Wissenschaftler haben ein Konzept dafür vorgelegt, wie die deutsche Energieversorgung vollständig auf erneuerbare Energien umgestellt werden kann. Damit würde das System Kohlendioxid-neutral. Bei der Umstellung fallen zunächst höhere Kosten an, doch später locken große Kostenvorteile. 10/2010


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Die Ziele der Bundesregierung für den Umbau der deutschen Energieversorgung klingen ehrgeizig: Bis 2050 sollen erneuerbare Energien einen Anteil von 60 Prozent am Endenergieverbrauch decken, heißt es im Energiekonzept, das im Oktober auch im Bundestag beschlossen wurde. Bei der Stromversorgung werden sogar 80 Prozent angestrebt. Dabei trugen die Erneuerbaren im Jahr 2009 erst 10 Prozent zum Endenergieverbrauch und 16 Prozent zur Stromversorgung bei. Doch den Wissenschaftlern des FVEE Forschungsverbund Erneuerbare Energien gehen die Regierungsziele noch nicht weit genug. „Wir sind der Meinung, dass das Energiekonzept der Bundesregierung etwas zaghaft ist“, erklärte Wolfgang Eberhardt, wissenschaftlicher Geschäftsführer des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie bei der FVEE-Jahrestagung im Oktober in Berlin. Die Vision des FVEE sei, eine Vollversorgung Deutschlands mit erneuerbaren Energien zu erreichen. „Wann das der Fall sein wird, ist eine Frage der politischen Entscheidung“, so Eberhardt. „Und es ist auch noch viel Forschungsarbeit dafür nötig.“

Geht es nach dem FVEE, kann eine solche Vollversorgung mit erneuerbaren Energien, die eine Kohlendioxid-neutrale Energiewirtschaft ermöglicht, bis 2050 aufgebaut werden. Ein entsprechendes Konzept hatte der Verbund bereits im Juni 2010 vorgelegt. Es sollte in das Energiekonzept der Bundesregierung einfließen. Welche Technologien noch erforscht und entwickelt werden müssen, damit die angestrebte Vollversorgung möglich wird, beschreiben die Wissenschaftler nun auch in ihren „Empfehlungen für das 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung“. Dieses Programm soll im kommenden Jahr verabschiedet werden. In ihren Empfehlungen schlagen sie unter anderem vor, das Budget des Bundes für Energieforschung deutlich zu erhöhen. 2010 liegt es dem FVEE zufolge bei 691 Mio. Euro, wovon weniger als die Hälfte auf Energieeffizienz und erneuerbare Energien entfallen. Das reicht nach Meinung der Wissenschaftler nicht aus - angesichts der Herausforderungen, vor denen die Technologieentwicklung in beiden Bereichen steht.

Juergen_Schmid„Wir müssen das Feuer aus den Kraftwerken verbannen“, beschrieb Jürgen Schmid, Vorstandsvorsitzender des IWES Fraunhofer Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik Kassel, den aus seiner Sicht notwendigen Wandel in der Energiewirtschaft. Bei der üblichen Stromerzeugung in Kohlekraftwerken werde nur ein Teil der eingesetzten Energie genutzt. Schmid sprach sich deshalb dafür aus, den Strom direkt aus Sonne, Wind und Wasserkraft zu erzeugen. Auch die Stromproduktion aus Geothermie könne eine Rolle spielen. „Es ist klar, dass wir nicht alles umbauen können, so dass wir ohne Abwärme-Verluste auskommen“, sagte er. „In den Fällen, wo das nicht geht, sollten wir aber die Abwärme nutzen. Und das ist bei der Kraftwärme-Kopplung der Fall. Sie wird in unserem künftigen Energiesystem eine enorme Rolle spielen.“


Ökostrom chemisch speichern

Die Schwankungen im Stromnetz, die durch die naturgemäß unregelmäßige Einspeisung von Wind- und Solarstrom auftreten, sollen durch transeuropäische Leitungen ausgeglichen werden. Sie würden gut regelbare Wasserkraftwerke in Norwegen und in den Alpen einbeziehen. Schmid setzt außerdem auf intelligente Netze, bei denen sich Stromverbraucher an die Stromerzeugung anpassen. Hinzu kommen zwei Methoden, überschüssigen Ökostrom chemisch zu speichern. Bei der ersten Methode wird mit Strom und Wasser per Elektrolyse der hochwertige Energieträger Wasserstoff erzeugt, der bei Bedarf wieder in Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeproduktion dient. Eine neue Methode der chemischen Stromspeicherung ist die Produktion von synthetischem Methan. Auch hier dienen Strom und Wasser zunächst zur Wasserstoff-Produktion per Elektrolyse, dann folgt aber noch ein weiterer Prozesschritt in einer Methanisierungsanlage: Dort reagiert der Wasserstoff mit Kohlendioxid (CO2) zu Methan in Erdgas-Qualität. Dieses synthetische Methan kann in die bestehenden Erdgasnetze eingespeist,  transportiert und in den großen Untergrundspeichern gelagert werden. Bei hohem Strombedarf dient es in Gaskraftwerken wieder zur Stromproduktion.

Das Feuer verbannen will Schmid künftig auch aus dem Wärmesektor. Zur Hälfte könnten die Häuser durch die Abwärme beheizt werden, die bei der Stromerzeugung durch Kraftwärme-Kopplung eingefangen wird. Die andere Hälfte sollen elektrische Wärmepumpen oder Solarkollektoren liefern. Dabei rechnet Schmid damit, dass der Primärenergiebedarf der Gebäude in den kommenden Jahrzehnten durch energetische Sanierungen drastisch sinkt.

Der IWES-Chef ist auch optimistisch, dass es gelingt, das Feuer aus den Motoren der PKW zu verbannen und dort Elektromotoren einzusetzen. „Es wird weniger gut gelingen bei Lastkraftwagen, Schiffen und Flugzeugen.“ Als künftige Antriebsenergien sieht er deshalb einen Mix aus erneuerbarem Strom, Wasserstoff und synthetischem Methan sowie Biomethan und Biokraftstoffen.

Das Ziel ist ein Energieversorgungssystem, in dem 2050 nur noch ein Bruchteil der heutigen CO2-Emissionen anfällt. Und auch diese Emissionen sollen dann CO2-neutral sein. Das heißt, sie entstehen durch Biokraftstoffe und synthetisches Methan, die bei ihrer Produktion die gleichen Mengen CO2 binden, die bei ihrer Verbrennung freigesetzt werden. Die Umstellung auf ein solches Energieversorgungssystem ist nach Schmids Einschätzung technisch machbar. An den dafür nötigen Ressourcen erneuerbaren Energien sieht er keinen Mangel: „Das technische Potenzial ist zigfach höher als der Bedarf.“


Aus Mehrkosten werden Kostenvorteile

Was die wirtschaftliche Seite der erneuerbaren Energien betrifft, rechnet der FVEE in den kommenden Jahren noch mit steigenden Differenzkosten zu herkömmlichen Energien. Derzeit lägen sie bei jährlich 12 Mrd. Euro, sagte Frithjof Staiß, Vorstand im Stuttgarter ZSW Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung. 2015 würden sie mit 17 Mrd. Euro das Maximum erreichen. Nach seinen Berechnungen entspricht dies lediglich 8 Prozent der Gesamtausgaben für Strom, Wärme und Kraftstoffe in Deutschland, die er mit 212 Mrd. Euro pro Jahr beziffert. Nach 2015 sollen die Differenzkosten sinken und sich bis 2030 in einen Vorteil von 18 Mrd. Euro verwandeln.

Welche Dynamik der Ausbau erneuerbarer Energien bei lohnenden wirtschaftlichen Rahmenbedingungen entfalten kann, lässt sich derzeit bei der Installation von Fotovoltaik-Anlagen in Deutschland beobachten. Die über 20 Jahre garantierte kostenorientierte Vergütung von Solarstrom aus neu errichteten Anlagen hatte schon 2009 zu einem Solarboom geführt. Obwohl daraufhin die Einspeisesätze drastisch gekürzt wurden, wächst der deutsche Fotovoltaikmarkt auch in diesem Jahr weiter.

Eicke Weber, Leiter des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme, rechnet im laufenden Jahr hierzulande bereits mit einem Zuwachs von 10 Gigawatt neu installierter Anlagen. Zum Vergleich: Bisher sind nach seinen Angaben weltweit überhaupt erst Sonnenkraftwerke mit insgesamt 20 GW installiert. Kritikern der Einspeisevergütung hält Weber das Beispiel von Japan entgegen, das vor zehn Jahren noch führend in der Anwendung der Fotovoltaik war. Diese Spitzenstellung habe das Land an Deutschland verloren, nachdem es 2003 die Förderung der Branche eingestellt hatte. Das könnte sich bald wieder ändern: Japan, das über keine eigenen fossilen Energiequellen verfügt, soll derzeit ein System von Einspeisevergütungen für Ökostrom vorbereiten.


Solarstrom wird kostengünstiger

Die Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass die derzeit noch hohen Kosten für Solarstrom weiter sinken. So berichtete Rolf Brendel, Leiter des Instituts für Solarenergieforschung Hameln, dass die Produktion von kristallinen Silizium-Modulen seit 1976 jedes Jahr um durchschnittlich 10 Prozent kostengünstiger geworden sei. Brendel rechnet damit, dass sich der Trend bei diesen Modulen, die 80 Prozent des Fotovoltaik-Weltmarkts beherrschen, auch künftig fortsetzt. Dazu sollen neue Produktionsprozesse und der Einsatz neuer Maschinen in neu errichteten Fabriken beitragen. Außerdem geht Brendel davon aus, dass Solarzellen künftig die Sonnenstrahlung besser ausnutzen: Standardzellen erreichen derzeit Wirkungsgrade von 17 bis 18 Prozent, prinzipiell seien aber auch 28 bis 29 Prozent erreichbar. Einen Wirkungsgrad für Solarmodule, zu denen die Zellen noch verarbeitet werden müssen, nannte Brendel nicht.

Fortschritte für eine kostengünstige Solarstrom-Erzeugung versprechen auch Dünnschicht-Solarmodule, da sie mit relativ geringem Material- und Energieeinsatz produziert werden können. Hier werden hauchdünne Schichten eines Halbleitermaterials direkt auf große Glasflächen aufgebracht. Das kann Silizium sein, eine Kombination der Materialien Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) oder von Cadmium und Tellurid. Wie Michael Powalla vom ZSW berichtete, haben die Dünnschichtmodule 2009 bereits einen Marktanteil von 20 Prozent an der weltweiten Fotovoltaik-Modulproduktion erreicht. Die Standardmodule haben bisher nur relativ geringe Wirkungsgrade von unter 10 Prozent, sind aber kostengünstiger als kristalline Silizium-Solarmodule. Daher eignen sie sich vor allem für Solarstrom-Projekte, bei denen große Flächen günstig verfügbar sind. Auch hier sind die Wirkungsgrade noch  steigerungsfähig: Der Weltrekord, gemessen an einer CIGS-Zelle in einem ZSW-Labor, steht bei 20 Prozent.

Vladimir_DyakonovEine noch junge Technologie ist die Produktion organischer Solarzellen auf Kunststoff-Basis. Sie lassen sich mit einfachen Druck- oder Filmziehverfahren zu großflächigen, hauchdünnen Schichten auf flexiblen Trägerfolien verarbeiten. Für eine solche Massenproduktion hat der US-amerikanische Hersteller Konarka die Beschichtungsanlagen einer früheren Polaroid-Fabrik umgebaut. Seine Zellen, die einen Wirkungsgrad von 6 Prozent erreichen, werden in Solartaschen, Batterieladegeräten oder in Solardächern von Busstationen eingesetzt. Die Zukunft der organischen Solarzellen sieht Vladimir Dyakonov, Vorstandschef des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung, in der gebäudeintegrierten Fotovoltaik. Als Ziel nannte er, bis 2015 den Wirkungsgrad der Solarzellen auf 14 Prozent und der aus ihnen hergestellten Module auf 8 bis 10 Prozent zu steigern. Ein Schwachpunkt ist bisher noch die geringe Lebensdauer von 5.000 Stunden – also weniger als ein Jahr. Dyakonov hält es für notwendig, sie auf mehr als zehn Jahre auszubauen.


20 Jahre FVEE

Der 1990 gegründete Forschungsverbund Erneuerbare Energien ist eine bundesweite Kooperation von Forschungsinstituten. Die Mitglieder erforschen und entwickeln Techniken für erneuerbare Energien und deren Integration in Energiesysteme, für Energieeffizienz und und für Energiespeicherung. Mit 1.800 Mitarbeitern in elf Instituten vertritt der FVEE nach eigenen Angaben 80 Prozent der außeruniversitären Forschungskapazität für erneuerbare Energien in Deutschland.


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