Zukunft Strom
Dr. Wolfgang Brune, 2014

Es ist keineswegs müßig, sich Gedanken um die weitere Zukunft des Energieträgers elektrischer Strom zu machen. Strom ist zwar Höhepunkt der Entwicklung der Energiewirtschaft, stellt jedoch voraussichtlich nicht ihr Ende dar. Und alle Veränderungen, die man in der Energiewirtschaft vornehmen muss oder will, erfordern in der Regel relativ lange Zeitspannen und einen hohen Kapitalaufwand. Notwendige Entscheidungen sollten daher rechtzeitig getroffen werden.

1 Gibt es etwas Besseres als den elektrischen Strom?

Der elektrische Strom ist das Beste, das die Energiewirtschaft bisher hervorge­bracht hat. Er erfüllt so gut wie alle Anforderungen, die gewerblich und auch im persönlichen Leben an einen Energieträger gestellt werden müssen. Er ist immer und fast überall verfügbar. Er ist außerordentlich vielfältig nutzbar und verhält sich spielend leicht bei der Anwendung. Wenn richtig gehandhabt, ist er sicher und umweltfreundlich bei der Nutzung. Was will man mehr? Wenn da nicht die fehlende direkte großtechnische Stromspeicherung wäre, eigentlich nichts. Leider kann man jedoch so keinen Stromvorrat anlegen – für den Ausgleich von Ver­brauchs­schwankungen und für Notfälle.

Gesetzt, dieser Speichermangel sei sozusagen ein naturgegebener Geburtsfehler und nicht behebbar. Dann würde sich doch – trotz aller smarten Netzsteuerung – ein Nachfolge-Energieträger objektiv ins Spiel bringen. Was können theoretische Überlegungen dazu aussagen?

2 Energie als Produktionsfaktor

Allgemein ist Energie, darunter auch der elektrische Strom, ein grundlegender Produktionsfaktor. Er ist damit integraler Bestandteil des Transformations­opera­tors T, der die Umwandlung von Material M in das Produkt P beschreibt. Das gilt für jeden einzelnen Produktionsprozess und für einen Wirtschaftsorganismus, beispiels­weise eine Volkswirtschaft, im Ganzen. Symbolisch sei das wie folgt aus­ge­drückt:

T M = P                                                                                                           

Der Transformationsoperator beschreibt das Zusammenwirken der beiden ele­men­taren Produktionsfaktoren, der Arbeit und des (Sach-)Kapitals, bei der Um­wandlung des Materials in das Produkt. Er enthält damit heute eine Arbeits­funktion, eine Werkzeugfunktion und eine Energiefunktion. Am Anfang der glo­balen wirtschaftlichen Evolution waren diese Funktionen im elementaren Faktor Arbeit vereint, gemeinsam mit der Nutzung von Naturenergien wie der Sonne und ihren Derivaten, dem Wind und der Kraft fließenden Wassers sowie der Ver­brennung von Biomasse. Im weiteren Verlauf der globalen wirtschaftlichen Evo­lution hat sich ein schrittweiser Übergang von der Arbeit zum Kapital vollzogen, verbunden mit der Aufspaltung des Kapitals in den Kapitalstock und die Nutz­energie. Die wirtschaftliche Nutzenergie wandelte sich dabei immer mehr von der Naturenergie hin zu erwirtschafteten Energie­trägern, wegen höherer Energie­dichte und besserer Verfügbarkeit. Gegen Ende der globalen wirtschaftlichen Evolution, also in der Zeit, die vor uns liegt, wird sich der Übergang von Arbeit zu Kapital fast vollständig vollzogen haben. In der gleichen Zeit wird der Anteil Nutz­energie am Kapital etwa 0,25, der Anteil Kapitalstock demzufolge etwa 0,75 be­tragen [1].  Dass die Nutzenergie einen so hohen Anteil am Kapital erreichen wird, hat gewiss etwas mit der umfassenden Nutzung des elektrischen Stroms zu tun. Mancher Produktionsprozess kommt überhaupt nur durch Einsatz von Elektro­energie zustande. Energie erweist sich folglich heute und in naher Zukunft als ein unverzichtbarer Produktionsfaktor, auf den ein wesentlicher Teil wirtschaftlicher Wertschöpfung entfällt. Das trifft insbesondere auch auf den elektrischen Strom zu, dessen wirtschaftliche Vorteile, selbst bei einer notwen­digen Energieträger­änderung, voll erhalten bleiben müssen.     

3 Langzeitinvarianz und periodische Schwankungen der Energieintensität der Wirtschaft

Energiewende ist heute ein Wort, das in aller Munde ist. Die Einen verbinden damit die Hoffnung auf eine problemlose künftige Energienutzung, Andere sehen in ihr eine unzulässige Belastung der Wirtschaft. Wie auch immer, Energiewenden gab es schon häufig in der wirtschaftlichen Vergangenheit, und es wurde auch hier, s. o., eine neue in der Zukunft als voraussichtlich unvermeidlich angekündigt.

Was ist eine Energiewende?

Ganz allgemein: wenn sich die Richtung der Ener­gieintensität der Wirtschaft ändert. Also, wenn einmal etwas weniger, einmal etwas mehr spezifische Energie aufgewendet werden muss, um eine Einheit Wirt­schafts­produkt herzustellen. Das impliziert jedoch, dass der spezifische Energie­aufwand nicht durchgängig nur abnehmen (oder auch nur zunehmen) kann. Im Mittel bleibt die Energie­intensität der Wirtschaft immer gleich. Immer wird im Durchschnitt die gleiche Menge spezifische Energie aufgewendet, um eine Einheit Wirtschaftsprodukt herzu­stellen – über den Verlauf der gesamten wirt­schaftlichen Evolution hinweg. Die Energie­intensität schwankt in einer regel­mäßigen Abfolge um diesen mittle­ren Wert. Jedes Mal, wenn eine Richtungs­umkehr einsetzt, ändert sich qualitativ oder quantitativ die Nutzung charak­teristischer Energie­träger. In historischer Sicht ragen die Energieträger Dampf und Strom heraus. Für die Zukunft ist noch einmal ein solcher großer Einschnitt zu erwarten – jedoch in sehr grober zeitlicher Ab­schätzung erst in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts, keineswegs heute. Diese Energiewende wird dann also voraussichtlich die heutige charak­teristische Energie, den elektrischen Strom, ablösen. Vor­aussichtlich durch einen Energie­träger, der speicherbar ist. Allerdings ohne die wirtschaftlichen Vorteile des Stroms aufzugeben. Wie könnte das gehen? Der Strom wird nicht ersetzt, fliegt also nicht heraus aus dem wirtschaftlichen Energiemix, sondern verändert ledig­lich seine wirtschaftliche Stellung in der Energieträgerfolge („Energie­verschie­bung“).

Die Energieintensität der Wirtschaft I(t) kann formal durch die folgende Gleichung gekennzeichnet werden:

   I(t) = E(t)/Y(t)                                                                                                      

      mit E(t) – gesamter Nutzenergieverbrauch im Zeitraum t

            Y(t) – erwirtschaftetes Sozialprodukt im Zeitraum t

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, in welcher Größenordnung sich diese Energie­intensität im Verlauf der globalen wirtschaftlichen Evolution bewegt, kann man grob einen Wert von etwa 1 kWh je US-$ abschätzen [1]. Entscheidend ist jedoch nicht ein solcher absoluter Wert, sondern der Umstand, dass die Energieintensität während des gesamten Verlaufs der globalen wirtschaftlichen Evolution an­nähernd bei einem solchen invarianten Wert verharrt. Das heißt, es besteht zwischen Energieverbrauch und Wirtschafts­ergebnis eine annähernd proportio­nale Beziehung. Wer folglich, grob gesprochen, ein höheres Ergebnis erwirt­schaften will, muss entsprechend mehr Energie ein­setzen. Das ist eine unerbitt­liche Bedingung, die anzuerkennen Manchem ziemlich schwer fällt.

4 Charakteristische Energie und Energieverschiebung

Abgesehen von den quantitativen Verhältnissen beim wirtschaftlichen Energie­einsatz spielt die Art der einsetzbaren Energieträger im Verlauf der wirtschaft­lichen Evolution eine entscheidende Rolle. Sie ändert sich in einer charak­teristischen Weise. War sehr lange Zeit die Muskelkraft von Mensch (und Tier) der alles entscheidende Energieträger, wurde sie später, wie schon oben gesagt, vom Dampf und danach vom elektrischen Strom abgelöst. Damit wurden eine Verviel­fachung der in der Wirtschaft einsetzbaren Kraft und danach eine erhebliche Diversifizierung der Art, des Ortes und der Zeit des Energieeinsatzes ermöglicht. Es gab in jeder Entwicklungsphase einen charakteristischen Energie­träger, der die Wirtschaft bestimmte – nicht durch die absolute Menge seines Einsatzes, sondern vor allem durch die jeweils qualitativ neuen Möglichkeiten, die er dem Wirt­schaften eröffnete. Charakteristische Energie – dabei handelt es sich in keinem Fall um eine Primärenergie, sondern immer um eine Sekundär­energie (oder noch um eine Stufe höher in der Energieumwandlungskette), also um eine erwirtschaftete Energie. Das gilt durchaus auch für die Muskelkraft, soweit man sich von urgemeindlichen Lebensformen verabschiedet hatte (Skla­ven, Leib­eigene, Lohnarbeiter). Genau genommen, handelt es sich auch gar nicht um eine einzelne charakteristische Energie (Muskelkraft, Dampf, Strom), sondern immer um eine Energieträgerfolge im Bereich der Sekundärenergien, in der die charakteristische Energie eine bestimmte zentrale Funktion einnimmt – und damit verbunden um ein charakteristisches Umwand­lungsgerät, das gewissermaßen eine technische Schlüsselerfindung bildet. Am Beispiel des Dampfes ergibt sich:

(bewirtschaftete) Muskelkraft (als Hilfsenergie bei Holzeinschlag und -aufberei­tung, Kohlebergbau, Kesselbefeuerung)Dampf – Dampfmaschine – (räumlich eng begrenzte) Kraftverteilung mittels Transmissionsriemen…

Beim elektrischen Strom sieht die Folge so aus:

…Dampferzeuger – Dampfturbine mit Generator – elektrischer Strom – Elektromotor (und vielfältige weitere Stromanwendungen), räumlich ausgedehnt durch ein großflächiges Verbundnetz…

Auffällig ist, dass sich der Dampf dann, wenn der elektrische Strom zur neuen charakteristischen Energie geworden ist, zur Hilfsenergie für ihn gewandelt hat. Damit bleibt er der Energiewirtschaft nicht nur weiterhin erhalten, sondern ver­größert, sozusagen ganz nebenbei, seine wirtschaftliche Bedeutung.

Analog muss man sich die Situation vorstellen, die sich bei der Ablösung des elektrischen Stroms als charakteristische Energie ergeben wird:

…Stromgewinnung aus schnell bewegten elektrischen Ladungsträgern – Elektrolyse – Wasserstoff(verbindung) – Rückumwandlung in Strom mittels Brennstoffzelle oder Motorgenerator – vielfältige Stromanwendungen in einem ausgedehnten regionalen Verbundystem…

Der elektrische Strom wird hierbei zur Hilfsenergie für einen Energieträger Wasserstoff (oder eine wasserstoff-reiche Verbindung), der ein um die Grund­eigen­schaft der Speicherbarkeit aufgewerteter Energieträger ist und wieder leicht in elektrischen Strom zur Anwendung rückverwandelt werden kann.

Eine so aufgebaute Energiewirtschaft könnte schematisch etwa wie in Bild 1 dargestellt aussehen:

Schema Fusion Methanol

Bild 1: Schematische Darstellung einer künftigen Energiewirtschaft - mit Strom als Hilfsenergie und Wasserstoff
als neuer charakteristischer Energie

Auf der linken Seite läuft der „Sonnenprozess“ ab. Er erzeugt schnell bewegte elektrische Ladungsträger, vorzugsweise Protonen und/oder auch alpha-Teilchen. Ein Strom dieser Teilchen wird aus dem Reaktor abgezogen und direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Der elektrische Strom wird in ein Verbundnetz eingespeist, zum sofor­tigen Verbrauch. Ein zweiter Teil des gewonnenen Stroms wird über eine Wasserelektrolyse und beispielsweise eine Methanolsynthese in eine spei­cher­­bare, wasserstoff-reiche Substanz wie eben Methanol umgewandelt. Diese kann kurzzeit- und langzeit-gespeichert werden, zum Teil auch in ein Verteilernetz eingespeist werden. Die jederzeitige Rückumwandlung in elektrischen Strom ge­schieht mittels Brennstoffzelle oder konventionell über Motorgeneratoren.

Der Sonnenprozess lässt sich schematisch und beispielhaft durch folgende Fu­sions­reaktionen ver­wirklichen:

2D + 3He  ergibt  alpha++ + p+ + 18,3  MeV                                                                  

3He + 3He  ergibt alpha++ + 2 p+ + 12,9 MeV                                                              

1H + 11ergibt   3 alpha++ + 8,7 MeV                                                                           

In jedem Falle sollte er in einer Endform „aneutronisch“ verlaufen, also ohne Neutronen und ihre aktivierende Wirkung, d. h. folglich ohne Radioaktivität zu erzeugen. Am relativ besten wäre eine Reaktion mit He-3, was es aber auf der Erde praktisch nicht gibt (wohl aber auf dem Mond, als direktes Ergebnis des dort niedergegangenen Sonnenwinds), gegebenenfalls eben auch eine Reaktion über Bor, das als Rohstoff auf der Erde zur Genüge vorhanden wäre, jedoch eine außer­ordent­lich hohe Prozesstemperatur erfordern würde.

Schwerer Wasserstoff (D) ist auf der Erde vorhanden.

Ohne eine gehörige Menge Energie in Form elektrischen Stroms lässt sich eine Fusionsreaktion nicht in Gang bringen. Die Primärenergie allein ist unangreifbar stabil.

Im Erdorbit herrschen besonders günstige Bedingungen für die Nutzung der Son­nen­strahlung. Man könnte im Grunde auf täglich 24 Stunden Strahlung zugreifen. Der Orbit würde es auch ermöglichen, den etwa 10%igen Anteil der UV-Strahlung der Sonne zur Photolyse von Wasser zu nutzen. Die notwendige hohe Prozess­temperatur könnte voraussichtlich durch die ungestörte Sonnen­strah­lung im Ent­fer­nungsniveau der Erdbahn, die die Signatur der Oberflächen­tempe­ratur der Son­ne trägt, aufgebracht werden.

Das würde immer­hin aus­reichen, um die Menschheit für sehr lange Zeit mit der erforderlichen Primär­energie zu versorgen.

Die summarische Reaktionsgleichung für die Photolyse wäre:

2 H2ergibt  2 H2 + O2    delta Ho =  571,8 kJ/Mol                                                                

Auf der rechten Seite lässt sich summarisch eine Methanolsynthese wie folgt beschreiben:

CO2 + 3 Hergibt  CH3OH + H2O     delta H0 = - 50 kJ/Mol                                          

Die Wasserstoffgewinnung aus der Wasserelektrolyse folgt in etwa Gleichung für die Photolyse.

Das erforderliche Kohlenstoffdioxid kann prinzipiell der Luft entnommen werden. Besser wäre eine Prozessführung mit einer CO2-angereicherten Massensubstanz, wie es beispielsweise im Wasser der Kühltürme von großen Kraftwerken bei entsprechendem Chemikalienzusatz bzw. der Nutzung der Rauchgase dieser Kraft­werke oder auch im Meer­wasser zu finden wäre. Die Nutzung von konventio­nel­len Kraftwerken könnte ins­be­sondere für eine längere Zeit der Überführung der bisherigen in eine neue Ener­gie­wirtschaft von Bedeutung sein [3, 4].

Eine Brennstoffzelle zur Rückverwandlung von Methanol in elektrischen Strom  folgt in etwa folgender Bruttogleichung:

CH3OH + 1,5 O ergibt  2 H2O + CO2                                                                                

Als Endprodukte erhält man Wasser und Kohlenstoffdioxid. Die gleichen End­pro­dukte erhält man bei direkter Verbrennung des Methanols als Kraftstoff (Wär­metönung: delta H0 = - 725 kJ/Mol). Bezüglich des Wassers hängt es von dessen Men­ge und Tem­pe­­ratur ab, ob es substantiell in die Atmosphäre eindringt und deshalb eine Klima­wirkung einkalkuliert werden muss [5].

Gegebenenfalls kann man sich in Bild 1 auch eine räumliche Aufspaltung zwischen Gewinnung und Speicherung vorstellen. Der Zwischenraum könnte beispielsweise durch Mikro­wel­len oder Laser überbrückt werden. Die Speicherung erfolgt in je­dem Fall ver­brau­chernah.

5 Energiewenden und Naturenergie

Der Verlauf der globalen wirtschaftlichen Evolution zeigt eindeutig an, dass der relative Anteil der Nutzung von Naturenergien schrittweise aufgegeben worden ist. Fehlende Energiedichte und Verfügbarkeit haben das bewirkt. Dieser Vorgang ist unumkehrbar. Erst jetzt, gegen Ende der globalen wirtschaftlichen Evolution, wie wir sie kennen, zeigt sich ein Umschwung an. Naturenergien gewinnen wieder an Bedeu­tung, allen voran die Sonne. Allerdings eben nicht in ihrer weitgehend unberührten Naturform, sondern in einer markanten Entwicklungsstufe höher, als komplizier­tes und komplexes Eindringen in eine neue Welt der Erschließung von tiefer Materiebindungsenergie. Als einfache naturbelassene Energie – in bekann­ter konventioneller Form – erweisen sich heute diese Energien immer nur als eine additive Energie, niemals als alter­native Energie, die etwa bisherige wirtschaftlich gebräuchliche Energien ablösen könnte. Sie können damit lediglich einen relativ kleinen, zeitlich sehr be­grenzten Zuwachs ermöglichen, der insgesamt wirtschaft­lich unbe­deutend ist. 

Weiter oben war angegeben worden, dass eine Energiewende durch eine Rich­tungsänderung der Energieintensität der Wirtschaft charakterisiert ist. Selbst­verständlich besteht ein wichtiger Unterschied darin, ob die Richtungsänderung nach oben oder nach unten erfolgt. Sie erfolgt jedes Mal nach unten, wenn ein neuer charakteristischer Energieträger in Erscheinung tritt („Haupt-Energi­ewen­de“). Es handelt sich um die extensive Phase seiner Wirkung: Allein durch den quantitativen Mehreinsatz dieses neuen Energieträgers wird ein Zuwachs an Wirtschaftsprodukt generiert. An die extensive Phase schließt sich in aller Regel eine intensive Phase an („Zwischen-Energiewende“). Sie erfordert zeitweilig wieder einen quantitativ anwachsenden Energieeinsatz, um einen Zuwachs an Wirtschaftsprodukt zu erzielen, bis schließlich wieder ein neuer Energieträger die charakteristische Rolle übernimmt. Damit kommt die perio­dische Ab- und Aufbe­wegung der Energieintensität der Wirtschaft zustande.

Gegenwärtig ist festzustellen, dass die extensive Phase des charakteristischen Energieträgers elektrischer Strom zu Ende geht. Strom schickt sich an, in die inten­sive Phase einzutreten. Das wäre dann folglich zwangsläufig mit einem Anstieg der Energieintensität der Wirtschaft in den nächsten Jahren und Jahr­zehnten verbun­den. Auf diese Weise sollte es relativ einfach sein, den hier vorgestellten Sach­verhalt überprüfen zu können.

Die Energiewende, an der speziell derzeit in Deutschland herumexperimentiert wird, ist in einem doppelten Sinn fragwürdig. Einmal, weil die Energieintensität, die man senken möchte, voraussichtlich erst einmal ansteigen wird. Zum anderen, weil der Nutzen, den man aus der Naturenergie ziehen möchte, erst einmal einen außerordentlich hohen Kapitalaufwand erfordern wird und vermutlich nicht im nationalen Alleingang bewältigt werden kann. Und wenn man anfangs gar eine Sackgasse wählt, wird man das Ziel überhaupt nicht erreichen können, sondern muss um­kehren

6 Umwelt und Energie

Wenn folglich weiterhin Wirtschaftswachstum als ein erstrebenswertes Ziel ver­folgt wird, muss auch der wirtschaftlich erforderliche Energieverbrauch an­wach­sen. Das vermögen naturbelassene Energien in der bisherigen Nutzungs­weise generell nicht zu leisten. Die wirtschaftliche Verfügbarkeit großer Energiequellen, vielleicht sogar einmal quasi-unerschöpflicher Energiequellen, ist somit grund­legende Voraussetzung für die Entwicklung der Wirtschaft. Daran muss sich letzt­lich auch die Energiepolitik der Staaten, der regionalen Wirtschafts­gemein­schaften und schließlich der Vereinten Nationen orientieren. Nur dann können Wohlstand, Kultur, Bildung und Gesundheit für die wachsende Menschheit ge­sichert werden – und zugleich auch die erforderliche Grundlage für die Be­wah­rung einer lebenswerten Erde gesichert werden. Es ist ein beharrlicher Irr­glaube, dass allein Natur­prozesse in der Lage wären, die Erde zu erhalten. Natur­prozesse, vor allem solche, die sich außerhalb des Erdbereichs und damit unserer un­mittelbaren Gestaltungsmöglichkeit abspielen, werden im Selbstlauf immer in eine Katastrophe für das Leben auf der Erde münden. Nur der Mensch wäre, wenn überhaupt eine reale Chance besteht, in der Lage, solche potentiellen Katas­trophen zu verhindern oder wenigstens zeitlich hinaus­zu­schieben.

Das muss man begreifen, und zwar möglichst bald. Und was man materiell min­destens dazu braucht, um handlungsfähig zu sein, ist verfügbare Energie. Sehr viel Energie. Heute noch unvorstellbar viel Energie. Energieknappheit dagegen lässt für die weitere Zukunft keinen Ge­staltungsraum

Siehe auch:

Zusammenhang zwischen Klima und Energiewirtschaft.

Gesamtwirtschaftliche Entwicklungsstufen und Wellenbewegung der Energieintensität.

Vergleich Temperatur- und CO2-Gehaltsentwicklung nach IPCC, 2007.

Der Klimamechanismus

Literatur

[1] Brune, W.: Über wirtschaftliche Reproduktion und Evolution. Leipzig, 2005. ISBN 3-937350-10-1.

[2] Brune, W.: Die „andere“ Energiewende: Was kommt nach dem Strom? Energiewirtschaftliche Tagesfragen 61(2011),11, 15-17.

[3] Olah, G.A., Goeppert, A., Surya Prakash, G.K.: Beyond oil and gas: the methanol economy. Weinheim, Wiley VCH, 2006.

[4] Martin, F.J., Kubic, W.L.: Green Freedom. A concept for producing carbon-neutral synthetic fuels and chemicals. Los Alamos National Laboratory, LA-UR-07-7897. (Patent Pending)

[5] Brune, W.: Physikalische Klimamodelle. Leipzig: EAGLE, 2014. ISBN 978-3-937219-71-4.

 

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