampfemissionen aus dem Verkehrssektor stellen auch bei einem vollständigen Umstieg auf Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge nur einen sehr geringen Teil der witterungsbedingten Verdampfungen dar. Die direkten Wasserstoffemissionen werden in der Literatur als sehr gering prognostiziert. Die Ergebnisse dieser Studien zeigen keine nennenswerten Auswirkungen auf das Klima. Selbst in dicht besiedelten Gebieten und städtischen Agglomerationen ist durch den Einsatz von Wasserstofffahrzeugen nicht von relevanten Auswirkungen auf die klimatischen Verhältnisse auszugehen.“ [Salchenegger, 2006]

Ähnliche Überlegungen werden auch in Bezug auf die Freisetzung von gasförmigem Wasserstoff angestellt: Sollten im Jahr 2050 rund 1 Mrd. Straßenfahrzeuge unterwegs sein, wovon 10 bis 20 Prozent mit gasförmigem Wasserstoff betrieben würden, so könnten sich hieraus erhöhte H₂-Emissionen von 0,2 bis 0,8 Mio. Tonnen pro Jahr ergeben. Demgegenüber lag jedoch in den letzten Jahren die jährliche H₂-Zunahme aufgrund anthropogener Verbrennungsprozesse (z. B. Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio. Tonnen H₂ pro Jahr, also deutlich höher.

2.3.2 DIE ENDLICHKEIT FOSSILER BRENNSTOFFE

In den Wirtschaftswunderjahren der Nachkriegszeit schien ein permanentes Wirtschaftswachstum fast eine Art Naturgesetz zu sein. Doch Anfang der 1970er kamen die ersten Schocks: 1972 veröffentlichte der Club of Rome seinen Bericht „Die Grenzen des Wachstums“ und wies mahnend auf die Endlichkeit der fossilen Reserven hin. In den Jahren 1973 und 1979 schnellte der Ölpreis nach oben und machte allen klar: Fossile Brennstoffe sind begrenzt und machen Volkswirtschaften abhängig von den Ländern, die im Besitz dieser Ressourcen sind.

Damals, in den 1970er Jahren, erlebten die erneuerbaren Energien ihren ersten Aufschwung. Viele Sonnenkollektoren entstanden im Eigenbau. In den 1980ern entstand das erste große Windenergieprojekt „Growian“ in Deutschland. In den späten 1990ern und frühen 2000ern schien sich das Szenario vom stetig steigenden Preis für fossile Energien zu bestätigen, was als Treiber für die Erforschung und Nutzung alternativer Energien wirkte.

Der Begriff „Peak Oil“ stand hoch im Kurs: Viele Rechenmodelle zeigten auf, wann die aktuellen Ölfelder ihr Fördermaximum (Peak) erreichen würden, und bilanzierten die neu entdeckten Vorkommen, die im Vergleich zu den bisherigen immer kleiner erschienen.

2004 korrigierte der Ölkonzern Shell die Größenangabe seiner Reserven um rund 30 Prozent nach unten. Im Jahr 2007 wies die Energy Watch Group darauf hin, dass der sogenannte Mid Depletion Point (Punkt des größten Ölfördervolumens) im Jahr 2006 überschritten worden sei. Das Magazin „Brennstoffspiegel“ der deutschen Mineralölwirtschaft schrieb 2007, dass die Mitglieder der OPEC „auf Teufel komm raus schwindeln“, wenn sie nach ihren Ölreserven gefragt würden. Sie gäben diese zu hoch an. [Ottlik, 2007] Der Grund: Je höher die Reserven eines Landes, desto höher ist die Exportmenge, die ihm die Organisation der erdölexportierenden Länder (OPEC) zubilligt.

Die Internationale Energieagentur (IEA) änderte ihren Kurs mit dem World Energy Outlook 2008 und räumte ein: „Ohne umfassende Investitionen in neue Fördervorhaben könnte es schon bald zu bedenklichen Engpässen kommen.“ Angesichts der drohenden Verknappung der Ölressourcen und des gleichzeitig steigenden Bedarfs schien ein nicht endendes Steigen der Preise unausweichlich. Da konnte auch der jähe Ölpreissturz, bedingt durch die Wirtschaftskrise 2008, diese Entwicklung kaum nachhaltig dämpfen.

Dann kam es doch noch anders: In den 2010er Jahren sanken die Preise für fossile Primärenergieträger wieder. Mit Fracking wurden vor allem in den USA zusätzliche Gasressourcen erschlossen. Als 2020 noch die Corona-Pandemie hinzukam, gab es teilweise sogar negative Ölpreise. Öltanker blieben auf See, weil die Lager gefüllt waren und niemand ihre „wertlose“ Fracht annehmen wollte.

Neben dem Beobachten von Angebot und Nachfrage hat sich mittlerweile noch eine andere Betrachtungsweise für fossile Rohstoffe etabliert, vorgelegt im Jahr 2015 von den Wissenschaftlern Christophe McGlade und Paul Ekins vom University College London. Sie hatten sich den Bericht des Weltklimarates vorgenommen, der besagt, dass die Menschheit bis 2050 noch allerhöchstens 870 bis 1.240 Gigatonnen CO₂ ausstoßen dürfe, um zumindest eine Chance zu haben, das in Paris vereinbarte Maximum von zwei Grad Erderwärmung bis 2100 einzuhalten. Für die Rohstoffe bedeutet das: 30 Prozent der Ölreserven, 50 Prozent der Gasreserven und sogar 80 Prozent aller Kohlereserven müssen dort bleiben, wo sie sind – im Boden. Damit ist der Klimaschutz der bei weitem stärkste Treiber für die Energiewende geworden. Eine weitere Diskussion darum, wie viele fossile Ressourcen man noch erschließen könnte, ist damit im Grunde hinfällig.

Diese Betrachtung machte auch die Begriffe der „Carbon Bubble“ (Kohlenstoffblase) und des „Divestment“ bekannt. Wenn die Rohstoffe nicht genutzt werden dürfen, verlieren sowohl sie selbst als auch die entsprechenden Unternehmen an Wert – sie sind quasi eine Investitionsblase, ähnlich wie im Zuge der Bankenkrise die überbewerteten Immobilien. Eine Reihe von öffentlichen und privaten Investoren, darunter große Versicherungsgesellschaften und Pensionsfonds, hat seither ihr Geld aus der fossilen Rohstoffwirtschaft abgezogen.

Trotzdem wird der Markt allein nicht dafür sorgen können, die Verbrennung fossiler Rohstoffe so unattraktiv zu machen, dass die Klimaziele erreicht werden können. Eine weltweite CO₂-Abgabe ist daher unumgänglich. Die EU hat mit dem EHS (Emissionshandelssystem, engl. ETS: Emissions Trading System) einen Anfang gemacht. Dies zeigt langsam Wirkung. Zu hoffen ist, dass die Wirkung mit weiter steigendem CO₂-Preis signifikant zunimmt.

2.3.3 SCHADSTOFFE UND ANDERE UMWELTBELASTUNGEN

Während die ersten Klimaveränderungen für viele Jahrzehnte nur mit entsprechendem Hintergrundwissen analysierbar waren, zeigen sich Schadstoffemissionen und andere Umweltbelastungen heute teils unmittelbar in unserem Alltag. In Industriegebieten wurde schon im 19. Jahrhundert von saurem Regen berichtet. In den 1970ern sorgte dieser für ein weithin sichtbares Waldsterben. Auch der Abbau von Kohle über und unter Tage hatte und hat sowohl sofort als auch langfristig sichtbare Veränderungen zur Folge: Die Schäden des Tagebaus in der Landschaft sind offensichtlich. Auch für die Menschen hat der Braunkohleabbau drastische Auswirkungen, zum Beispiel in der Form, dass ganze Siedlungen umgesetzt werden mussten. Allein für Garzweiler II mussten zwölf Dörfer mit 8.000 Einwohnern umgesiedelt werden. Außerdem kommt es in Förderregionen immer wieder zu Bodenabsenkungen und Erdstößen, wodurch Gebäude und auch Menschen ernsthaft gefährdet werden. So beschlossen unterdessen auch die Niederlande, aus der Gasförderung auszusteigen, als Beschädigungen von Immobilien dort überhandgenommen hatten. Hinzu kommen unter anderem großräumige Grundwasserabsenkungen, die die Trinkwassergewinnung erschweren.

Auch der Untertagebau verursacht immer wieder Bodenabsenkungen. Nichtsdestoweniger halten oft gerade die Menschen in Bergbauregionen an der Kohle fest. Über Generationen hinweg stand der fossile Energieträger nicht nur für ein sicheres Einkommen, sondern prägte vielmehr auch das Selbstverständnis der Regionen, eine unverzichtbare Säule im Wirtschaftssystem des ganzen Landes zu sein. Diese Faktoren müssen bei einem Umstieg auf erneuerbare Energien zwingend mitbedacht werden.

Die Emissionen von Luftschadstoffen haben sich in den letzten Jahrzehnten dank Fortschritten in der Filter- und Verbrennungstechnik deutlich reduziert. Ein besonders prominentes Beispiel sind die Entschwefelungsanlagen für Industrieabgase, die das Waldsterben so weit gebremst haben, dass es auch heute noch Wälder gibt, die vielen Laien grün und gesund erscheinen. Auch für andere Schadstoffe wurden die Grenzwerte mit fortschreitender Technik immer wieder gesenkt.

Emissionen sind Einflüsse auf die Umwelt, egal ob negativer oder positiver Natur. Dabei kann es sich um stoffliche Emissionen handeln, also um die Freisetzung bestimmter Substanzen, es können aber auch Geräuschemissionen (z. B. Lärm), Licht oder Wärme sein.

Schadstoffe hingegen sind per Definition negativ. Für die meisten Schadstoffe gibt der Gesetzgeber Grenzwerte an (limitiert sie), was Häufigkeit und Menge ihres Auftretens betrifft.

Das ist zwar ein großer Erfolg, gelöst sind die Probleme aber noch lange nicht. Der Zustand des Waldes hat sich über die Jahrzehnte nicht verbessert, sondern weiter verschlechtert. Zu den Schadstoffen ist vor allem Stress durch Trockenheit und Schädlinge hinzugekommen. Mitte der 1980er hatten immerhin noch rund 40 Prozent der Bäume eine intakte Krone, bei der letzten Erfassung 2019 waren es nur noch 22 Prozent. Und auch der menschlichen Gesundheit sind Luftschadstoffe nach wie vor alles andere als zuträglich.

ABB. 5: Riesige Bagger beackern riesige Braunkohlefelder

Quelle: obs/Kabel 1

Im Idealfall könnte ein Kohlenwasserstoff schadstofffrei verbrennen: Solange eine vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen stattfindet (s. Formel), werden theoretisch nur Reaktionsprodukte erzeugt, die für die direkte Umwelt unbedenklich sind: Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O). Inwieweit Kohlendioxid als schädlich oder unschädlich bezeichnet werden kann, wird im nachfolgenden Kapitel behandelt.

CnHm + (n + m/4) O2

n CO2 + m/2 H2O

Weil in der Realität aber nicht nur die Kohlenwasserstoffe als Reaktionspartner für Sauerstoff (O₂) zur Verfügung stehen, sondern auch große Mengen Stickstoff (79 Prozent der Umgebungsluft ist N₂), bilden sich auch Stickoxide (NO_x). Noch problematischer wird es, wenn es zu einer unvollständigen Verbrennung infolge von Sauerstoffmangel kommt, wodurch Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (C_nH_m) und beim Dieselmotor auch Ruß entstehen. In der Regel stecken in den Brennstoffen auch noch weitere Stoffe, zum Beispiel Schwefel, die ebenfalls reagieren (s. Schwefeldioxid, Seite 41).

In der Praxis findet nie eine vollständige Verbrennung statt. Demzufolge entstehen tatsächlich bei jedem Verbrennungsprozess, an dem fossile Energieträger beteiligt sind, Schadstoffe. Art und Menge der Schadstoffe hängen von den eingesetzten Brennstoffen und Verbrennungsprozessen ab. Im Weiteren sind einige wichtige Schadstoffe, ihre Wirkung und Entstehung beschrieben:

Kohlenwasserstoffe (C_nH_m): Allgemeine Bezeichnung für organische Verbindungen, die aus verschiedenen Anteilen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Treten Kohlenwasserstoffe im Abgas auf, ist dies ein Zeichen für eine unvollständige Verbrennung mit entsprechend geringerem Wirkungsgrad. Aromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen werden krebserregende Eigenschaften zugeschrieben (s. unten). Benzin- und Dieselkraftstoffe besitzen einen relativ hohen C-Anteil und erzeugen dementsprechend viele gesundheitsschädliche Kohlenstoffverbindungen. Darüber hinaus verbrennen sie bei relativ hohen Temperaturen, so dass unerwünschte NO_x-Emissionen freigesetzt werden.

Kohlenmonoxid (CO): Reiz-, farb- und geruchloses Gas, das bei der unvollständigen Verbrennung von organischen Verbindungen entsteht. Es wirkt gesundheitsgefährdend, da es die Sauerstoffaufnahme des Blutes behindert.

Stickoxide (NO_x): NO_x umfasst Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). Stickoxide entstehen insbesondere bei hohen Verbrennungstemperaturen. NO greift die Schleimhäute der Atmungsorgane an und begünstigt Atemwegserkrankungen. In Luft reagieren die Oxide in Verbindung mit Wasser zu Salpetersäure (HNO₃) und sind für den sauren Regen mitverantwortlich. Stickoxide tragen außerdem zur Smogbildung bei.

Ruß (C): Reiner, unverbrannter Kohlenstoff. Er wird vornehmlich in Dieselaggregaten erzeugt. An den Kohlenstoffpartikeln können sogenannte polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe angelagert sein (s. u.). Die Rußpartikel heutiger Motoren sind zwar relativ klein, so dass man sie nicht mehr so deutlich sieht (keine Rußwolke), aber dadurch sind sie leichter lungengängig. Die kleinen Partikel können somit weiter in die Lunge eindringen und sich dort festsetzen.

Schwefeldioxid (SO₂): Farbloses, stechend riechendes Gas. Es entsteht überwiegend als unerwünschtes Nebenprodukt bei der Verbrennung schwefelhaltiger, fossiler Energieträger wie beispielsweise Kohle oder Öl. Reaktionsprodukte von Schwefeldioxid, vermischt mit Wasser und Salpetersäure, führen zur Bildung sauren Regens, der für das Waldsterben mitverantwortlich ist. Aufgrund strikter Grenzwerte sind die Schwefelemissionen gegenüber 1990 um etwa 95 Prozent zurückgegangen. Im maritimen Bereich, wo Schweröl immer noch nennenswerte Mengen Schwefel enthalten kann, sind sie weiterhin relevant.

Polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK): Einige besitzen karzinogene und auch mutagene Eigenschaften (Krebs und Mutationen auslösend). Die Ringverbindungen aus Kohlenstoffen sind besonders langlebig. Da sie fettlöslich sind, können sie sich im Körper anreichern. Sie entstehen bei unvollständiger Verbrennung, besonders bei der Pyrolyse, also unter anderem bei der Gewinnung von Koks und Gas aus Kohle.

Benzol, Toluol, Xylol (BTX): Leicht flüchtige, aromatische Einzelkohlenwasserstoffe in ringförmiger chemischer Anordnung; Benzinbestandteile. Benzol gilt als krebserzeugend. Toluol kann in erhöhter Konzentration Schleimhautreizungen, Störungen des Nervensystems sowie Schädigungen an Leber, Niere und Gehirnzellen verursachen.

Formaldehyd (HCHO oder CH₂O): Wasserlösliches, sehr reaktionsfreudiges, säuerlich stechend riechendes, farbloses Gas, karzinogen. Es entsteht als Nebenprodukt bei fast allen Verbrennungsprozessen. Es gehört zur Gruppe der Aldehyde und kommt meist in 35-prozentiger wässriger Lösung als Formalin in den Handel.

Kohlendioxid (CO₂): Farbloses, nicht brennbares, geruchloses und ungiftiges Gas, das mit ca. 0,03 Prozent natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre ist (s. Seite 28: Gutes Treibhaus, schlechtes Treibhaus).

Neben der Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung birgt auch der Umgang mit Kraftstoffen Gefahren, die im Alltag häufig vergessen werden: Dämpfe, die man zum Beispiel beim Tanken einatmet, sind gesundheitsschädlich. Große Mengen können sogar tödlich sein. Auch die Entzündlichkeit der Dämpfe, gerade in Bodennähe über Bezinlachen, wird teils unterschätzt.

2.4 AUSWEG ATOMENERGIE?

In der Klimadiskussion tauchte in den vergangenen Jahren häufig die Atomenergie als vermeintlich sauberer Ausweg auf. In Kernkraftwerken finden keine klassischen Verbrennungsprozesse statt, auch wenn Begriffe wie „Brennstäbe“ und „Brennkammer“ dies nahelegen. Vielmehr werden die Atomkerne (in der Regel Uran) gespalten. Dabei werden große Energiemengen in Form von Wärme frei. Die Nutzung der Wärme folgt im Grunde dem gleichen Prinzip wie bei fossil befeuerten Kraftwerken, das heißt, die Wärme wird mithilfe von Turbinen in Strom umgewandelt. Auf den ersten Blick scheint die Technologie umweltfreundlich, da direkt in diesem Prozess weder CO₂ noch Luftschadstoffe entstehen.

Die Kernenergie hat in Deutschland eine wechselhafte Geschichte. In ihren ersten Jahrzehnten erfuhr sie große politische Unterstützung auf nationaler und europäischer Ebene. Die Vorteile waren greifbar, Nachteile und Gefahren zunächst abstrakt. Der Streit über den Umgang mit dem Atommüll und mehrere große Unfälle leiteten dann Ende des 20. Jahrhunderts den Umschwung ein.

Im Jahr 2000 entschloss sich erstmals eine Bundesregierung, und zwar die rot-grüne unter Bundeskanzler Gerhard Schröder, aus der Kernenergie auszusteigen, was 2002 mit dem sogenannten Atomkonsens festgeschrieben wurde. Die Regierung unter Kanzlerin Angela Merkel verlängerte 2010 zunächst die Laufzeiten der Kernkraftwerke, schwenkte jedoch nach dem Reaktorunglück in Fukushima, Japan, im März 2011 um und bekannte sich zum Atomausstieg. Die Technologie hatte keinen Rückhalt mehr in der Gesellschaft. Anfang der 2020er Jahre waren in Deutschland nur noch sechs Atomkraftwerke in Betrieb (Geplante Abschaltung von Grohnde, Brokdorf und Gundremmingen C Ende 2021, Abschaltung von Isar 2, Neckarwestheim 2, Emsland Ende 2022).

Angesichts der sich verschärfenden Klimakrise sind auch aus der Klimaschutzbewegung immer wieder Stimmen für die Atomenergie als kleineres Übel zu vernehmen. Doch die grundsätzlichen Probleme derselben sind weiterhin nicht gelöst:

1.Die Endlagerung des Atommülls ist nach wie vor offen. Die Kommission „Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe“ hat von 2014 bis 2016 diskutiert und am Ende eine Kriterienliste vorgelegt. Im Herbst 2017 startete die Suche nach neuen, diesen Kriterien entsprechenden Endlagern, was bis 2031 dauern soll. Für die Kosten haben die Atomkonzerne gut 24 Milliarden Euro in einen Fonds eingezahlt. Für Mehrkosten haftet der Staat.

2.Sicherheitsrisiken sind insbesondere veraltete Anlagen (z. B. das belgische AKW Tihange, das immer wieder mit Zwischenfällen Schlagzeilen macht), aber auch mögliche terroristische Anschläge auf Atomkraftwerke oder Transporte (z. B. von Drohnen ausgehend) und nicht zuletzt einfach menschliche Fehler (die z. B. zur Reaktorkatastrophe von Tschernobyl 1986 führten).

3.Eine Wirtschaftlichkeit ist bei ganzheitlicher Betrachtung nicht gegeben. Das zeigen unter anderem die Verträge für das Kraftwerk Hinkley Point C in Großbritannien. Dem Betreiber EDF wird für 35 Jahre ein Strompreis von 92.50 £/MWh inklusive Inflationsausgleich, bezogen auf 2012, garantiert. Umgerechnet waren das im Bezugsjahr 2012 stattliche 11,4 Cent pro Kilowattstunde.

Viele Jahre gab es am deutschen Strommarkt Überkapazitäten. Mit dem Abschalten der letzten Atomkraftwerke wird sich das ändern. Verschiedene wissenschaftliche Szenarien zeigen, dass der Ausstieg aus der Kernenergie gleichzeitig mit dem Ausstieg aus den fossilen Energien durchaus möglich ist.

Früher war es vor allem die fossile Energiewirtschaft, die die Angst vor einer „Stromlücke“ in Form eines flächendeckenden Stromausfalls schürte. Nun hat sich der Wind gedreht. Dass es technisch möglich ist, mit einer Kombination aus Energiespeichern und dem Ausbau der erneuerbaren Energien den Strombedarf sicher zu decken, zweifelt kaum noch jemand an. Doch der Ausbau der Wind- und Solarenergie geht seit Jahren nur noch langsam voran. Gleichzeitig steigt im Verkehr und in der Wärmeversorgung der Stromeinsatz. Heute ist es daher die Erneuerbare-Energien-Branche, die vermehrt vor einer Stromlücke warnt.

Man darf eine solche Stromlücke allerdings auf keinen Fall mit einer Black-out-Gefahr verwechseln, auch wenn sich manchmal dieser Eindruck aufdrängt. Die Bundesnetzagentur überwacht ständig die benötigten Kraftwerkskapazitäten und Reserven. Kein Kraftwerk geht ohne eine vorherige Prüfung und Genehmigung durch die Bundesnetzagentur vom Netz. Die Gefahr einer Stromlücke besteht also vor allem darin, dass der Kohleausstieg verzögert wird.

2.5 DAS RICHTIGE TIMING: SPEICHER UND LASTMANAGEMENT

Die Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenkraft erfolgt bekanntlich nicht kontinuierlich, sondern ist fluktuierend. Das ist eine große Veränderung, vor allem verglichen mit Kohle- und Atomkraftwerken, die weitgehend auf einen gleichmäßigen Betrieb ausgelegt sind (Grundlast). Wichtig ist dabei zu wissen, dass Erzeugung und Verbrauch im Stromnetz in jeder Sekunde genau austariert werden müssen, um die Stabilität zu gewährleisten und die Netzfrequenz konstant zu halten. Da der Stromverbrauch seit jeher im Tages- und Jahresverlauf schwankt, gehören Mittel- und Spitzenlastkraftwerke schon immer zu unserem Stromsystem und wurden nicht erst durch fluktuierende Erzeugung aus Wind- und Sonnenenergie erforderlich. Um den Verbrauch zu eher nachfrageschwachen (Tages-)Zeiten zu forcieren, bieten Stromversorger und Netzbetreiber darüber hinaus schon seit Jahrzehnten Sonderpreise an, zum Beispiel für Nachtspeicherheizungen und Großabnehmer, die nachts den Überschussstrom aus den Atomkraftwerken abnehmen können.

Auch Pumpspeicherkraftwerke sind nicht neu: Sie pumpen Wasser in ein Staubecken hinauf, wenn mehr Strom erzeugt als abgenommen wird. Übersteigt die Stromnachfrage dann die aktuelle Produktion, wird das Wasser über eine Turbine abgelassen, so dass wie bei einem normalen Wasserkraftwerk Strom erzeugt wird.

Die Herausforderung, ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage herzustellen, wächst allerdings deutlich bei einem hohen Anteil von Wind- und Solarstrom. Doch auch wenn diese Energiequellen nicht gezielt gesteuert werden können, ist ihre Nutzung mittlerweile dank verlässlicher Wetterberichte und Prognosesoftware gut planbar. Um die Lücke zwischen Angebot und Nachfrage zu schließen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, von denen die meisten bereits heute angewendet werden, aber auch noch ausbaufähig sind.

Regelbare Kraftwerke erzeugen die fehlende Strommenge: Gut regelbar sind derzeit vor allem Gaskraftwerke, da sie am schnellsten reagieren können. Da auf die Dauer ein kompletter Ausstieg aus den fossilen Energien notwendig wird, kann dies aber nur eine Übergangslösung sein. Es gibt auch steuerbare regenerative Energiequellen wie Bioenergie (inkl. biogenes Erdgas) oder Wasserkraft, deren Potenzial allerdings begrenzt ist. Daher sind sie zwar eine wertvolle, aber keine alleinige Option.

Räumlicher Ausgleich durch Ausbau der Stromnetze: Wenn in Bayern keine Sonne scheint, weht an der Nordsee häufig ein frischer Wind. Man kann also auf oder an der See den Strom produzieren, der im Süden Deutschlands gebraucht wird. Noch weiter gedacht könnte man sogar Solarstrom aus Spanien oder Afrika nach Mitteleuropa transportieren. In der fossilen Energiewirtschaft war ein solcher räumlicher Ausgleich nur bedingt erforderlich. Kraftwerke und Industriezentren sind gemeinsam entstanden und liegen daher meist eng beisammen. Für die zukünftige Energieversorgung ist also zumindest ein teilweiser Neubau von Gleichstrom-Höchstspannungsleitungen, die von Wind- und Solarstromhotspots in die Verbrauchszentren führen, erforderlich. Zentrale Projekte in Deutschland sind die Leitungen SuedLink (von der Nordsee nach Bayern), SuedOstLink (von Sachsen-Anhalt nach Bayern), A-Nord (Niedersachsen/Nordrhein-Westfalen) und Ultranet (Nordrhein-Westfalen/Rheinland-Pfalz). Der massive Netzausbau ist politisch umstritten, es gibt zahlreiche Bürgerinitiativen dagegen. Auf technischer Ebene hat sich allerdings mit der Weiterentwicklung der Speichertechnik die Diskussion ein Stück von den Netzen weg hin zu den Speichern verschoben.

Zeitlich gesteuerter Verbrauch (Lastmanagement): Mit Nachtspeicherheizungen und Wärmepumpen war das Lastmanagement bereits im alten Energiesystem angelegt. Dieser Ansatz lässt sich heute ausbauen, indem man zeitlich unkritische Stromverbräuche verschiebt. Dafür eignen sich insbesondere die Wärme- bzw. Kälteversorgung beim Aufheizen von Prozessmedien in der Industrie oder in Kühlhäusern. Einen Anreiz hierfür können flexible Stromtarife schaffen, die je nach Energieangebot variieren. Beim Lastmanagement ist die Dauer der Verschiebung ein wesentlicher Faktor: Eine Unterbrechung für einige Sekunden oder Minuten ist auch bei großen Industrieprozessen oft möglich, Wärmepumpen bewegen sich im Stundenbereich. Verschiebungen um mehrere Tage sind dagegen bislang problematisch.

Speicher füllen die Lücken: Stromspeicher können Wind- und Solarstrom aufnehmen, wenn er reichlich zur Verfügung steht, und wieder abgeben, wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt. Bisher am Markt etabliert sind im Wesentlichen die oben genannten Pumpspeicherkraftwerke. Grundsätzlich sind sie auch für eine langfristige Speicherung geeignet, aber ihre Kapazität reicht bei weitem nicht aus. Da gut geeignete Standorte bereits weitgehend genutzt sind, ist ein Ausbau in Deutschland praktisch nicht möglich.

Batteriespeicher sind wegen ihrer hohen Effizienz die aussichtsreichste Technologie für die kurzfristige Speicherung von Strom. Sie werden in immer mehr Orten bereits in großem Maßstab eingesetzt, und ihre Preise sinken rasant. Derzeit ist die Lithium-Ionen-Batterie führend. Neue Technologien wie Feststoffbatterien und Lithium-Luft-Batterien sind in Sicht und sollen die Speicherdichten noch erhöhen. Für die langfristige, saisonale Stromspeicherung über Monate hinweg (saisonale Speicherung) sind Batterien jedoch nicht geeignet.

Druckluftspeicherkraftwerke, sogenannte CAES-Kraftwerke (Compressed Air Energy Storage), arbeiten in einem Leistungsbereich und mit Betriebscharakteristiken ähnlich wie bei Pumpspeicherkraftwerken. Aber auch ihre Speicherkapazitäten reichen nur für Entladedauern im Bereich von wenigen Stunden aus. Das Nutzungspotenzial dieser Technik für die Langfristspeicherung ist aufgrund der geringen spezifischen Energiedichte des Speichermediums und der damit verbundenen großen Zahl benötigter Kavernen begrenzt.

Deswegen bleibt als saisonaler Speicher in fast allen Energieszenarien allein der Wasserstoff. Kritisch ist allerdings der Wirkungsgrad: Die Elektrolyse überführt je nach Verfahren (s. Kap. 4.2.1: Elektrolyse: Hoffnungsträger für grünen Wasserstoff) etwa 65 bis 75 Prozent der Energie aus dem Strom in Wasserstoff. Dieser kann in einem GuD-Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von etwa 60 Prozent wieder in Strom verwandelt werden. Der Gesamtwirkungsgrad liegt dann bei etwa 40 Prozent. Werden noch eine Komprimierung des Gases sowie sein Transport berücksichtigt, sinkt er weiter. Wasserstoff ist also für diejenigen Anwendungen die richtige Wahl, auf die zwei Bedingungen zutreffen: Es gibt bislang keine effizienteren Alternativen, und es ist so viel bezahlbarer Strom aus erneuerbaren Energien vorhanden, dass keine zusätzlichen fossilen Kraftwerke anspringen müssen.

Ein zentraler Aspekt, der über die Betrachtung allein des Stromsektors hinausgeht, ist die sogenannte Sektorenkopplung, die mit dem Fortschreiten der Energiewende immer wichtiger wird. Sie verbindet Strom, Wärme und Mobilität sowie im weiteren Sinne auch stoffliche industrielle Prozesse. Aus Ökostrom erzeugter Wasserstoff muss nämlich nicht zwingend in Strom zurückverwandelt werden. Er kann stattdessen auch in Brennstoffzellenfahrzeugen oder -heizungen eingesetzt werden. Er kann zudem zu synthetischem Erdgas weiterverarbeitet und dann ins Gasnetz eingespeist werden. Auch flüssige Treibstoffe lassen sich aus ihm gewinnen. In der Industrie kann Wasserstoff stofflich eingesetzt werden, um zum Beispiel eine klimaneutrale Stahlproduktion zu ermöglichen. Parallel kann bei den Umwandlungsstufen anfallende Wärme häufig mitgenutzt werden, beispielsweise durch die Einspeisung in Fernwärmenetze.

ABB. 6: Daten zur Energiewende werden immer leichter öffentlich zugänglich. Das „Agorameter“ des Thinktanks Agora Energiewende zeigt zu jedem Zeitpunkt die aktuelle Produktion und den Verbrauch von Strom in Deutschland.

Quelle: Agora Energiewende

So ergeben sich unendlich viele Nutzungspfade. Keiner davon ist grundsätzlich richtig oder falsch. Wichtig ist aber, jeweils den effizientesten verfügbaren Pfad einzuschlagen.

Wichtige Parameter für die Wahl eines Speichers sind:

·Treibhausgasemissionen

·Energetische Gesamteffizienz

·Wirtschaftlichkeit

·Netzauslastung

·Speicherdichte

·Reaktionsgeschwindigkeit

·Langzeitspeicherfähigkeit

In Hochlastzeiten Wasserstoff mithilfe von Windstrom zu erzeugen, ist nur dann sinnvoll, wenn dadurch nicht andernorts ein Gaskraftwerk einspringen muss, um die Stromlücke zu füllen. Dies ginge nämlich ansonsten zulasten der Gesamteffizienz. Wird der Wasserstoff aber dann erzeugt, wenn ausreichend elektrische Energie vorhanden ist, ist das sinnvoll.

Ein Elektroroller, der sich nie mehr als ein paar Kilometer von der nächsten Steckdose entfernt, kann am effizientesten mit einer Batterie betrieben werden. Für ein Seeschiff, das weite Strecken zurücklegen muss, scheint dagegen Wasserstoff auf Dauer geeigneter.