Geopolitische Situation und Energie

Bevor wir uns mit der aktuellen und zukünftigen Energieversorgung beschäftigen, ist ein Blick auf die geopolitische Situation notwendig, weil fossilen Energien endlich sind und insgesamt die Potentiale für die Versorgung der steigenden Weltbevölkerung ausreichend sein sollten.

Das Netzwerk „Club of Rome“ hat bereits im Jahr 1972 in einem weltweit beachteten Bericht u.a. ausgeführt: „Wenn die gegenwärtige Zunahme der Weltbevölkerung, der Industrialisierung, der Umweltverschmutzung, der Nahrungsmittelproduktion und der Ausbeutung von natürlichen Rohstoffen unverändert anhält, werden die absoluten Wachstumsgrenzen auf der Erde im Laufe der nächsten 100 Jahre erreicht.“

Es wird nötig sein, dass ab dem Jahr 2020 in jedem Jahrzehnt der Ausstoß fossiler Energien halbiert wird. Damit im Jahr 2050 etwa 10 Mrd. Menschen ernährt und mit Energie versorgt werden können, muss zwingend auf eine nachhaltige Landwirtschaft übergegangen werden und eine Entkoppelung von Wohlstand zum Ressourcenverbrauch sichergestellt werden. Wir brauchen keine Veränderung unserer Wirtschaftssysteme, sondern unsere Volkswirtschaften müssen effizienter werden und wir müssen dafür sorgen, dass Märkte auch funktionieren. Der Wettbewerb muss gestärkt und wirtschaftliche Exzesse müssen unterbunden werden. Wir sollten doch alle eine gewisse Fantasie mitbringen, wie die deutlich steigende Ungleichheit in vielen Ländern zumindest tendenziell zurückgeführt werden kann. Etwa ein Prozent der Bevölkerung besitzen 50% des Weltvermögens. Wir werden sicherstellen müssen, dass sich das derzeitige Verhältnis ändert und zukünftig die reichsten 10% der Bevölkerung nicht mehr als 40% des Weltvermögens besitzen.

Die nachfolgende Grafik über die Entwicklung der Weltbevölkerung zeigt, dass z. Z. ca. 7 Mrd. Menschen auf der Erde leben und jährlich ca. 82 Millionen Menschen dazukommen.

Insbesondere muss sichergestellt werden, dass der Anteil der steigenden Weltbevölkerung ausschließlich mit erneuerbaren Energien versorgt wird. Deshalb wird im weiteren Verlauf diese Frage eine entscheidende Rolle spielen, wie wir nicht nur schrittweise auf Erneuerbare Energien übergehen, sondern bis zum Jahr 2050, besser bis 2042 sämtliche restlichen fossilen Energien dort lassen, wo sie jetzt sind – wohlbehütet im Innern unserer Weltkugel.

Quelle: UN-DESA, Projektion 2019, mittlere Variante

Die Deutsche Shell AG hat im Jahr 1999 die nachfolgende Grafik entwickelt. Der dort dargestellte Weltenergieverbrauch soll sich bis zu Jahr 2060 ergeben, wenn die Wachstumsraten weltweit hoch bleiben.

Dieses Szenario darf und wird nicht eintreten, insbesondere die hohen Zuwachsraten bei der Kohle müssen unbedingt vermieden werden. Auch Erdöl und Erdgas müssen zeitlich deutlich früher zurückgeführt werden. Insbesondere die Energieeffizienz und der Einsatz Erneuerbarer Energieträger wird dazu beitragen, dass mindestens 30% des dargestellten Weltenergiebedarfes im Jahr 2060 nicht benötigt wird.

Quelle: Deutsche Shell AG 1999

Mittlerweile ist deutlich geworden, dass die Studie der Deutschen Shell sich nicht bewahrheitet hat. In dieser Grafik wurde bereits für das Jahr 2020 ein Weltenergieverbrauch von ca. 25000 TWh vorausgesagt.

Wie die nachfolgende Grafik der Internationalen Energieagentur (IEA) zeigt, wurde im Jahr 2018 nur ein Primärenergieverbrauch von etwas mehr als 160000 TWh festgestellt; somit ca. 36 % weniger an Energie als in der Shell Studie für 2020 vorhergesagt.

Wenn man aus diese Grafik für das Jahr 2060 die Energieträger Kohle, Erdöl, Kernenergie und zum größten Teil auch Erdgas herausnimmt und Windenergie und Solarenergie verdoppelt, nähern wir uns der Realität.

Quelle: IEA

Abstrahlung der Sonne

Fast alle Möglichkeiten, die Sonnenenergie als Energiequelle zu nutzen werden bei der Energieerzeugung z.B. über Wind, Solarstrahlung und der Biomasse bereits realisiert. Wir können annehmen, dass die Sonne bereits seit 5 Mrd. Jahren scheint und dies mit hoher Wahrscheinlichkeit noch weitere 6 Mrd. Jahre tun wird. Deshalb lohnt es sich, einiges über diesen wichtigen Zentralkörper aus unserem Sonnensystem zu wissen und festzustellen, welche Größenordnungen an Energie von der Sonne auf die Erde treffen.

Dazu sind zunächst die Daten der Sonne wichtig:

• Sonnendurchmesser 1.391.320 km
• Sonnenumfang 4.370.960 km
• Sonnenoberfläche 6081 Billionen qkm
• Oberflächentemperatur der Sonne 5777 K

In der Sonne existiert ein exotherm arbeitender Kernfusions-Reaktor. Als Kernfusion werden Reaktionen bezeichnet, bei denen zwei Atomkerne (z.B. Wasserstoff) zu einem neuen Atomkern (Helium) verschmelzen.

Nach der Gleichung von Einstein:

E = m x c² (Energie = Masse x Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat)

wird bei der Abstrahlung von Energie ein Teil der Masse mitgenommen, wodurch eine Verringerung der Masse entsteht. Dieser Verlust wird Massendefekt genannt. Durch diesen Prozess verliert die Sonne in jeder Sekunde 4,3 Mio. t an Masse, womit auch die Endlichkeit der Sonnenstrahlung begründet liegt. Aus diesem Massendefekt lässt sich die Abstrahlung der Sonnenoberfläche mit 62,5 MW pro qm berechnen. Von dieser Abstrahlung erreicht die Erde insgesamt eine Strahlungsleistung der Sonne in einer Größenordnung von ca. 174.000 TWh/h. Da der Weltenergiebedarf etwa in der Größenordnung von 160.000 TWh/a liegt, strahlt die Sonne in einer Stunde mehr Energie auf die Erde als der derzeitige Weltenergiebedarf beträgt.

Die technische Nutzung der Kernfusion auf der Erde gelang bisher nur zu militärischen Zwecken, wie die Zündung der ersten Wasserstoffbombe im Jahr 1952 beweist. Bei einer zivilen Nutzung in einem Fusionsreaktor konnte bisher noch keine positive Energiebilanz nachgewiesen werden.

Szenarien für den Welt-Primärenergiebedarf

Zur zukünftigen weltweiten Entwicklung im Energiebereich werden regelmäßig Analysen, Studien und Szenarien vorgelegt. Dies sind hauptsächlich:

• Die Internationale Energieagentur (IEA)

Die IEA wurde von 16 Industrienationen, u.a. Deutschland im Jahr 1974 gegründet – sie hat ihren Sitz in Paris.

• Der World Energy Council (WEC)

Der WEC hat Mitgliedsausschüsse in 92 Ländern und 2 direkte Mitglieder. Der Sitz der WEC ist in London. Deutschland wird vertreten durch den Weltenergierat – Deutschland e.V. mit Sitz in Berlin.

Die vorgenannten Organisationen sind traditionell kernenergiefreundlich und konservativ dies gilt insbesondere im Hinblick auf den Ausbau der Erneuerbaren Energien. Es wird nach wie vor davon ausgegangen, dass die fossilen Energien noch auf Jahrzehnte eine dominierende Rolle bei der Deckung des globalen Energiebedarfs einnehmen.

Die Grafik basiert auf einen Artikel von Dr. Hans-Wilhelm Schiffer, Executive Chair oft the World Energy Resources Programme des World Energy Council und Leiter der Allgemeinen Wirtschaftspolitik/Wissenschaft bei der RWE AG, den er im Jahr 2016 in der Elektrizitäts-Wirtschaft veröffentlicht hat.

Die nachfolgende Grafik wurde vom World Energy Council (WEC) im April 2020 veröffentlicht.

Zur bildhaften Charakterisierung wurden bei der WEC drei Pfade mit Jazz (WEC, J) und Symphony (WEC, S), sowie Hard Rock (WEC, HR) benannt. Bei der Richtung Jazz liegt der Focus auf Bezahlbarkeit von Energie, bei wirtschaftlichem Wachstum. Bei Symphony auf dem Erreichen von Umweltschutzzielen und Versorgungssicherheit. Bei Hard Rock wird viel Wert auf Sicherheit der Versorgung und der Nutzung möglichst heimischer Quellen gelegt.

Quelle: World Energy Council und Weltenergierat Deutschland. Autoren: Dr. Hans-Wilhelm Schiffer und Burkhard von Kienitz

Im Gegensatz zu den aktuellen Diskussionen in Deutschland, bereits im Jahr 2045/2050 klimaneutral zu sein und die Erneuerbaren Energien massiv auszubauen, kommen die internationalen Energie-Fachverbände bezüglich der weltweiten Energie- und Stromversorgung zu völlig anderen Bewertungen.

Falls IEA und WEC auch nur im Ansatz Recht behalten, weil zum Beispiel in China und Indien riesige Zuwächse beim Energieverbrauch zu erwarten sind, wären die deutschen Bemühungen um Klimaneutralität im Ergebnis kaum substanziell und somit nicht gerechtfertigt.

Mit den dargestellten Zahlen wird klar, dass eine internationale Abstimmung über die zukünftige Weltenergieversorgung zwingend wird.

Szenarien für Welt-Stromerzeugung

Zur zukünftigen weltweiten Entwicklung im Energiebereich werden regelmäßig Analysen, Studien und Szenarien vorgelegt. Dies sind hauptsächlich:

• Die Internationale Energieagentur (IEA)

Die IEA wurde von 16 Industrienationen, u.a. Deutschland im Jahr 1974 gegründet – sie hat ihren Sitz in Paris.

• Der World Energy Council (WEC)

Der WEC hat Mitgliedsausschüsse in 92 Ländern und 2 direkte Mitglieder. Der Sitz der WEC ist in London. Deutschland wird vertreten durch den Weltenergierat – Deutschland e.V. mit Sitz in Berlin.

Die vorgenannten Organisationen sind traditionell kernenergiefreundlich und konservativ, was den Ausbau der Erneuerbaren Energien betreffen. Es wird nach wie vor davon ausgegangen, dass die fossilen Energien noch auf Jahrzehnte eine dominierende Rolle bei der Deckung des globalen Energiebedarfs einnehmen.

Quelle: Artikel von Dr. Hans-Wilhelm Schiffer in Elektrizitätswirtschaft im April 2016

Die Grafik basiert auf einen Artikel von Dr. Hans-Wilhelm Schiffer, den er als Mitarbeiter von IEA und hauptberuflich RWE im Jahr 2016 veröffentlicht hat.

Die nächste Grafik wurde von World Energy Council (WEC) und dem Weltenergierat Deutschland im Jahr 2020 veröffentlicht.

Zur bildhaften Charakterisierung wurden bei der WEC drei Pfade mit Jazz (WEC, J) und Symphony (WEC, S), sowie Hard Rock (WEC, HR) benannt. Bei der Richtung Jazz liegt der Focus auf Bezahlbarkeit von Energie, bei wirtschaftlichem Wachstum. Bei Symphony auf dem Erreichen von Umweltschutzzielen und Versorgungssicherheit. Bei Hard Rock wird viel Wert auf Sicherheit der Versorgung und der Nutzung möglichst heimischer Quellen gelegt.

Quelle: World Energy Council und Weltenergierat Deutschland.

Autoren: Dr. Hans-Wilhelm Schiffer und Burkhard von Kienitz

Im Gegensatz zu den aktuellen Diskussionen in Deutschland, bereits im Jahr 2045/2050 klimaneutral zu sein und die Erneuerbaren Energien massiv auszubauen, kommen die internationalen Energie-Fachverbände bezüglich der weltweiten Energie- und Stromversorgung zu völlig anderen Bewertungen.

Falls IEA und WEC auch nur im Ansatz Recht behalten, weil zum Beispiel in China und Indien riesige Zuwächse beim Energieverbrauch zu erwarten sind, wären die deutschen Bemühungen um Klimaneutralität im Ergebnis nicht gerechtfertigt.

Mit den dargestellten Zahlen wird klar, dass eine internationale Abstimmung über die zukünftige Weltenergieversorgung zwingend wird.

Weltweite Erzeugung von Photovoltaik- und Windanlagen (onshore) von 2009 bis 2019 und Folgerungen für die Produktion in Deutschland

Die veröffentlichten Zahlen zu weltweiten Anlagen der Photovoltaik und der Windenergie weisen in der Regel nur die Kapazitäten bzw. die elektrischen Leistungen aus. Die nachfolgenden weltweiten Kapazitäten, veröffentlichte die UN Environment in Paris unter dem Namen „Renewables 2020 Global Status Report“ bzw. REN21.

Um zu ungefähren Erzeugerzahlen zu kommen, hat der Autor bei der Photovoltaik einen weltweiten Schnitt von 1200 Volllaststunden (Vh) und bei der Windenergie 2200 Vollaststunden angenommen. Die Zahlen für Deutschland liegen im Jahr 2019 etwa bei 50 GW und bei der Windkraft etwa bei 62 GW. Dies korrespondiert mit der Erzeugung in Deutschland der Photovoltaikanlagen im Jahr 2019 von 46,5 TWh und bei der Windenergie mit 127,2 TWh.

Die Photovoltaik sollte in Deutschland in der Lage sein, in den nächsten 20 Jahren ihre Produktion zu vervierfachen und die onshore Windenergie dürfte eine Verdreifachung ihrer Produktion, bezogen auf das Jahr 2019 schaffen. Damit würde von der dann notwendigen Stromerzeugung von etwa 1000 TWh/a allein aus Wind onshore und Photovoltaik etwa 568 TWh/a sichergestellt.

Weltweite Kohlenstoffdioxid-Emissionen von 1990 bis 2018

Die nachfolgende Grafik spricht eine deutliche Sprache. Ohne die Haupt-Emittenten China und USA lässt sich die Klimaproblematik nicht lösen.

Um die Emissionen weltweit stark zu senken, werden Investitionen von einige Billionen Dollar notwendig. Damit verbunden sind natürlich neue Produktpreise, insbesondere von energieintensiven Industrien, die weltweit zu Konflikten führen können, wenn sich die Länder nicht auf ein neues Design bezüglich des Umfangs der Klimaneutralität der Produkte verständigen.

Der Weltklimarat IPCC hat im Jahr 2018 in einem Sonderbericht das CO₂-Restbudget mit 420 Gigatonnen bzw. 420 Mio. Tonnen angegeben, um das 1,5-Grad-Ziel mit einer Wahrscheinlichkeit von 66% zu erreichen. Bei gleichbleibendem weltweitem Ausstoß wäre diese Grenze in wenigen Jahren erreicht.

In der nachfolgenden Grafik sind weltweit gemessene Kohlendioxid-Emissionen bis 2018 dargestellt, sowie der voraussichtliche Peak im Jahr 2025 und die dann notwendigen massiven weltweiten Senkungen. Bereits diese Perspektive ist nicht ambitioniert, sondern nur eine Projektion auf eine wahrscheinliche Entwicklung bis zum Jahr 2050.

Weltweiter Trinkwasserbedarf und Behebung Wassermangel durch Meerwasserentsalzungsanlagen

Im Rahmen der Diskussionen um den Klimawandel wird immer wieder darauf hingewiesen, dass Trinkwasser weltweit sehr knapp werden könnte.

Die OECD geht davon aus, dass es bis 2050 mehr als 2,3 Mrd. Menschen in Gebieten leben, in denen Wasserknappheit herrscht. Es darf allerdings bezweifelt werden, dass für die thermische Stromerzeugung dieser große Zuwachs an Trinkwasser benötigt wird, weil die erneuerbaren Energien wie Wind und Photovoltaik diese Technik weitgehend überflüssig machen. Die in der Grafik dargestellten zusätzlichen Wassermengen werden aber nur durch den Einsatz von Fluss- und Meerwasseraufbereitungen zur Verfügung gestellt werden können.

Ein bewährtes Verfahren, um z.B. aus Meerwasser Trinkwasser zu produzieren besteht im Einsatz von Meerwasserentsalzungsanlagen bzw. in der Technologie der Umkehrosmose, wo über den Aufbau von hohen Wasserdrücken und dem Einsatz einer Membran das Konzentrat (Salz) von den Permeat (salzfreies Wasser) mittels Diffusion getrennt wird.

Die Umkehrosmose (RO für Reverse Osmosis) ist die weltweit dominierende Entsalzungstechnologie. Nach Jones wurden im Jahr 2019 täglich etwa 66 Mio. cbm Trinkwasser aus Brackwasser oder Meerwasser produziert.

Typische RO-Entsalzungsanlagen benötigen etwa 3 – 4 KWh/cbm an Strom. Dieser Strom kann gerade in wasserarmen Gebieten durch PV-Anlagen produziert werden.

Während heute noch spezifische Trinkwasserproduktionskosten von etwa einem Euro pro cbm für RO-Entsalzungsanlagen angenommen werden, dürfte dieser Wert bis zum Jahr 2050 auf etwa die Hälfte sinken.

In Deutschland beschäftigen sich eine ganze Reihe von Unternehmen mit der Umkehrosmose und zwar von der Produktion einzelner Elemente bis zum kompletten Anlagenbau großer Anlagen.