Können erneuerbare Energiequellen die Welt mit einem großen Teil der benötigten Energie versorgen?

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Während einige Umweltschützer den vollständigen Ersatz fossiler Brennstoffe durch Solar-, Wind- und Batteriestrom befürworten, erklärt Dr. Lars Schernikau [0], warum dies unmöglich ist. Der in Englisch erschienene Artikel wurde ins Deutsche übersetzt und in Auszügen wiedergegeben.

Heute hören und lesen wir jeden Tag von der Klimakrise, angetrieben von gut finanzierten Kampagnen. Aber wir hören wenig von den Risiken, die der Wechsel von konventioneller Energie zu Wind-, Solar- und batteriebetriebenen Fahrzeugen mit sich bringt. Es scheint, dass jeder zweite Mensch ein Atmosphärenphysiker geworden ist, der versteht, dass Kohlendioxid der Haupttreiber der globalen Erwärmung ist und die Umstellung auf erneuerbare Energien uns vor verheerenden Hurrikanen und Überschwemmungen bewahren wird, die die Zimmerdecken unserer Traumimmobilien am Meer erreichen könnten. Jede andere Person scheint ein Energiespezialist zu sein, der sicher ist, dass Wind-, Solar- und batteriebetriebene Fahrzeuge eine glückliche, sichere und umweltfreundliche Möglichkeit sein werden, unseren täglichen Strom- und Transportbedarf zu decken.

Doch sind die aktuellen Klimaschutzmaßnahmen gut für die Umwelt? Sind die heutigen Wind- und Solartechnologien die Lösung für unsere Energieprobleme? Dieser Artikel zielt darauf ab, den Leser auf eine Reise weg vom aktuellen Standarddenken mitzunehmen.

Aktueller und zukünftiger Energiebedarf

Heute leben fast 8 Milliarden Menschen auf der Erde und sie stillen 80 Prozent ihres Energiehungers mit Kohlenwasserstoffen oder fossilen Brennstoffen (siehe Abbildung 1). Wind und Sonne machen schätzungsweise zwei Prozent des Primärenergieverbrauchs in 2018 aus, rund 98 Prozent stammen aus Kernkraft, Kohle, Gas, Öl,Wasserkraft und etwas Biomasse. Dies steht in scharfem Kontrast zu den 2 Milliarden Menschen, die die Erde vor 100 Jahren bewohnten und erst gerade gelernt hatten, “Öl und Gas” zu buchstabieren. Von der heutigen Weltbevölkerung gibt es mindestens 3 Milliarden ohne oder nur unberechenbaren Zugang zur Energie. In den nächsten 50 Jahren könnten weitere +3 Milliarden Menschen hinzuzukommen, und infolgedessen wird die reine Anzahl von Menschen plus die zusätzlichen Klimaanlagen, neue elektronische Geräte, Autos, Flugzeuge und Raumfahrt den Energiebedarf dramatisch erhöhen.

Hochgerechnet auf die Zukunft der in Abbildung 1 dargestellten Trends wird fraglich, ob erneuerbare Nicht-Wasserkraftquellen wie Wind und Sonne die benötigte Energie nachhaltig und umweltfreundlich bereitstellen werden.

Die Medien sagen, dass der Anteil von Sonne und Wind exponentiell wachsen wird, erwähnen aber nicht das Wachstum von Elektroschrott. Und es wird sicherlich nicht erwähnt, dass Solar- und Windtechnologie aufgrund ihrer geringen Energiedichte und der unten beschriebenen Probleme buchstäblich nie die Hauptquelle für die Stromerzeugung der Welt sein kann.

Abbildung 1: Energiebedarfs-Entwicklung. Ein Leben ohne Fossilien liegt Jahrzehnte in der Zukunft [1]

ERoEI, Energiedichte und Intermittenz: Masseneinsatz von Wind und Sonne ist schädlich

 Der mittlerweile berühmte Dokumentarfilm “Planet of the Humans” von Michael Moore auf YouTube illustriert dieses Problem sehr gut.

Solar- und Windenergie sind keine neuen Energiequellen. Wir mussten wind- und solarbasierte Energie mit niedrigem Wirkungsgrad “abschalten”, um die technologische Revolution der Menschheit voranzutreiben. Während es nichts Außergewöhnliches oder Revolutionäres an diesen Energiequellen gibt, hat sich doch ihre Effizienz in den letzten Jahrzehnten stark verbessert. Aber diese Entwicklung nähert sich ihren physischen Grenzen. Das Schockley-Queisser-Gesetz besagt, dass maximal 33 Prozent der einfallenden Photonen bei der Silizium-Photovoltaik (PV)  in Elektronen umgewandelt werden können, wobei moderne PV 26 Prozent erreicht. In der Windkraft besagt das Betz-Gesetz, dass ein Rotor bis zu 60 Prozent der kinetischen Energie des Windes aufnehmen kann. Moderne Windkraftanlagen erreichten 45 Prozent.

Die Ära der 10-fachen Gewinne ist vorbei [2]. Es gibt kein Mooresches Gesetz in der Energie und daher kann das, was im Bereich der Computer gesehen wird, nicht von der Energiebereitstellung erwartet werden. Die Kosten werden nicht weiter sinken und es ist an der Zeit, dass eine Gesamtsystemsicht eingenommen wird, wenn solare und windartige oder irgendeine Form der Stromerzeugung betrachtet wird.

Die drei Hauptprobleme der Wind- und Solarerzeugung sind:

  • ihre Variabilität oder Unterbrechung
  • außerordentlich niedrige Energierendite auf investierte Energie (ERoEI)
  • niedrige Energiedichte (siehe auch Abbildung 2)

Abbildung 2: Wind hat eine sehr geringe Energiedichte, wobei die Dichte in Asien noch geringer ist als in Europa [3]

Praktisch jedes Solarpanel und jedes Windrad benötigt eine Reservekapazität (Backup) für Zeiten, in denen der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint. Stolz präsentierte die deutsche Presse, dass am 4. Juli 2020 gegen 13.00 Uhr 97 Prozent des deutschen Strombedarfs für eine Stunde aus erneuerbaren Energien bezogen wurden (siehe Abbildung 3). Es wurde jedoch nicht berichtet, dass:

  • In der gleichen Stunde 22 Prozent (ca. 15 GW) des Strombedarfs Abfallenergie waren, die über die deutschen Grenzen exportiert oder entsorgt werden musste, wahrscheinlich zu negativen Preisen.
  • Am 18. Juli 2020 gegen 21.00 Uhr wurden ca. 16 Prozent des deutschen Strombedarfs für eine Stunde aus erneuerbaren Energien bezogen (null Prozent aus Wind und Sonne, alle aus zuverlässiger Biomasse und Wasserkraft).
  • In dieser Stunde am 18. Juli 2020 mussten etwa neun Prozent (ca. 4 GW) zu hohen Preisen aus den umliegenden Ländern importiert werden, weil Deutschland nicht genug Strom produzierte (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Rekord: 97,2% erneuerbarer Strom in Deutschland am 4. Juli 2020 (links) vs. einer typischen Sommerperiode in Deutschland im Juli 2020 [4]

Es gibt kein Gebiet, das praktisch groß genug ist, um sicherzustellen, dass es immer Wind oder Sonne gibt. Es passiert alle paar Jahre, wahrscheinlich mindestens einmal pro Jahrzehnt, wenn ein Kontinent wie Nordamerika ein oder zwei ganze Tage ohne Sonne oder Wind erlebt.

Die logische Anforderung an die Backup-Kapazität für alle variablen erneuerbaren Energien und alle damit verbundenen Konsequenzen müssen berücksichtigt werden, wenn die Kosten mit einer fossilen oder nuklearen Energie verglichen werden. Nahezu alle veröffentlichten Kostenvergleiche verwenden jedoch die sogenannten Stromkosten (LCOE), die nur Investitions-, Betriebs- und Kraftstoffkosten berücksichtigen. Die Brennstoffkosten für Wind und Sonne sind natürlich praktisch Null. LCOE berücksichtigt jedoch nicht die anderen Kostenkategorien. (LCOE steht für Levelized Cost of Electricity)

Die wahren Kosten für Solar und Wind müssen Folgendes umfassen:

  • Backup-Kosten (Profilkosten): Kosten, die sich aus der “zeitlichen” Abweichung zwischen Erzeugung und Bedarf ergeben. Eingeschlossen die Kosten für Batterien, den Rückgang der konventionellen Stromnutzung, das erhöhte Rauf- und Runterfahren.
  • Verbindungskosten: Kosten, die sich aus dem geografischen Abstand zwischen der Erzeugung variabler erneuerbarer Energie und dem Strombedarfsort ergeben; sie beinhalten Kosten für Netz- / Verbindungsmanagement und Ausgleichskosten.
  • Material- und Energiekosten: Kosten für Energie und Materialien zum Aufbau von Solar- und Windkapazitäten (der ERoEI ist viel zu niedrig für Wind und Sonne).
  • Effizienzverluste: Kosten im Zusammenhang mit Effizienzverlusten durch Unterauslastung konventioneller Stromversorgung.
  • Raumkosten: Kosten im Zusammenhang mit dem Platzbedarf für erneuerbare Energien (Energiedichte ist viel zu niedrig), Kosten durch Vernichtung von Ackerland und Umweltschäden, sich änderndem Wind und lokalem Klima, Lärmbelästigung usw.
  • Recyclingkosten: höhere Recyclingkosten von Ökoanlagen und Backup-Kapazität nach ihrer Nutzungsdauer

Entgegen der landläufigen Meinung und Presse erklären Kosten für konventionelle Energie als Backup und die daraus resultierenden Effizienzverluste konventioneller Energie unter anderem, warum die Gesamtkosten variabler erneuerbarer Energien immer mit mehr installierter Leistung über einen bestimmten Punkt hinaus steigen. Dieser Punkt variiert je nach Land und Region, aber eines ist sicher: Deutschland ist weit über diesen Punkt hinaus, was die hohen Strompreise des Landes erklärt (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Globale Strompreise in 2018 (USD ct/kWh) – Strom in Deutschland ist am teuersten [5]

Abbildung 5 veranschaulicht die irreführende LCOE-Messung, die in der populären Presse und von den meisten Regierungen verwendet wird und vergleicht sie mit den noch unvollständigen, aber besser wertbereinigten LCOE (VALCOE) der IEA, die erstmals 2019 veröffentlicht wurde. Im Januar 2020 veröffentlichte das renommierte Institute of Energy Economics Japan (IEEJ) seinen 280-seitigen “IEEJ Energy Outlook 2020” und äußerte Bedenken hinsichtlich der steigenden nicht berücksichtigten Integrationskosten erneuerbarer Energien und kam zu dem Schluss, dass LCOE nicht in der Lage ist, die wahren Kosten von Wind und Sonne zu erfassen. (VALCOE steht für Value-adjusted Levelized Cost of Electricity)

Deutschland ist sich bewusst geworden, dass es trotz seiner großen installierten Wind- und Solarkapazität konventionellen Strom benötigt. Deutschland entschied sich jedoch, neben dem Ausstieg aus der Kernenergie auch aus der Kohlekraft auszusteigen. Obwohl Bundesumweltministerin Svenja Schultze im Juli 2020 stolz behauptet: “Wir werden bei der Stromerzeugung unseres Landes ausschließlich auf Wind und Solar setzen”, baut Deutschland ganz leise neue Gaskraftwerke als Backup. Gas ist ein legitimer Brennstoff mit vielen positiven Eigenschaften, aber Deutschland selbst hat nahezu keine Vorkommen mehr. Trotz des “sauberen” Transports und der Verbrennung von Gas wissen wir, dass Gas in der Regel teurer ist als Kohle, schwieriger und teurer zu transportieren ist als Kohle, da es Pipelines oder LNG-Transporte (Liquefied Natural Gas) benötigt, und im Allgemeinen schwieriger und manchmal gefährlicher ist zu lagern. Warum also legt Deutschland seine bestehenden Kohlebergwerke, Kohlekraftwerke und Atomkraftwerke still und baut jetzt neue, gasbefeuerte Anlagen? Die Antwort sind in der Regel Treibhausgasemissionen (THG), da Gas bei der Verbrennung etwa die Hälfte des CO2 / kWh emittiert als Kohle.

Wenn wir uns an die populäre, aber nach Ansicht des Autors falsch interpretierte Theorie der globalen Erwärmung halten, scheint eine weniger bekannte Tatsache zu sein, dass die Gasversorgung während der Produktion, Verarbeitung und des Transports zu Methanleckagen führt (Methan ist ein 84-mal stärkeres Treibhausgas als CO2 über 20 Jahre und 28-mal stärker über 100 Jahre). Dies wurde in mehreren Studien dokumentiert, darunter Poyrys deutsche Studie von 2016 zum Thema “Vergleich der Treibhausgasemissionen von Kohle- und Gaskraftwerken”. Es wurde auch von Bloomberg in einem Artikel vom Januar 2020 aufgegriffen, in dem Methanleckagen im Zusammenhang mit LNG diskutiert wurden. Die Methanemissionen sind sehr unterschiedlich, aber es gibt viele Fälle – wie auch eine von Total Gas gesponserte Studie aus dem Jahr 2016 dokumentiert –, in denen die Treibhausgasemissionen für Gas höher sind als für Kohle. Die Studie besagt, dass “mit 95 Prozent Vertrauen US-Schiefergas mehr Treibhausgase ausstoßen könnte als kolumbianische Steinkohle”.

  • Gas emittiert bei der Verbrennung etwa die Hälfte des CO2 im Vergleich zu Kohle.
  • Gas emittiert mehr CO2-Äquivalent (meist in Form von Methan) während der Produktion, Verarbeitung und des Transports. Dies beinhaltet Leckagen und Energiebedarf für die LNG-Verarbeitung und den Transport, ist aber nicht beschränkt darauf.
  • Die gesamten CO2-Äquivalent-Emissionen von Gas sind je nach Turbinentyp, Standort und Gasquelle und -art gleich hoch oder höher als bei Kohle.

Gas ist ein guter und notwendiger Brennstoff im Strommix, aber, wenn man der Theorie der globalen Erwärmung Glauben schenken will, muss man konsequent sein und darf das Geld der Steuerzahler nicht ausgeben, um von Kohle und Atom auf Gas umzusteigen, wenn es selbst nach eigenem Bekunden keine positiven Auswirkungen auf “das Klima” haben wird. Methanemissionen werden weder gemessen noch besteuert. Ist das fair für Kohle oder für die Umwelt oder den normalen Bürger, der die Steuern zahlt?

Abbildung 5: Strom- und wertbereinigte Stromkosten (LCOE) und wertbereinigte LCOE (VALCOE) für Solar-PV- und Kohlekraftwerke in Indien [6]

Batterietechnologie ist nicht als Stromnetz-Speicher geeignet

 Wenn Gas nicht die Lösung ist, was dann? Was ist mit diesen großartigen Batterien? Es ist wahr, dass ein erschwingliches und nachhaltiges Speichersystem die Lösung für das Problem der Fluktuation von Wind und Sonne wäre (aber nicht für die Probleme der Energiedichte oder ERoEI). Im Laufe der Jahre sind Batterien viel effizienter geworden und der jüngste Schritt in Richtung Elektrofahrzeuge hat große Investitionen in Batterie-“Giga-Fabriken” auf der ganzen Welt vorangetrieben.

Die größte bekannte und diskutierte Fabrik für Batterien ist Teslas 5 Milliarden US-Dollar teure Gigafactory in Nevada, die im Jahr 2020 voraussichtlich eine jährliche Batterieproduktion von 50 GWh liefern wird. Bis 2021 wird sich das CATL in China voraussichtlich verdoppeln. Die Berliner Gigafactory 4 wird frühestens 2022 mit der Produktion von Elektrofahrzeugen beginnen. Diese Fabriken werden die Batterien für unsere zukünftigen Autos liefern und auch Backup-Batterien für Häuser liefern, aber was ist mit ihren ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen? Die Abbildungen 6 und 7 fassen die ökologischen Herausforderungen der heutigen Batterietechnologie zusammen. Die drei Hauptprobleme bei jeder bekannten Batterietechnologie sind:

  • Energiedichte
  • Materialanforderungen
  • Recycling

Abbildung 6: Vergleich des mineralischen Bedarfs an erneuerbaren Technologien (IEA-Daten 2019) [7]

Energiedichte

Kohlenwasserstoffe wie Öl, Gas und Kohle sind eine der effizientesten Möglichkeiten der Natur, Energie zu speichern und abzurufen. Die fortschrittlichste Batterietechnologie von heute kann nur 2,5 Prozent der Energie speichern, die Kohle speichern kann. Die Energie, die eine 540 kg schwere 85 kWh Tesla-Batterie speichern kann, entspricht 30 kg Kohleenergie nach der Verbrennung. Eine Tesla-Batterie muss dann noch mit Strom geladen werden (oft über das Netz), während Kohle bereits “geladen” ist, wenn auch nur einmal.

Darüber hinaus können Sie berechnen, dass eine jährliche Gigafactory-Produktion von 50 GWh Tesla-Batterien ausreichen würde, um für 6 Minuten den gesamten US-Stromverbrauch (und dann keine Teslas zum Fahren) zu sichern. Die heutige Batterietechnologie kann nicht die Lösung für Volatilität sein.

Material- und Energiebedarf

Als nächstes kommt die Frage nach den Energieeinträgen und Materialien, die für die Herstellung einer Batterie benötigt werden. Zu den benötigten Materialien gehören Lithium, Kupfer, Kobalt, Nickel, Graphit, Seltene Erden & Bauxit, Kohle und Eisenerz (für Aluminium und Stahl).

Darüber hinaus ist die Energie von 10-18 MWh erforderlich, um eine Tesla-Batterie zu fertigen, was zu 15-20 t CO2-Emissionen führt, wenn man 50 Prozent erneuerbare Energie annimmt. Unter der konservativen Annahme, dass 1-2 Prozent der abgebauten Erzen in Form von Metallen in der Batterie landen, benötigt eine Tesla-Batterie 25-50 t Rohstoffe, um abgebaut, transportiert und verarbeitet zu werden (siehe Abbildung 7) [2].

Abbildung 7: Beispiel – Energiedichte und Umweltauswirkungen von Tesla-Batterien

 

  • [1] Prepared by Lars Schernikau: primary electricity converted by a direct equivalent method. Source: data compiled by J David Hughes. Pre-1965 data from GRUBLER, A (1998) Technology, and Global Change: Data Appendix. Post-1965 data from BP, Statistical Review of World Energy (annual publication).
  • [2] MILLS, M (2019): The “New Energy Economy”: An Exercise in Magical Thinking. New York, USA: Manhattan Institute, 26 March. www. manhattan-institute.org/green-energy-revolution-near-impossible
  • [3] Global Wind Atlas: www.globalwindatlas.info [Accessed 24 April 2020]
  • [4] Schernikau analysis based on Agora Energiewende – https://www.agora-energiewende.de/ [Accessed 20 July 2020]
  • [5] STATISTA (2019): Global electricity prices in 2018, by select country – www.statista.com/ statistics/263492/electricity-prices-in-selected-countries/
  • [6] WANNER, B (2019): Is exponential growth of solar PV the obvious conclusion? – www.iea.org/ commentaries/is-exponential-growth-of-solar-pv-the-obvious-conclusion
  • [7] IEA (2020): Clean energy progress after the Covid-19 crisis will need reliable supplies of critical minerals,  https://www.iea.org/articles/clean-energy-progress-after-the-covid-19-crisis-will-need-reliable-supplies-of-critical-minerals
  • [8] MARTIN, C (2020): Wind Turbine Blades Can’t Be Recycled, So They’re Piling Up in Landfills – www. bloomberg.com/news/features/2020-02-05/ wind-turbine-blades-can-t-be-recycled-so-they-re-piling-up-in-landfills
  • [9] PETERSON, J (2020): What Greta Thunberg does not understand about climate change – https:// youtu.be/y564PsKvNZs”.

Über den Autor:

Dr. Lars Schernikau, geboren und aufgewachsen in Berlin, studierte an der New York University und INSEAD in Frankreich, bevor er an der Technischen Universität Berlin in Energiewirtschaft promovierte. Schernikau verfügt über umfangreiche Kenntnisse und Erfahrungen im Rohstoff- und Energiesektor. Schernikau hat eine Reihe von Unternehmen und Organisationen in den Bereichen Energie, Rohstoffe und Kohle in Asien, Europa, Afrika und Amerika gegründet, gearbeitet und beraten. Bevor er vor über 15 Jahren in die Welt der Energie und Rohstoffe einstieg, arbeitete er bei der Boston Consulting Group in den USA und Deutschland. In den Jahren 2010 und 2017 veröffentlichte er zwei Fachbücher zur Ökonomie des internationalen Kohlehandels. Er ist Mitglied verschiedener Wirtschafts-, Energie- und Umweltverbände, darunter die gemeinnützige CO2 Coalition in den USA. Er ist regelmäßiger Redner auf internationalen Energie- und Kohlekonferenzen und beriet Regierungen und führende Energieorganisationen in der Energiepolitik.