„Chemieinnovationen für unser Energiesystem“

Hermann Pütter

Unser Energie-System

Systeme sind Gebilde, deren Komponenten gemeinsamen Spielregeln gehorchen. Es gibt natürliche Systeme, beispielsweise die Arten der Pflanzen- und Tierwelt oder geologische Formationen. Es gibt von Menschen gemachte Systeme, wie unsere Rechtssysteme oder Finanzmärkte. Oft dienen Systeme uns dazu, die Vielfalt der Erscheinungen zu verstehen. Ein klassisches Beispiel aus der Chemie ist das Periodensystem der Elemente. In der Regel ist eine scharfe Trennung zwischen natürlich und anthropogen weder sinnvoll noch nötig. Für unsere Betrachtungen wichtig sind Ökosysteme, komplexe Wirkgefüge in der Natur, bei denen der Mensch mit seinen Aktivitäten oft einen Teil darstellt. Meist ist seine Rolle gar nicht genau bestimmbar oder umstritten. Ein Beispiel dafür ist die Entwicklung der Biokraftstoffe, ein entscheidender Eingriff in die Ökosphäre, der teilweise gewollt ist (Klimaschutz) teilweise aber unvorhergesehene Auswirkungen haben könnte (z.B. Schwächung der Biodiversität).

Unser Energiesystem extrahiert Nutzenergie aus der Natur, indem Rohstoffe für Energiezwecke geerntet oder abgebaut werden, indem Naturkräfte, wie Licht, Wind und Wasserflüsse, in technisch verwertbare Energieformen umgewandelt werden. Diesen Zwecken dienen zuweilen primitive, aber meist aufwendige technische Einrichtungen. Diese Energiewandler benötigen nicht nur Energie zum Betrieb sondern auch große Mengen an Ressourcen und Energie für ihre Herstellung. Abbildung 1 stellt dies in einem vereinfachten Schema dar. Insgesamt ist unser Energiesystem also ein hochkomplexes Gebilde.

Abbildung 1

Die Erfahrungen der letzten Jahre sind beunruhigend. Der Abbau fossiler Energieträger stößt an physische Grenzen. Die Kosten für Nutzenergien steigen. Die erneuerbaren Energien sind weder zum Nulltarif noch von heute auf morgen zu haben. Die Energieforschung wurde weltweit heruntergefahren. Die Zeit drängt, die Ressourcen, Kapital und Wissen, sind knapp. Welche Innovationen sollten mit Vorrang vorangetrieben werden? Wo sollte rasch investiert werden? Wo ist noch Entwicklung nötig? Wo lohnt sich intensive Grundlagenforschung? Das unkoordinierte Verfolgen aller denkbaren Wege, wäre kontraproduktiv. Am Beispiel von Chemieinnovationen lässt sich dieses Dilemma aufzeigen. Auch Lösungsansätze werden sichtbar.

Chemieinnovationen für unsere Energieversorgung

Die stetig steigenden Anforderungen an moderne Energietechnologien kommen ohne neue Dienstleistungen aus der Chemie nicht aus. Einige Beispiele sollen dies zeigen. Die Innovationsaufgabe ist nicht in jedem Fall gleich. Die Schwerpunkte, in denen sich voraussichtlich die meisten Aktivitäten abspielen werden, sind wie folgt gekennzeichnet:

Das Potenzial von Energieinnovationen

Welche Innovation ist voranzutreiben? Die Entscheidung hängt von der Einschätzung des zukünftigen Potenzials der jeweiligen Innovation und der Möglichkeit, sie umzusetzen ab.
Ein hohes Potenzial könnte beispielsweise bedeuten, dass ein völlig neuer Weg der Energieumwandlung oder eine neue Energiequelle erschlossen werden kann. Logischerweise wird damit Neuland betreten, es müssen deshalb zunächst die grundlegenden Aspekte des Themas erarbeitet werden, eine Aufgabe für die Grundlagenforschung. Ein Beispiel ist die photokatalytische Wasserspaltung, der Königsweg zu Wasserstoff, bei dem wir noch am Anfang stehen.
Sind die grundsätzlichen wissenschaftlichen Daten zusammengetragen, geht die Innovation in Projekte der umsetzungsorientierten Forschung. Der Versuchsaufwand steigt und wird meistens auch deutlich teurer. Dafür rückt die Zeit einer möglichen Umsetzung näher. In diese Kategorie gehören viele Projekte im Bereich der Photovoltaik (PV) - z.B. mit dem Ziel, durch neue Werkstoffe die Energieernte hoch zu trimmen und die Kosten zu stutzen.
Schließlich gilt es, das Verfahren in einer Größenordnung zu betreiben, die das Übertragen in die endgültige technische Form gestattet. Die Entwicklung in Pilotanlagen oder mit Demonstrationsprojekten bildet den Abschluss. Dies ist oft der teuerste Schritt. Viele Brennstoffzellenprojekte gehören in diese Kategorie. Meist ist es notwendig, Dutzende von Brennstoffzellenfahrzeugen oder von Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung unter den harten realen Dauereinsatzbedingungen zu testen. Die Lehren daraus zwingen oft dazu, wieder in die Forschungsphase zurückzukehren. Ein anderes Ziel verfolgt die Daueraufgabe der Verfahrensoptimierung. Der allgemeine technische Fortschritt bringt es mit sich, dass auch etablierte Verfahren nicht stagnieren müssen. So profitiert die Kraftwerkstechnologie von neuen Werkstoffen z.B. für Turbinen, neue fossile Kraftwerke sind um ein Drittel effizienter als ihre älteren Vorgänger. Die Automobilindustrie konnte durch Optimierungen den Kraftstoffverbrauch ihrer Fahrzeuge senken.
Hier beobachten wir gerade eine klassische Konkurrenzsituation. Das Hybridfahrzeugkonzept zeigt der konservativen Verbesserung des "klassischen" Pkws ihre Grenzen. Dabei eröffnet sich bei den Batterien ein ganz neues Forschungsfeld. Die klassische Optimierung der Bleibatterie hätte nie zu einer tauglichen Traktionsbatterie (für den Antrieb eines Fahrzeuges) geführt. Lithiumionenbatterien sind die Innovationschampions. Nun breitet sich eine überraschende Euphorie hinsichtlich der Möglichkeiten reiner Batteriefahrzeuge aus. Ob diese Hochstimmung voll berechtigt ist und ob sie anhält, wird sich zeigen. Energieprojekte wandeln sich zusehends zu Shows, bei denen Industrievertreter und Politiker gerne im Rampenlicht stehen. Energieprojekte sind sonst nicht anders als andere Projekte. Es treffen zwei Sichtweisen aufeinander, die des Forschers und die des Geldgebers. Der Forscher will den Geldgeber vom Zukunftspotenzial überzeugen. Hierbei zählen nicht nur wissenschaftliche und ökonomische Argumente. Begriffsbausteine wie "Nano", "Effizienz" oder "dezentral" dürfen heute nicht fehlen. Auch naturwissenschaftliche Forschung hat ihre Modetrends. Der Geldgeber schätzt den Projektvorschlag nach seinem Umsetzungspotenzial ein, in das seine Vorstellung der Märkte einfließt. Er macht aus Erfahrung Abschläge beim Zukunftspotenzial (rote Pfeile der Abbildung 2). Abbildung 2 fasst das Ganze zusammen. Alle Projekte zielen letztlich auf eine Verwirklichung hin, auch wenn sie bei Grundlagenprojekten noch in der Ferne liegen.
Aber was lernen wir aus Projekten, die abgebrochen werden, weil die Potenziale nicht erreichbar sind? Leider wenig! Viel zu selten, werden aus solchen Projekten Lehren gezogen. The Show must go on, die Karawane zieht weiter. Eine Fülle von wertvollen Informationen geht auf diese Weise verloren. Noch schlimmer: Unsere Fähigkeit, Projekte richtig einzustufen, wird geschwächt. Dies ist für eine an Effizienz orientierte Energiepolitik eine Katastrophe.

Abbildung 2

Synergien und Konkurrenz von Energieinnovationen

Die genannten Chemieinnovationen stehen oft in einem netzwerkartigen Verbund, in dem sie sich teilweise ergänzen teilweise aber auch miteinander konkurrieren. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen zwei Beispiele. Abbildung 3 zeigt zwei Energiequellen im Auto: Strom und Kraftstoffe. Die Bereitstellung kann auf sehr unterschiedlichen Wegen erfolgen. Wichtig ist, die Effizienz der Wege von Anfang bis Ende zu betrachten. Die Teilschritte haben sehr unterschiedliche Effizienzen. Einige Routen haben deshalb eine sehr niedrige Gesamteffizienz. Effizienz ist aber nicht das einzige Kriterium. Strom ist zwar Kraftstoffen schon mit unserem heutigen Kraftwerksmix überlegen, Strom kann aber nicht in den nötigen Mengen gespeichert werden.

Abbildung 3

Abbildung 4 zeigt mögliche Energieversorgungswege von Wohngebäuden. Hier konkurrieren reine Stromversorger und reine Wärmelieferanten mit der Brennstoffzelle (FC) und Blockheizkraftwerken (BHKW) um ihre Rolle. Teilweise ergänzen sie sich: Wenn die PV keinen Strom liefert, springen FC oder BHKW ein. Der Fortschritt in der Hausisolierung senkt dagegen den Bedarf an Wärme, dies schwächt die Position von FC und BHKW. Wie leicht ersichtlich, kann es hier keine allgemeinverbindliche Lösung für alle Haushalte geben.

Abbildung 4
Effizienz nur durch Technologiewandel?

Technische Innovationen sind unumgänglich, wenn unser Energiesystem die Natur nicht überlasten soll. Nötig ist deshalb ein zügig organisierter Technologiewandel. Die Frage ist: Reicht dieser Technologiewandel aus oder muss er von einer grundsätzlichen Verhaltensänderung der Energiekonsumenten flankiert werden? Auch wenn die Antwort umstritten ist, ist eines klar: Der kluge und sparsame Umgang mit allen Nutzenergieformen würde den Weg in eine sichere Energiezukunft abkürzen. Energieeffizienzinitiativen, wie sie in vielen Gemeinden, Städten und Regionen vorangetrieben werden, streben solche Abkürzungen an. Diese Aktivitäten sollten in das Netzwerk aller Energieinnovationen einbezogen werden.


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Literaturhinweise

[1] Positionspapier: Energieversorgung der Zukunft – der Beitrag der Chemie www.gdch.oearbeit/energie.pdf
[2] Potenziale der Chemie für mehr Energieeffizienz www.gdch.de/energie_nch.pdf
[3] H-J. Wagner, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts? Der Wettlauf um die Lagerstädten, Herausgeber: Forum für Verantwortung, Fischer Taschenbuchverlag, Frankfurt 2007, ISBN 987-3-596-17274-0
[4] Christoph Buchal, Energie – Natur, Mensch, Technik, Umwelt, Zukunft, Herausgeber Forschungszentrum Jülich, DLR, Forschungszentrum Karlsruhe, Koeblin-Fortuna-Druck, Baden-Baden, 2007, ISBN 978-3-89336-6