Energiewende steht und fällt mit Kohlenstoff – ein völlig neuer Lösungsansatz

Der sächsische Ministerpräsident Michael Kretschmer hat schon im vergangenen Jahr die Energiewende als gescheitert angesehen und einen Neustart gefordert. Die gegenwärtige Meinungsbildung für neue Kernkraftwerke zeigt ebenso, dass die Energiepolitik der letzten zwanzig Jahre neu formuliert werden muss.

Kurz gesagt: Das gescheiterte Beispiel der deutschen Energiewende erfordert eine Überarbeitung und einen Neubeginn. Einen, der weltweit den guten Ruf des Industrielandes Deutschland wiederherstellt. Die notwendige technische Lösung kann allerdings nicht die Dekarbonisierung sein, sondern eine Kohlenstoffkreislaufwirtschaft. Ganz einfach ausgedrückt heißt das nichts anderes als: Kein Kohlenstoff ist auch keine Lösung.

Bundesregierung in der eigenen Kostenfalle

Wenngleich im Folgenden die Lösung Kreislaufwirtschaft den Kern dieses Beitrags darstellt, müssen die Probleme kurz adressiert werden. Der Bundesrechnungshof wird dazu in seinem Bericht vom 18. April 2023 „Bundesregierung muss wissen, was Klimaschutz kostet und wie er wirkt“ deutlich. So steht darin:

Die Bundesregierung investiert Milliarden in den Klimaschutz. Wie erfolgreich ihre Investitionen sind und ob sie sich lohnen, weiß sie jedoch nicht. Ihr fehlt ein Verfahren, mit dem sie die Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit ihrer Klimaschutzmaßnahmen erfassen kann.“

Nach 20 Jahren Energiewende liegt zudem immer noch nur ein „Entwurf des integrierten nationalen Energie- und Klimaplans“ vor. Ein verbindliches strategisches Konzept gibt es bis heute nicht. Der Entwurf enthält indes eine billionenschwere Kostenfalle.

Konkret handelt es sich dabei um die in der „Zielarchitektur der deutschen Energiewende“ genannten gleichwertigen Ziele „Steigerung der erneuerbaren Energien (EE)“ und „Steigerung der Energieeffizienz“. Dies kann vermieden werden, wenn man den Fokus von der Vermeidung von Kohlenstoffdioxid auf dessen Wiederverwendung richtet.

Energiewandel statt Energiewende

So können in einer Kohlenstoffkreislaufwirtschaft die bisherigen Kraftwerke, Geräte und Fahrzeuge weitestgehend weiter verwendet werden. Eine Neuanschaffung oder Umstellung auf alternative Technologien ist nicht notwendig. Das erzeugte Kohlenstoffdioxid (CO₂) wird hingegen in vollem Umfang wiederverwendet.

Aufbau einer Kohlenstoffkreislaufwirtschaft und Verknüpfungen mit Verbrauchern. Foto: ts/Epoch Times nach Wolfgang G. Winkler

Die wesentlichen Unterschiede zwischen der jetzigen und einer derartigen Kohlenstoffkreislaufwirtschaft stellen die Umstellung von Erdgas auf Synthesegase und die Rückführung seiner Rohstoffe CO₂ und H₂O dar. Somit benötigen Verbraucher einen „CO₂-Anschluss“, wodurch die angestrebte Entfernung von CO₂ aus der Luft entfällt.

Durch die Rückführung und Verwendung von CO₂ werden die zuvor festgeschriebenen Ziele jedoch überflüssig. Wird das erzeugte CO₂ wiederverwendet, ist zudem die Umsetzung der Klimaziele erfüllt. Die Energie für die Rückgewinnung von CO₂ und die Herstellung von Synthesegas liegt prinzipiell in Form von Solarenergie vor. Auch heute schon, sie wird allerdings dazu nicht genutzt.

Mehr Solar, geringere Kosten

Scheint die Sonne auf eine Fläche, erwärmt diese sich. Die eingestrahlte Energie bewirkt in der Natur außerdem Photosynthese und Verdunstung. In der Stadt wird die Energie hingegen vollständig in Wärme umgewandelt und über kurz oder lang an die Umgebung abgegeben.

Wird nun die Solarstrahlung vorher von einer Solarzelle aufgefangen, so lässt sich elektrische Arbeit daraus gewinnen, allgemein als Solarstrom bekannt. Ein Teil der Sonnenenergie kann somit anders genutzt werden. Dabei wird sie – bedingt durch Verluste wie Reibung – letztlich ebenfalls in Umgebungswärme verwandelt. Entscheidend für Natur und Umwelt ist es, dass weder Grünflächen verbaut noch natürliche Prozesse durch Solaranlagen gestört werden.

Für den Wärmehaushalt der Erde ist es indes gleichgültig, über welche Prozessführung die Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgt, solange ausreichend Solarenergie zur Verfügung steht. In einer auf Solarenergie basierenden Kohlenstoffkreislaufwirtschaft gibt es daher keine Veranlassung, eine über die Maßen kostenintensive Steigerung der Energieeffizienz aus Klimaschutzgründen zu erzwingen.

80 Prozent günstiger als die gegenwärtige Energiewende

Während der Energieverbrauch nach dem gegenwärtigen Energiewendekonzept etwa halbiert werden muss – das geht nicht ohne (erzwungenen) Verzicht –, ist es möglich, den durchschnittlichen Primärenergieverbrauch Deutschlands der letzten Jahre einschließlich Wärme, Verkehr und Industrie in Höhe von rund 3.400 Terawattstunden aus Solarenergie zu decken. Dafür werden etwa 3.400 Gigawatt Photovoltaikleistung benötigt. Das ist zwar das 50-Fache der derzeit installierten Leistung, zugleich beansprucht dies nur gut ein Drittel der versiegelten Fläche Deutschlands.

So werden weder Natur- noch Ackerflächen beeinträchtigt, noch ist die Notwendigkeit eines Gebäudeenergiegesetzes oder weiterer, die Wirtschaft belastender Vorschriften begründbar. Selbstverständlich kann auch dies nicht ohne finanziellen Aufwand realisiert werden.

Weil jedoch Sanierungskosten für 22 Millionen Wohngebäude sowie ein Großteil der zusätzlichen Ausgaben für Industrie, Gewerbe und Verkehr entfallen, sinken die Kosten von geschätzten zehn Billionen Euro für die gegenwärtige Energiewende auf unter zwei Billionen Euro für die Kohlenstoffkreislaufwirtschaft. Würden Autobahnen, Parkplätze, Radwege und Ähnliches mit (halbtransparenten) Solarzellen überdacht, hätte dies zudem den Vorteil der Beschattung und des Witterungsschutzes.

Speicher, aber wie?

Obwohl sich das Narrativ der sich ergänzenden Einspeisung von Wind- und Solarenergie hartnäckig hält, hat es sich bis heute nicht bewahrheitet. Für eine sichere solarbasierte Kohlenstoffkreislaufwirtschaft ist aber eine zuverlässige Speichertechnik unumgänglich, um auch bei Dunkelheit und Windstille die Energieversorgung zu garantieren.

Die grundsätzliche Frage, wie viel Energie gespeichert werden muss, bestimmt die Technologie, welche Arten von Speichern einsetzbar sind. Eine wichtige Rolle kommt dabei der Nutzung der vorhandenen Erdgasinfrastruktur mit deren großem Speichervolumen zu. Zudem ist diese (noch) ohne größere Neuinvestitionen verfügbar.

Wie viel Energie sich in den meist unterirdischen Kavernen speichern lässt, hängt wiederum maßgeblich vom Speichermedium ab. Dafür bevorzugt die Politik Wasserstoff (H₂). Beim Vergleich mit anderen Gasen erweist sich diese Wahl jedoch als fragwürdig.

Methan (CH₄)  – der Hauptbestandteil von Erdgas – erhöht die gespeicherte Energie um mehr als den Faktor vier. Ethen (C₂H₄), früher bekannt als Ethylen, kann pro Volumen wiederum mehr als viermal so viel Energie speichern als Methan und damit knapp 20-mal mehr als Wasserstoff.

Vergleich der einspeicherbaren Energie in vorhandenen deutschen Gasspeichern mittels H₂, CH₄ und C₂H₄. Foto: Wolfgang Winkler

Energiewende mit Wasserstoff: So wenig wie möglich, so viel wie nötig

Füllt man die vorhandenen Gasspeicher mit Wasserstoff, könnte man bezogen auf den Heizwert rechnerisch etwa 1,6 Prozent des Primärenergiebedarfs von 3.400 TWh decken. Mit Erdgas steigt dieser Wert auf etwa sieben Prozent und mit Ethen auf ungefähr 31,7 Prozent. Demgegenüber stehen eigenen Untersuchungen zufolge mögliche Einspeisedefizite von 20 bis 30 Prozent. Somit können die heutigen Gasspeicher in einer Kohlenstoffkreislaufwirtschaft Dunkelflauten grundsätzlich abdecken.

Bei realistischer Betrachtung eignet sich Wasserstoff damit nicht für eine strategische Energiespeicherung. Gleiches gilt für Batterien, die aufgrund der enormen Kostendifferenz zu Gasspeichern nicht in Betracht kommen. Auch Methan ist nicht optimal.

Aus energietechnischer Sicht ist vielmehr Ethen das Speichergas der Wahl. Neu ist es für die Wirtschaft nicht, denn Ethen ist als bedeutender Chemierohstoff bekannt und wird in großem Umfang seit Jahrzehnten eingesetzt. Es kann zudem bei Bedarf – wie heute Erdgas – für die Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt werden, etwa für die Verwendung als chemischer Grundstoff oder für Verkehrsanwendungen.

Geschlossener Kohlenstoffkreislauf

Charakteristisch für die erneuerbaren Energien ist eine stark schwankende, von äußeren Bedingungen abhängige Energieerzeugung. Dies spiegelt sich im Rahmen eines geschlossenen Kohlenstoffkreislaufes (Closed Carbon Cycle, CCC) in zwei charakteristischen Betriebszuständen wider: Gaserzeugung bei Stromüberschuss und Gasnutzung zur Stromerzeugung. Die erforderlichen Systembestandteile eignen sich dabei gleichermaßen zur Erzeugung von Methan oder Ethen.

Gaserzeugung und -nutzung in einer Kohlenstoffkreislaufwirtschaft. Foto: ts/Epoch Times nach Wolfgang G. Winkler

Erzeugen Solarzellen mehr Strom als benötigt, wird dieser zusammen mit CO₂ und Wasser in einem elektrochemischen Gaserzeuger in Speichergas umgewandelt. Die Nutzung der eingespeicherten Gase zur Strom- und Wärmeerzeugung erfolgt bei Strommangel. Hierbei muss zur Weiterverarbeitung reines CO₂ abgeschieden werden. Ebenso muss Wasser durch Kondensation entfernt werden. Beide Stoffe werden in einem Kreislauf erneut der Gaserzeugung zugeführt.

Die Nutzung der Gase erfolgt in Brennstoffzellen, die mit CH₄ oder C₂H₄ in Verbindung mit dem Luftsauerstoff betrieben werden. Thermische Anlagen werden hingegen zusätzlich mit Sauerstoff versorgt. Während die Membran in Brennstoffzellen eine Vermischung von Kohlenstoffdioxid und Luftstickstoff verhindert, sorgt die Verbrennung mit reinem Sauerstoff in speziell dafür ausgelegten sogenannten Oxyfuel-Brennern dafür, dass auch bei der Wärmeerzeugung lediglich CO₂ und Wasser anfallen.

Erforderliche Eigenschaften und …

Zunächst sind sowohl Solarenergie als auch fossiler Brennstoff eine kostenfreie Ressource, denn weder die Sonne noch ein Erdgasfeld oder eine Kohlegrube „schicken eine Rechnung“. Kostenlos sind sie indes nicht, ihr Preis bestimmt sich durch den Aufwand, der zu ihrer Nutzbarmachung erforderlich ist. Damit wird deutlich, welche Bedeutung der effizienten Erschließung zukommt. Sie senkt die Kosten der Nutzbarmachung der Ressource. Mit anderen Worten: Je geringer der Aufwand, desto geringer ihr Preis.

Die Funktion und Wirtschaftlichkeit einer Kohlenstoffkreislaufwirtschaft erfordern daher für die Systemkonfiguration folgende Eigenschaften:

• energieeffiziente Gaserzeugung,
• energieeffiziente Gasnutzung,
• effizientes Recyclingkonzept sowie
• hohe Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens.

… Verminderung von Verlusten

Im Allgemeinen bestehen die hier möglichen Verfahren aus zwei Stufen: Die Elektrolyse von H₂O und CO₂ mit einem nachgeschalteten Reaktor zur Gaserzeugung. Hierbei gilt es, drei wesentliche Verluste zu minimieren, um den Prozess zu verbessern:

• Der Hauptanteil an Verlusten entsteht bei der Elektrolyse, weil Wasser in flüssiger Form zugeführt und mit elektrischem Strom verdampft wird. Das führt zu einem Verlust von etwa 15 Prozent der zugeführten elektrischen Arbeit. Optimierungsmöglichkeiten bieten in diesem Fall die Verwendung von Abwärme und/oder Wärmepumpen.
• Bei der Erzeugung von Methan oder Ethen aus Wasser und Kohlenstoffmonoxid oder -dioxid muss bei thermischen Verfahren zusätzlich Wasserstoff erzeugt und eingespeist werden. Dies ist nötig, um den parallel freigesetzten Sauerstoff zu Wasser zu binden und durch Kondensation zu entfernen. Eine Wärmerückgewinnung oder die elektrochemische Abscheidung im Reaktor sind als Verbesserungen möglich.
• Die thermische Reaktion erlaubt es nicht, einen vorhandenen Wärmeunterschied zur Rückgewinnung von (elektrischer) Arbeit zu nutzen, sodass diese als Abwärme abgegeben werden muss. Die Abwärmenutzung lässt sich elektrochemisch bei der Wasserstoffeinspeisung realisieren.

Das Entwicklungsziel für die Gaserzeugung ist ein Wirkungsgrad von 90 Prozent.

Während heutige kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke Wirkungsgrade von 65 Prozent erreichen, lässt ihre Weiterentwicklung zu kombinierten Brennstoffzellenkraftwerken Wirkungsgrade von 80 Prozent erwarten. Letztlich können damit in Kombination mit der weiterentwickelten Gaserzeugung Gesamtwirkungsgrade einschließlich Rückverstromung in der Größenordnung von heutigen Pumpspeicherkraftwerken erwartet werden.

Keine weiteren Preiserhöhungen nötig

Anhand dieser Ergebnisse lassen sich auch Abschätzungen über die Basiswerte der Gestehungskosten für das Synthesegas machen. Die folgende Werte gelten einschließlich Abschreibungen, enthalten aber keine Finanzierungskosten. Ihre Höhe richtet sich – wie in der heutigen Kraftwerkslandschaft – maßgeblich nach den Volllaststunden.

Die minimalen Werte für die Gaserzeugung ergeben sich dabei für einen Wirkungsgrad von 90 Prozent, variablen Kosten von 0,02 Euro pro Kilowattstunde (€/kWh) und einen Abschreibungszeitraum von 30 Jahren. Die maximalen Werte gelten analog für einen Wirkungsgrad von 70 Prozent, variable Kosten von 0,05 €/kWh und einen Abschreibungszeitraum von zehn Jahren.

Kosten der synthetischen Gaserzeugung (durchgezogene Linie) sowie einschließlich Netzentgelt (gestrichelte Linie) in Abhängigkeit der Volllaststunden der Gaserzeuger. Foto: Wolfgang G. Winkler

Hierbei wird die mögliche Arbeitsfähigkeit und nicht der Brennwert des Gases zugrunde gelegt. Beim Vergleich mit heutigen Erdgaspreisen fällt dieser Wert deshalb etwa zehn Prozent niedriger aus. Neben der Gaserzeugung spielen Systemkosten wie Netzgebühren eine Rolle für die Gesamtkosten.

Im Einzelnen zeigt sich, dass Ethen wegen seiner hohen volumetrischen Energiedichte bei den unteren Werten dominierend, für die oberen Werte hingegen unbedeutend ist. Durch die weitgehende Nutzung der vorhandenen Infrastruktur werden die Gesamtkosten zudem durch niedrige Netzentgelte für den C₂H₄-Betrieb fast nicht beeinflusst.

Wasserstoff mit seiner geringen volumetrischen Energiedichte kann wiederum keinen Einfluss auf die Minimalwerte der Gasgestehungskosten haben, ist aber für die Maximalwerte bestimmend. Die Umstellung auf Wasserstoff geht indes auch mit einer entsprechenden Anpassung der Infrastruktur einher, was die Systemkosten ebenfalls erhöht und zu einer deutlichen Erhöhung des Gasgrundpreises um bis zu 2,5 ct/kWh führt. Dies unterstreicht die schon erwähnte Bedeutung der verbrauchernahen Wasserstofferzeugung, um den Transport weitgehend zu vermeiden.

Diese Ergebnisse lassen erwarten, dass die synthetischen Speichergase CH₄ und C₂H₄ am Ende der Entwicklung zu ähnlichen Kosten wie verflüssigtes Erdgas (LNG) erzeugt werden könnte. Teils politisch bedingte Preisänderungen beim Strom sind dabei nicht berücksichtigt.

Schlussbemerkung zur Energiewende

Die hier vorgestellte Kohlenstoffkreislaufwirtschaft zeigt den prinzipiellen Weg auf, eine erneuerbare Primärenergieversorgung Deutschlands zu realisieren, die – ohne großen Aufwand und Kosten – in das vorhandene Energiesystem und die bestehende Infrastruktur integriert werden kann.

Gegenüber den Vorstellungen der „Zielarchitektur der deutschen Energiewende“ lassen sich dabei erhebliche Kostenersparnisse erreichen. Gleichzeitig erweist sich die Annahme als falsch, dass eine energetische Sanierung der vorhandenen Infrastruktur nötig ist, um die Klimaziele zu erreichen. Langfristig wird sie aus wirtschaftlichen Gründen und im Rahmen von Ersatzinvestitionen, sprich Neubauten, dennoch erfolgen.

Neben den lösbaren technologischen Herausforderungen gilt es jedoch, eine vielleicht noch größere Herausforderung zu überwinden: Zu erreichen, dass das politische Handeln sich weniger an freundlichen Narrativen als an notwendigen Fakten orientiert. Der eingangs zitierte Hinweis des Bundesrechnungshofs kann dahingehend wohl als dringender Hinweis zur Erneuerung und Qualitätsverbesserung des staatlichen Handelns interpretiert werden.

Dies erfordert indes eine konsequente Abkehr von der gegenwärtigen Energie- und Klimapolitik hin zu einer professionellen, ideologiefreien Programmleitung mit klar geregelten Kompetenzen, die ausschließlich dem Nutzen der deutschen Volkswirtschaft zu dienen hat.

Dazu muss sich auch eine durch diverse in- und ausländische Lobbys der technisch-wirtschaftlichen Realität weitgehend entrückte deutsche Politik auf die langjährigen Erfahrungen und Erfolge deutscher Technologien zurückbesinnen.

Über den Autor

Prof. Dr. Wolfgang Georg Winkler promovierte an der TU Wien in Maschinenbau. Nach über einem Jahrzehnt leitender Industrietätigkeit wurde er an die Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg berufen, gründete und leitete dort das Institut für Energiesysteme und Brennstoffzellentechnologie bis zu seinem Ruhestand.

Zudem leitete er unter anderem den Fachausschuss Brennstoffzellen im Verein Deutscher Ingenieure (VDI), war Sekretär des Kommitees „Fuel Cell Technology“ der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und Mitglied des Scientific Advisory Committe des JRC Institute for Energy der Europäischen Kommission. Prof. Winkler forscht nach wie vor im Bereich Energie und angewandte Thermodynamik und hat in seiner Laufbahn mehr als 200 Beiträge publiziert oder an ihnen mitgewirkt.