Die Nutzung erneuerbarer Energien
Thomas Seilnacht

Die Knappheit der Rohstoffe

Die bisherigen Energie- und Rohstoffquellen werden in absehbarer Zeit zur Neige gehen. Bei der absoluten Erschöpfung sind sämtliche Reserven verbraucht, bei der relativen Erschöpfung können die Bedürfnisse nicht mehr auf breiter Basis befriedigt werden. Nach dem amerikanischen Geologen M. King Hubbert (1903–1989) geht die Erdölförderung unumkehrbar zurück, sobald die Hälfte der Reserven gefördert wurde [Lit www.hubbertpeak.com]. Dieser Zeitpunkt wird als Peak Oil bezeichnet. Hubbert glaubte, dass dies um das Jahr 2008 erreicht wird. Studien der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) setzten im Jahr 2009 diesen Punkt zwischen 2030 und 2040 an [Literatur Bundeszentrale für politische Bildung 2009]. Einige Wissenschaftler meinen aber bereits im Jahr 2012, dass der Peak Oil erreicht ist [Lit Murray 2012, Bojanowski 2012]. Der Peak Oil wird von Wirtschaftsexperten gefürchtet, da danach ein massiver Preisanstieg folgen kann. Der steigende Preis kann aber auch dazu führen, dass bisher ungenutzte Ressourcen rentabel werden. 
    
Nach Schätzungen aus den 1980er-Jahren sollte ein Teil der metallischen Rohstoffe wie Gold, Silber, Kupfer, Zinn, Blei bis in das Jahr 2050 den Zeitpunkt der relativen Erschöpfung erreicht haben. Heute sieht man dies nicht mehr so pessimistisch. Um 1980 wurde nicht berücksichtigt, dass durch technische Verbesserungen die weltweiten Reserven immer besser ausgebeutet werden können. Durch das Recycling ist eine erhebliche Menge der metallischen Rohstoffe wieder nutzbar. Neuere Studien kommen zum Schluss, dass die relative Erschöpfung später anzusetzen ist [Lit Frondel/Schmidt 2007]. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass einige Studien interessengeleitet sind. So warnt die Industrie, die weiterhin auf fossile Energieträger setzt, vor übertriebener Panikmache, während andere Studien eine baldige Rohstoffknappheit in den nächsten Jahren prognostizieren. Einigkeit herrscht wohl darüber, dass die meisten Rohstoffe im 21. Jahrhundert knapp werden. Die Menschen verbrauchen jedes Jahr so viel Erdöl wie sich in einer halben bis einer Million Jahre auf der Erde gebildet hat [Lit Bundeszentrale für politische Bildung 2009]. Zu den sich erschöpfenden Rohstoffen gehört übrigens auch das Uran.

Die fossilen Energieträger werden in absehbarer Zeit zur Neige gehen.

Ökobilanz der Kernkraftwerke

Es wird häufig betont, dass Kernkraftwerke in Westeuropa nach technischem Verständnis als sicher gelten und dass sie klimafreundlich seien. Ist das wirklich so? Für einige Länder wie Frankreich erscheint die Kernkraft unverzichtbar, da bisher zu wenige alternative Versorgungssysteme zur Verfügung stehen.

Ein Druckwasserreaktor in Deutschland käme (bezogen auf das Jahr 2020) auf den scheinbar günstigen Wert von etwa 10,5 Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Billion Joule erzeugter Energie (Lit Gemis Version 5.1. siehe Diagramm weiter unten). In solchen Berechnungen werden jedoch bestimmte Aufwendungen nur teilweise berücksichtigt, nicht berücksichtigt ist der Aufwand für Zwischen- und Endlagerung, sowie für den Abbau der Anlagen. Fritsche hat gezeigt, dass es einen erheblichen Unterschied macht, ob man nur den erzeugten elektrischen Strom betrachtet oder ob man die Bruttobilanz von Strom und Wärme berücksichtigt, beispielsweise bei der Nutzung von Kraft-Wärme-Kopplung in einem Blockheizkraftwerk. Wenn man diese Gesamtbilanz betrachtet, schneidet ein Druckwasserreaktor in Deutschland nur wenig besser ab als ein modernes Blockheizkraftwerk (Lit Fritsche 2007). Die CO₂-Bilanz eines Kernkraftwerks hängt außerdem stark von den jeweiligen Rahmenbedingungen ab. In Russland oder den USA können die Emissionen der Gesamtbilanz höher sein, während sie in Frankreich niedriger liegen als in Deutschland. Je mehr Energie für den Abbau und die Aufbereitung der Uranerze benötigt wird, desto mehr Kohlenstoffdioxid entsteht in der Gesamtbilanz. Es ist daher entscheidend, woher das Uran stammt und wie groß die weltweit verfügbaren Ressourcen noch sind. Grundsätzlich wird die Ökobilanz aller Energieformen ungünstiger, wenn die dafür benötigten Rohstoffe knapper werden.

Die Katastrophen von Tschernobyl (1986) und Fukushima (2011) haben in Deutschland und auch in der Schweiz ein Umdenken ausgelöst. 2023 wurden die letzten drei deutschen Atomkraftwerke abgeschaltet. Nach dem Tohoku-Erdbeben in Japan mit einer Stärke von 9,0 und dem darauf folgenden Tsunami kam es im Atomkraftwerk Fukushima Daiichi zu schweren Reaktorunfällen. Durch Kernschmelzen in mehreren Reaktoren sowie durch Explosionen und Brände traten erhebliche Mengen radioaktiver Stoffe aus den Reaktoren und Abklingbecken aus. Es kam zu einer großräumigen radioaktiven Kontamination von Luft, Wasser und Boden. Ganze Städte mussten evakuiert werden. Nach Tschernobyl war dies der zweite Unfall der höchsten Stufe INES 7. Infolge der Katastrophe und der Evakuierungen von rund 160000 Menschen starben nach verschiedenen Untersuchungen etwa 2000 Menschen (Lit Fairlie 2015). Die Einwirkung erhöhter Radioaktivität und die Aufnahme der Hotpartikel durch Luft, Wasser und Nahrung können langfristige Auswirkungen auf die Gesundheit haben.

Extreme Sonnenstürme können Stromnetze erheblich stören. Bereits beim Carrington-Ereignis von 1859 kam es weltweit zu starken elektromagnetischen Effekten in den damaligen Telegrafennetzen. Ein sehr starker Sonnensturm könnte heute moderne Stromnetze beschädigen und länger anhaltende Stromausfälle verursachen. Ein solcher Ausfall könnte auch sicherheitsrelevante Systeme von Kernkraftwerken betreffen.

Ein oft zitierter Vergleich verdeutlicht ein weiteres Problem: Die bekannten Uranvorräte reichen – bei heutiger Nutzung – ungefähr für ein Jahrhundert, während die daraus entstehenden hochradioaktiven Abfälle über Zehntausende bis Hunderttausende Jahre sicher von der Umwelt isoliert werden müssen. Endlagerkonzepte beruhen zwar auf mehreren technischen und geologischen Barrieren, dennoch bleibt umstritten, wie zuverlässig solche Systeme über sehr lange Zeiträume funktionieren können und welche langfristigen Kosten daraus entstehen. Zwar wird erforscht, ob durch sogenannte Partitionierung und Transmutation langlebige radioaktive Isotope in kurzlebigere Stoffe umgewandelt werden können; ob solche Verfahren jemals im industriellen Maßstab technisch und wirtschaftlich realisierbar sein werden, ist jedoch weiterhin offen (Lit wissenschaft.de 2011). Da in Europa grundsätzlich das Prinzip gilt, dass radioaktive Abfälle in dem Land endgelagert werden müssen, in dem sie entstehen, stellt sich insbesondere für dicht besiedelte Länder wie Deutschland oder die Schweiz die Frage, ob ein erneuter Ausbau der Kernenergie langfristig sinnvoll wäre.

Neben klassischen Kernkraftwerken werden auch neue Reaktorkonzepte sowie die Kernfusion als mögliche zukünftige Energiequellen diskutiert. Ob kleine modulare Reaktoren oder Fusionskraftwerke jedoch jemals wirtschaftlich konkurrenzfähig sein werden, ist derzeit offen, da Bau, Betrieb und technische Komplexität sehr aufwendig sind und bislang kein wirtschaftlicher Dauerbetrieb nachgewiesen wurde.


Ökobilanz der Heizungen und der Stromversorgung in Haushalten

Die fossilen Energieträger wie Erdöl, Erdgas und Kohle tragen aufgrund ihrer Kohlenstoffdioxid-Emissionen den Hauptanteil am anthropogenen Treibhauseffekt. Das Diagramm verdeutlicht, dass die alternativen Energien günstiger abschneiden. Noch besser ist die Bilanz in Ländern, in denen die erneuerbaren Energieformen intensiv genutzt werden. In der Schweiz käme ein großes Wasserkraftwerk sogar auf einen Wert von nur 2,8 Tonnen pro Billion Joule erzeugter Energie. Berücksichtigt ist hierbei immer der gesamte Energieaufwand, der für die Produktion der Anlagen und der Energieträger notwendig ist.

Quelle: Berechnet mit Gemis Version 5.1 aus dem Jahr 2023

Derartige Vergleichszahlen sind mit Vorsicht zu bewerten. Es werden Kraftwerke mit kleineren Verbrauchern gegenübergestellt, die Angaben beziehen sich nur auf eine bestimmte Energie-Form wie Strom, Wärme oder Warmwasser, und sie gelten immer nur bezogen auf ein bestimmtes Land. Besonders bei der Photovoltaik sind Abweichungen möglich: Der Wert von 6,5 Tonnen pro 1 Billion Joule erzeugter Energie im Diagramm bezieht sich auf einen typischen Referenz-Standort in Deutschland. An einem Nordhang mit fehlender Wintersonne, bei falscher Ausrichtung des Hausdachs oder in Gegenden mit weniger Sonnenschein und mit viel Niederschlag und Hagel sinkt die energetische Bilanz, damit steigt auch die CO₂-Emission pro erzeugter Energieeinheit.

Beim Heizen mit Holzpellets erscheint der Wert günstig, weil bei der Produktion – nach der Theorie – Kohlenstoffdioxid verbraucht wird. Beim Verbrennen der Holzpellets werden aber auch Feinstaub und die klassischen Abgase und Giftstoffe der Holzverbrennung produziert. Dann kommt es auch darauf an, wo die Holzpellets produziert werden. Der oben genannte Wert bezieht sich auf die Produktion in deutschen Wäldern in der Nähe des Endverbrauchers. Wenn die Pellets durch halb Europa transportiert werden müssen, ist die Ökobilanz ungünstiger. Auch Holzressourcen sind begrenzt: Die gute Ökobilanz für das Heizen mit Holzpellets funktioniert unter der Annahme nachhaltiger Forstwirtschaft und der Nutzung von Restholz.

Die Wärmepumpen werden zunehmend klimafreundlicher, wenn der dafür notwendige Strom entsprechend klimaneutral produziert wird, zum Beispiel mit Photovoltaik, Windkraft oder mit Wasserkraft. Im Vergleich zu 2020 könnte bis in das Jahr 2050 der Emissionswert der CO₂-Ökobilanz im Kraftwerksmix bei Wärmepumpen auf ein Zehntel fallen. Bei einer Photovoltaikanlage auf dem Hausdach, die die Wärmepumpe unterstützt, sinkt der Wert sofort deutlich.
 
Regenerative Energiequellen wie die Solarenergie, die Wind- und Wasserkraft, die Erdwärme, die Bioenergie oder die durch Gezeiten erzeugte Energie erschöpfen sich nicht oder sie erneuern sich in kurzen Zeiträumen von selbst. Die Sonnenenergie weist im Vergleich zu den fossilen Energieträgern bei einigen Parametern eine günstigere Ökobilanz aus. Allerdings werden metallische Rohstoffe wie Kupfer oder Silicium benötigt, die unter erheblichem Energieaufwand gewonnen werden müssen. Bei der Kupfer-Raffination oder bei der Produktion von Halbleitermaterialien fallen giftige Schwermetalle an, die aber weiterverarbeitet werden können. Nicht ganz unproblematisch ist auch das Cadmium, allerdings wird dieses giftige Schwermetall bei Solarzellen nur in stabilen Legierungen in ganz dünnen und versiegelten Schichten eingesetzt.

Es ist zu bedenken, dass auch Metalle wie Kupfer oder Tellur einer absehbaren Rohstoff-Erschöpfung unterliegen. Die Metalle können aber in einem Recyclingprozess wiedergewonnen werden. Da Silicium aus Quarzsand hergestellt wird, ist dieser Rohstoff ausreichend vorhanden. Problematischer erscheint dagegen die langfristige Sicherstellung der typischen Halbleitermetalle wie Gallium oder Indium. Die Zuwendung zu den erneuerbaren Energien schafft auch neue Abhängigkeiten bei den Rohstoffen: Bedeutende Erzlagerstätten zur Gewinnung von Platinmetallen und der Seltenen Erden befinden sich in Russland und in China. Diese Metalle sind vor allem für die elektronischen Bauteile und die Computer unverzichtbar.

Es können auch Solarmodule gebaut werden, die nur noch einen geringen Anteil an metallischen Rohstoffen benötigen. Verwirklicht ist dies beispielsweise in der Farbstoffsolarzelle, die der deutsch-schweizer Chemiker Michael Grätzel an der EPFL in Lausanne entwickelte und dafür 1992 ein Patent erhielt [Lit Graetzel 2006].  Auch die Dünnschicht-Solarzellen mit amorphem Silicium oder mit Cadmiumtellurid zählen dazu. 

Jährlich gelangt durch die Sonne eine Energiemenge von 1,08×10¹⁸ Kilowattstunden auf die Erdoberfläche [Lit Quaschnig 2009]. Theoretisch würde dies ausreichen, um fast das Zehntausendfache des Weltenergieverbrauchs zu decken. Um den gesamten Energiebedarf Deutschlands durch Solarzellen zu decken, wären riesige Flächen notwendig, die mehrere deutsche Bundesländer zusammen einnehmen würden. Derartige Flächen stehen in Deutschland nicht zur Verfügung. In der Schweiz wäre dies aufgrund der dichten Besiedlung im Flachland noch problematischer. Allerdings könnte ein Anteil durch eine dezentrale Versorgung auf den Hausdächern abgedeckt werden. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass Umwandlungs- und Verteilungsverluste, beispielsweise beim Transport über lange Leitungen, erheblich minimiert werden. 

Ein weiterer Nachteil der Sonnenenergie ist die fehlende Stetigkeit der Sonnenscheindauer und der Strahlungsintensität. Nachts liefert die Sonne keine Energie. Die Sonne scheint in unseren Breitengraden nur etwa 1300 bis 1900 Stunden pro Jahr. Im Winter ergeben sich zusätzlich Probleme, da die Sonne dann einen flachen Einfallswinkel hat und weniger Energie spendet. Durch die tiefen Temperaturen wird mehr Heizenergie benötigt. Dem vermehrten Energiebedarf im Winter steht weniger verfügbare Strahlungsenergie durch die Sonne gegenüber:

Quelle: In Anlehnung an Solar-Wasserstoff Bayern GmbH.

Für kleinere Anwendungen in Geräten eignen sich zum Speichern Doppelschicht-Kondensatoren mit hoher Kapazität. Diese sogenannten Goldcaps können relativ schnell geladen werden [Literatur und Experimente dazu: Stempel 2010]. Große Einheiten mit Lithiumionen- oder Lithiumphosphat-Akkus können die produzierte Strommenge vom Hausdach eines ganzen Tages speichern. Sie haben einen hohen Anschaffungspreis im fünfstelligen Bereich. Eine andere Speichermöglichkeit besteht darin, Wasser aufzuheizen und dieses in einem Wärmespeicher aufzubewahren. Allerdings wäre es eine Illusion zu glauben, dass man mit den Solarzellen auf dem Hausdach die komplette Heizung im Winter betreiben kann. Dafür liefern die Solarzellen in Mitteleuropa auf dem Hausdach einfach zu wenige Kilowattstunden im Winter. Photovoltaik kann einen Teil des Energiebedarfs eines Gebäudes decken. Wie groß dieser Anteil ist, hängt jedoch stark davon ab, wie hoch der Energiebedarf des Gebäudes überhaupt ist, etwa durch Dämmung und Gebäudeeffizienz.

Für die praktische Nutzung der Sonnenenergie gibt es mehrere Möglichkeiten. Bei der Solarthermie dient absorbierte Wärme zum Heizen der Raumluft oder des Wassers. Bei der Photovoltaik wird mit Hilfe einer Solarzelle elektrischer Strom erzeugt. Der gewonnene elektrische Strom kann auch zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Brennstoffzellen sind für die Wasserstofftechnologie von Bedeutung. Alternative Energiekonzepte für die Zukunft setzen auf einen kombinierten Ausbau der Solarenergie, der Wasserkraft, der Windkraft, der Bioenergie und der Geothermie, bei der die Energie aus Erdwärme gewonnen wird [Lit Greenpeace 2011]. Dies könnte die Situation in der Zukunft erheblich entschärfen. Jeder Konzern und jeder Kleinbetrieb kann vom Aufbau dieser neuen Technologien profitieren. Es ist also nicht eine Frage der Ideologie, sondern eine Entscheidung der Vernunft im Hinblick auf die eigene Zukunft.


Ökobilanz der Fortbewegungsmittel

Betrachtet man die Ökobilanzen der Kohlenstoffdioxid-Emissionen für den nationalen Durchschnitt bei einem Mittelklasse-PKW, zeigt sich, dass das Elektroauto günstiger als ein Benziner abschneidet, da der Strom aus einem Energiemix erzeugt wird, bei dem die regenerativen Energien einen bedeutenden Anteil haben. Allerdings hat das Elektroauto einen Pferdefuß: Die Produktion der Batterien und vor allem der Abbau der dafür notwendigen Lithiumerze in Bolivien, Chile und Argentinien belastet die Ökobilanz des Elektroautos erheblich. Für das Elektroauto spricht aber ganz klar die Verringerung der Abgasemissionen in den Städten. Total emissionsfrei ist es auch nicht: Bei einem Elektroauto erzeugt die Reibung der Reifen auf dem Asphalt mehr Feinstaub als die Reifen des Autos mit Verbrennungsmotor. Die Gründe dafür sind im höheren Fahrzeuggewicht durch die Batterie, im starken Drehmoment bei der Beschleunigung und bei den breiteren Reifen zu suchen.

Quelle: Berechnet mit Gemis Version 5.1 aus dem Jahr 2023

Interessant ist auch, dass ein Nahverkehrsbus, der mit einem Ottomotor (und Katalysator) betrieben wird, mit dem elektrisch betriebenen PKW konkurrieren kann. Dies liegt vor allem daran, dass im Bus viele Personen auf einmal mitfahren. Der PKW schneidet auch deshalb so schlecht ab, weil oft nur eine Person darin fährt. Die mit Abstand beste Ökobilanz weist die elektrifizierte Bahn im Fernverkehr auf. Der Strom für die Fernzüge wird überwiegend aus regenerativen Energiequellen gewonnen. Deshalb jeden Bürger zum Fahren mit der Bahn zu verpflichten und das Auto zu verbieten wäre auch nicht richtig. Die Corona-Pandemie hat aufgezeigt, dass das Reisen in Verkehrsmitteln mit vielen Personen auf einmal besonders für ältere Menschen und für bestimmte Risikogruppen gefährlich sein kann. In den ländlichen Gebieten ist das Auto unverzichtbar und Mobilität ist ein persönliches Grundrecht in einem demokratischen Staat.


Spannungsfelder bei der Umsetzung der Energiewende

Problematisch sind staatlich verordnete Zwangsmaßnahmen, die zu gesellschaftlichen Konflikten führen und soziale Ungerechtigkeiten erzeugen. Viele Ein- oder Zweifamilienhäuser sind mit Krediten finanziert. Die meisten Rentner haben zwar ein abbezahltes Haus, aber dafür keine finanziellen Reserven, um eine Wärmepumpe einzubauen. In Deutschland heizte im Jahr 2025 noch rund die Hälfte aller Haushalte mit Gas und ein Fünftel mit Öl. Ein Verbot dieser Heizungen oder eine damit verbundene Sanierungspflicht mit Dämm-Maßnahmen ist sehr teuer und kann von vielen Hausbesitzern nicht finanziert werden. Dies führt unweigerlich dazu, dass die Eigenheime aus dem Familienbesitz verkauft werden müssen und das Eigentum sich zunehmend bei den großen Immobilienfirmen konzentriert. Die Mieten steigen, die Schere zwischen arm und reich vergrößert sich immer mehr.

Ein totales Verbot von Otto- und Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen erscheint fragwürdig. Es kann für bestimmte Anwendungen absolut notwendig sein, dass ein Motor mit Benzin oder Gas betrieben wird. Dies gilt vor allem für wichtige Transporte von Personen und Gütern oder für Fahrzeuge mit Spezialanwendungen, vor allem aber auch für Rettungsfahrzeuge im Krisen- oder Kriegsfall, wenn zum Beispiel die Stromnetze beschädigt sind.

Wenn Mobilität und Wärmeversorgung weitgehend elektrifiziert sind, steigt die Abhängigkeit von einer stabilen Stromversorgung. Ein großflächiger und länger andauernder Stromausfall – etwa infolge eines extremen geomagnetischen Sonnensturms – könnte erhebliche gesellschaftliche und wirtschaftliche Folgen haben. Der Krieg in der Ukraine ab 2022 hat die Verwundbarkeit der Energieversorgung deutlich gemacht. Neben der früheren Abhängigkeit von russischem Gas entstehen neue Abhängigkeiten, zum Beispiel von Rohstoffen, die größtenteils außerhalb Europas gefördert werden.

Leider wird oft auch nicht berücksichtigt, welche wirtschaftlichen Effekte ein länderspezifisches Verbot der fossilen Energieträger global auslöst. Durch die geringere Nachfrage sinken die Öl- und Gaspreise, was wiederum dazu führt, dass Länder, die weiterhin diese Energieträger nutzen, vermehrt die Rohstoffe dafür einkaufen. Das Problem dabei ist, dass alle mitmachen müssten und Alleingänge eher kontraproduktiv sind.

Die Energiewende kann in einem demokratischen Staat nur gelingen: Der Begriff „klimaneutral“ ist missverständlich. Energieversorgung erfordert stets Ressourcen und Infrastruktur. Technischer Fortschritt kann zwar die Umweltbelastung deutlich verringern, doch physikalische Gesetzmäßigkeiten und wirtschaftlich-politische Rahmenbedingungen lassen sich nicht umgehen. Vielleicht müssen wir daher auch etwas bescheidener leben.


Arbeitsaufgaben
1. Nenne mindestens fünf Kriterien, die bei der Wahl zukünftiger Energieformen besonders wichtig sein sollten und begründe.
2. Stelle in einer Tabelle in Stichwörtern dar, welche Vor- und Nachteile die genannten Energieformen haben.
3. Worin siehst du eine sinnvolle Lösung für die zukünftige Energieversorgung? Begründe ausführlich.


Weitere Informationen
Erneuerbare Energien 
Leinöl und nachwachsende Rohstoffe 
Treibhauseffekt 
Vom Quarz zum Mikrochip  
 
Literaturquellen 
Literaturverzeichnis