Wasserstoff und Brennstoffzellen

2.1 Energiebedarf

Es stellt sich die Frage, wie in den folgenden Jahren und Jahrzehnten der gesamte Energiebedarf der Erde gedeckt werden kann.

Ein entscheidender Faktor, der sehr eng mit dem Energiebedarf verknüpft ist, ist das Bevölkerungswachstum. Die Weltpopulation nimmt seit den ersten Schritten des Homo sapiens stetig zu. Bis zum Jahr 2050 soll die Weltpopulation bei fast 9 Mrd. Menschen liegen. Das ist dreimal so viel wie noch vor 100 Jahren.

In gleichem Maße, wie die Anzahl der Menschen auf diesem Planeten zunimmt, steigt auch die benötigte Energiemenge. Allein mit Holz können sich aber schon lange nicht mehr alle Menschen versorgen. Immer mehr Energie in vielen unterschiedlichen Erscheinungsformen ist daher notwendig, um in der heutigen Zeit überleben zu können.

Darüber hinaus nimmt auch der Energiebedarf pro Person stetig zu. Speziell in Zeiten der Globalisierung, in denen der Wunsch nach mehr Mobilität die Kilometerleistung aller Fahrzeuge in die Höhe treibt, wird immer mehr Energie von jedem Einzelnen benötigt.

Diese beiden Aspekte gehen einher mit der weltweit fortschreitenden Industrialisierung. Die Millionenbevölkerungen Indiens und Chinas fordern ebenso ihr Recht auf mehr Mobilität und bessere Energieversorgung wie die Bewohner der Industriestaaten. Mit dem gleichen Recht, das Amerikaner und Europäer für sich in Anspruch nehmen frei und unabhängig zu sein, steht auch jedem anderen Menschen das Recht auf Mobilität und damit auf ein Fortbewegungsmittel inklusive der benötigten Energie zu.

Zurzeit ist es so, dass der gesamte Verkehrssektor (inklusive Gütertransport sowie Flugzeug- und Schiffsverkehr) fast die Hälfte des weltweit geförderten Erdöls verbraucht. Es wird geschätzt, dass sich die Gesamtzahl aller Kraftfahrzeuge von derzeit rund 800 Mio. bis zum Jahr 2030 mehr als verdoppelt. Dies bedeutet, dass die globale Autoflotte derzeit prozentual doppelt so schnell wächst wie die Weltbevölkerung. Im Flugsektor wird mit einer Steigerungsrate von jährlich 5 Prozent gerechnet. Das entspricht einer Verdopplung der zurückgelegten Flugmeilen innerhalb von 15 Jahren.

Diese weltweit anwachsenden Fahrzeugzahlen und steigenden Kilometerleistungen werden den Energiebedarf weiter erhöhen. Darüber hinaus werden derzeit so viele großmotorige Autos gekauft wie nie zuvor. Da hilft es auch nichts, dass der Kraftstoffverbrauch pro zurückgelegtem Kilometer bei einigen wenigen neuen Kleinwagen gesenkt werden konnte. Die in der Vergangenheit in einzelnen Bereichen erzielten Effizienzsteigerungen werden sofort wieder von einer immer umfassender werdenden Kfz-Sonderausstattung (z. B. Klima-Anlage, Navigationssystem usw.) aufgefressen.

Über die Jahre gesehen hat sich der gesamte Mineralölverbrauch dadurch von 1960 bis zum Jahr 2000

• in den USA mehr als verdoppelt,

• in Europa mehr als vervierfacht,

• im pazifischen Raum versechsfacht.

Es wird weltweit mit einem weiter wachsenden Energiebedarf gerechnet. In der Zeit von 2000 bis 2010 wird die jährliche Steigerungsrate voraussichtlich bei 1,2 Prozent liegen, in den Jahren 2010 bis 2030 bei 0,7 Prozent [Höhlein, 2004].

Dabei muss berücksichtigt werden, dass zwischen den Industrie- und den Entwicklungsländern ein krasses Missverhältnis besteht bezüglich Energieverbrauch und Bevölkerungsanteil (s. Abb. 1).

Die westliche Welt verbraucht mehr als die Hälfte der weltweiten Energievorkommen, wobei sie lediglich ein Siebtel der Weltbevölkerung repräsentiert. Die USA stellen beispielsweise lediglich 5 Prozent der Weltbevölkerung, konsumieren aber 26 Prozent des Rohöls. [Rifkin, 2002]

ABB. 1: UNTERSCHIED ZWISCHEN INDUSTRIE- UND ENTWICKLUNGSLÄNDERN

Energiebedarf und Bevölkerungsanteil

Quelle: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft

Umso erschreckender ist es, dass die Effizienz im Energiesektor auf der gesamten Erde gerade mal bei 10 Prozent liegt. 90 Prozent der eingesetzten Energie geht demnach größtenteils in Form von Abwärme verloren. Selbst in technologisch hoch entwickelten Nationen wie Deutschland liegt der durchschnittliche Nutzungsgrad bei gerade mal 30 Prozent. Ein wesentlicher Teil der zukünftigen Energiepolitik wird deswegen der unbedingt notwendigen Effizienzsteigerung zukommen.

2.2 Heutige Energiequellen

Wie soll der stetig zunehmende Energiebedarf zukünftig gedeckt werden? Die Beantwortung dieser Frage wird von Tag zu Tag schwieriger, weil allein eine Steigerung des Wirkungsgrades noch nicht ausreicht.

Bei der Betrachtung der heutigen Energieversorgung, wie sie im Folgenden dargelegt werden soll, muss zunächst darauf hingewiesen werden, dass beim Energieverbrauch generell unterschieden werden muss zwischen dem gesamten Primärenergieverbrauch und dem Stromverbrauch.

2.2.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland

Zurzeit nehmen in Deutschland die fossilen Energieträger den größten Anteil bei den Energiequellen ein (s. Tab. 1). Deren Anteil am gesamten Energieverbrauch liegt bei insgesamt 85 Prozent.

Der größte prozentuale Anteil am Primärenergieverbrauch wird in Form von Mineralöl (fast 40 Prozent) bereitgestellt. An zweiter Stelle folgt Kohle (Braun- und Steinkohle zusammen) und dahinter Erdgas sowie Kernenergie.

In den vergangenen Jahren hat es deutliche Veränderungen beim Energiemix gegeben. Erdgas konnte seinen Anteil innerhalb von 12 Jahren um rund 35 Prozent vergrößern, während der Anteil von Braunkohle fast um die Hälfte abgenommen hat. Entgegen dem langfristigen Negativtrend konnte jedoch die deutsche Braunkohle-Industrie in den letzten 2 Jahren wieder einen leichten Zuwachs verzeichnen. [Debriv, 2003]

Die Bereiche Mineralöl und Kernenergie haben zwar von 1990 bis 2000 jeweils gut 3 Prozent gewonnen, in den Jahren 2001 und 2002 ging deren Anteil aber wieder leicht zurück.

Insgesamt kann festgehalten werden, dass in Deutschland zunehmend mehr gasförmige und weniger feste Energieträger eingesetzt werden. Diese Entwicklung ist vor allem durch die weiter voranschreitende Substitution der Kohle durch Erdgas zu erklären, die unter anderem auf den fortschreitenden Umbau der Industrie in den neuen Bundesländern zurückzuführen ist.

TAB. 1: PRIMÄRENERGIEVERBRAUCH IN DEUTSCHLAND

[in %]

Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen

ABB. 2: ENTWICKLUNG DER ENERGIEBEREITSTELLUNG AUS ERNEUERBAREN ENERGIEN UND DES ANTEILS AM PRIMÄRENERGIEVERBRAUCH (PEV) IN DEUTSCHLAND

Quelle: F. Staiß, Jahrbuch Erneuerbare Energie 2002/03

Während der Gesamt-Energieverbrauch stagniert beziehungsweise geringfügig zurückgeht, nimmt der Anteil von erneuerbaren Energien (EE) am gesamten Primärenergieverbrauch (PEV) seit mehreren Jahren auf niedrigem Niveau weiter zu (s. weiss gestrichelte Linie in Abb. 2).

Der stetige Aufwärtstrend, der lediglich im Jahr 1996 (Liberalisierung des deutschen Strommarktes) einen Aussetzer verbuchen musste, dauert mittlerweile über 10 Jahre an. Zunächst verlief dieser Anstieg infolge der Einführung des Stromeinspeisegesetzes (im Jahr 1991) eher langsam, seit 1999 jedoch recht zügig. Dies lag unter anderem an der Einführung des 100.000-Dächer-Solarstromprogramms (1999) und des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG, 2000).

Die erneuerbaren Energien machten im Jahr 2002 etwa 2,9 Prozent am Primärenergieverbrauch aus. Bis 2010 sollen daraus gemäß der Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetzes 4,2 Prozent, bis 2020 etwa 10 Prozent werden.

2.2.2 Stromverbrauch in Deutschland

Der Hauptanteil der Stromproduktion wird in Deutschland von den 18 inländischen Kernkraftwerken übernommen (Stade wurde im Herbst 2003 abgeschaltet). Sie liefern rund ein Drittel der insgesamt benötigten Elektrizität. Insgesamt lieferten die deutschen Stromversorger im Jahr 2002 rund 504 Milliarden Kilowattstunden Strom (inkl. der Einspeisung von privater Seite). Davon exportierten die Stromerzeuger rund 45,5 Milliarden Kilowattstunden, während sie 46,2 Milliarden Kilowattstunden importierten.

Auf die erneuerbaren Energien entfielen bei der Stromversorgung im Jahr 1990 erst rund 3,5 Prozent, während es im Jahr 2002 bereits fast 9 Prozent waren und bis 2010 nach Willen der Bundesregierung 12,5 Prozent werden sollen. Allein der Anteil von Windkraft an den erneuerbaren Energien lag 2002 bei rund 35 Prozent (s. Tab. 3).

Der Anteil von Solarstrom (Photovoltaik, Abk.: PV) ist nach wie vor relativ gering, obwohl in den letzten 10 Jahren aufgrund der hohen Wachstumsrate in diesem Sektor (etwa 50 Prozent) beträchtliche Flächen mit PV-Modulen bestückt werden konnten. Dieser Anstieg ist jedoch vornehmlich ein Wachstum auf niedrigem Niveau, so dass der Anteil am Gesamtverbrauch gering bleibt.

Windkraft konnte in den letzten Jahren zulegen, während der Anteil der Bioenergie leicht abgenommen hat. Auch im Bereich der Wasserkraft ging es im Jahr 2003 geringfügig zurück. Dies lag unter anderem an Ausfällen von überalterten Anlagen, die nur vereinzelt durch neuere ersetzt wurden.

Wasserkraft ist derzeit der wichtigste regenerative Stromlieferant mit einem Anteil von über 50 Prozent. Da die große Wasserkraft (> 5 Megawatt installierter Leistung) in der ursprünglichen Version des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) unberücksichtigt geblieben ist, war hier kein entsprechender Anstieg wie bei den anderen nachhaltigen Energietechniken zu verzeichnen. Dieses Manko ist allerdings in der Novellierung des EEG behoben worden.

Als weiterer einschränkender Faktor kommt für diesen Sektor hinzu, dass die Standortpotentiale weitestgehend ausgeschöpft sind, so dass zukünftig der Schwerpunkt auf kleinen Wasserkraftwerken (z. B. Laufräder) liegen wird.

TAB. 2: ANTEILE AN DER STROMERZEUGUNG 2002

Quelle: VDEW

TAB. 3: ZUSAMMENSETZUNG DES EE-ANTEILS AM GESAMTEN STROMVERBRAUCH

Quelle: VDEW

Bis zum Jahr 2010 kann damit gerechnet werden, dass der Windanteil am grünen Strom 50 Prozent betragen wird. Dies würde bedeuten, dass die Spitzenposition der Wasserkraft bis dahin von der Windkraft übernommen wird. Obwohl die Wachstumsrate bei den Windrädern nicht mehr wie bisher (1990 bis 2001) 60 Prozent beträgt, wird sie voraussichtlich noch bei 10 bis 20 Prozent liegen. Ein ebenfalls großes Potential wird der Bioenergie zukommen, deren Anteil von heute 8 Prozent (ohne Müll) an der regenerativen Energie voraussichtlich auf rund 22 Prozent im Jahr 2010 anwachsen wird. [Husemann, 2003]

Einen maßgeblichen Anteil am Zuwachs des nachhaltig hergestellten Stroms könnte die Nutzung dieses so genannten Ökostroms darstellen, wenn er auch in privaten Haushalten vermehrt eingesetzt werden würde. Die Akzeptanz ist zwar bereits heute durchaus gegeben (60 bis 70 Prozent der Haushalte wären Umfragen zufolge theoretisch bereit, mehr für Strom aus erneuerbaren Energien zu zahlen.), es hapert jedoch noch an der praktischen Umsetzung. Der Marktanteil von Ökostrom liegt heute lediglich bei einem Prozent, weil viele Kunden immer noch den tatsächlichen Wechsel scheuen. Würde jedoch der Ökostromanteil zunehmen, würde auch mehr Geld in den Bau neuer Anlagen investiert werden können.

ABB. 3: STROMERZEUGUNG AUS ERNEUERBAREN ENERGIETRÄGERN

Prognose 2010

[Husemann, 2003]

Nach der Liberalisierung des Strommarktes war ursprünglich mit deutlich höheren Quoten gerechnet worden. Die langfristigen Prognosen gehen aber auch weiterhin trotz dieser trägen Entwicklung von bis zu 20 Prozent bei Haushaltskunden aus. Die Energieversorger hoffen dabei auf die Unterstützung des Bundes, der seinerseits künftig vermehrt öko-zertifizierten Strom nutzen will und dies auch bereits bei der Versorgung des Bundesumweltministeriums realisiert hat.

2.2.3 Welt-Energieversorgung

Aufgrund der unterschiedlichen regionalen Begebenheiten ist die Energieversorgung in den verschiedenen Ländern der Welt sehr stark von den natürlichen Energievorkommen und geographischen Erscheinungsformen geprägt. Island verfügt beispielsweise über Thermalquellen (Geothermie), während in Kanada die Wasserkraft und in Chile die Windenergie entscheidende Rollen übernehmen.

Den größten Beitrag zur gesamten Primärenergieversorgung weltweit trägt nach wie vor das Erdöl bei (etwa 41 Prozent). An zweiter Stelle folgt die Steinkohle, die rund ein Fünftel des Weltenergiebedarfes und etwa ein Drittel des Strombedarfes abdeckt. Bei der Stromversorgung ist damit die Steinkohle der wichtigste Energielieferant. Nach Erdgas und Kernenergie ist die Wasserkraft ein weiterer wichtiger Stromlieferant, der rund ein Fünftel (ca. 19 Prozent) der Energie beisteuert.

TAB. 4: STROMERZEUGUNG WELTWEIT AUS REGENERATIVER ENERGIE

[Witt, 2003]

Bei den regenerativen Energien ist die Situation derzeit noch etwas verhalten. Der Beitrag zur Deckung der weltweiten Energienachfrage liegt momentan bei rund 13 Prozent bezogen auf den gesamten Primärenergieverbrauch. Außer bei der Wasserkraft, die bereits wesentlich zur Stromerzeugung beiträgt, ist die Bedeutung der anderen erneuerbaren Energielieferanten insgesamt recht niedrig (s. Tab. 4).

2.3 Begrenzte zeitliche Verfügbarkeit

Da die fossilen Energieträger den größten Anteil am Energieverbrauch haben und der Energieverbrauch stetig zunimmt, ist absehbar, dass die natürlichen Vorkommen dieser Energieträger immer weniger werden. Allein die USA verbrauchen pro Tag rund 24 Mio. Barrel Öl (Importanteil: 9 Mio. Barrel). Deswegen wird immer wieder die Frage aufgebracht: Wie lange halten die Reserven noch?

Die Diskussion über die Bezifferung der zeitlichen Verfügbarkeit dieser Öl-, Gas- und Kohlevorkommen ist ein fortwährender Kampf unterschiedlicher Interessengruppen. Vertreter der Mineralölindustrie behaupten seit Jahren, es seien ausreichend Ressourcen vorhanden und in absehbarer Zukunft (50 Jahre) würde kein Mangel entstehen. Schließlich würden immer wieder neue Vorkommen entdeckt. Hinzu kommt, dass nach und nach auch jene Vorkommen unter wirtschaftlichen Aspekten ausgebeutet werden können, deren Förderung bisher zu aufwändig und damit zu teuer gewesen sind (Beispiel: Ölsande in Kanada). Je höher der Ölpreis, desto eher lohnt sich der Abbau auch dieser Reserven.

Dem halten diverse Umweltverbände und einige Wissenschaftler entgegen, in der nächsten Zeit (10 bis 20 Jahre) würden die Reserven drastisch abnehmen. Das Fördermaximum von Öl soll irgendwann im Zeitraum 2020 bis 2040 erreicht sein. [Rifkin, 2002] Von besonderer Bedeutung war daher zur Jahreswende 2003/2004 die Neubewertung des Mineralölkonzerns Shell, der nach eigenen Aussagen seine Reserven falsch eingeschätzt hatte und die Mengenangabe zunächst um ein Drittel und im Frühjahr 2004 nochmals um mehrere Prozent reduzieren musste.

Wer in dem Streit um die Verfügbarkeit letztlich Recht oder Unrecht hat, ist schwer zu sagen und soll an dieser Stelle nicht erörtert werden. Es bleibt auf jeden Fall eine unbestreitbare Tatsache, dass sich die Menge der natürlichen Energieträger mit jedem Tag verringert, an dem auch nur ein Fahrzeug mit Benzin fährt oder ein Haus mit Kohle geheizt wird.

Die Frage muss demnach nicht lauten, wie lange die Vorkommen tatsächlich noch reichen werden. Statt dessen sollte sich jeder Einzelne fragen, wie die noch existierenden Primärenergieträger im Sinne einer nachhaltigen Handlungsweise verantwortungsvoll und bewusst eingesetzt werden können.

Mineralöl gilt als so genannter „hochwertiger Energieträger“, weil es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. Deswegen spielt die Überlegung eine wichtige Rolle, ob es für die Verfeuerung in Heizkesseln oder den Antrieb von Kraftfahrzeugen nicht einfach zu schade ist, gerade weil es nicht endlos viel davon gibt.

Erdgas nebst diversen Folgeprodukten (z. B. Propan, Butan) ist genau wie Mineralöl ein endlicher, fossiler Primärenergie-Träger, wobei er als nicht ganz so hochwertig angesehen wird. Die Vorteile von Gas gegenüber dem so genannten „flüssigen Gold“ sind im Wesentlichen:

• es ist etwas umweltfreundlicher,

• die zeitliche Verfügbarkeit ist länger und

• es kann als Übergangsprodukt fungieren für eine noch zu realisierende Wasserstoffwirtschaft.

Heute gesammelte Erfahrungen mit diesem Gas könnten in einigen Jahren bei der Anwendung von gasförmigem Wasserstoff als Energieträger genutzt werden.

Ungeachtet dieser Diskussion um die begrenzte zeitliche Verfügbarkeit der fossilen Energieträger ist ein Wechsel zu anderen Energieträgern auch ohne dieses Argument sinnvoll. Man kann also sagen, dass die Mineralöl-Zeit ohnehin abgelaufen ist.

2.4 Umweltbelastung

Die Diskussion über den Energieverbrauch sowie die Verfügbarkeit der fossilen Energieträger beinhaltet auch die Diskussion über die Umweltbelastung. Was aber bedeutet eigentlich Umweltbelastung?

Mit der Umwelt ist neben den Mitmenschen auch die gesamte Tier- und Pflanzenwelt gemeint inklusive der Luft, die wir atmen, und des Bodens, auf dem wir gehen. Alle Einflüsse, die diese Umwelt negativ beeinflussen, können als Umweltbelastung bezeichnet werden.

Gemäß dem Motto: „Ob etwas giftig ist, entscheidet allein die Dosierung!“ gibt es Bestimmungen, die Grenzwerte für alle Emissionen festlegen. Die Emissionen, die auf diese Weise in ihrer Häufigkeit und Menge begrenzt (limitiert) sind, werden als „Schadstoffe“ bezeichnet. Wohlgemerkt handelt es sich hierbei lediglich um die gesetzlich reglementierten Emissionen. Andere Substanzen können ebenfalls die Umwelt belasten, unterliegen aber nicht unbedingt einer Reglementierung.

Wenn fossile Energieträger verbrannt werden, verändert sich deren chemische Struktur und es entstehen Verbrennungsprodukte. Bei diesen Produkten muss es sich nicht von vornherein um Schadstoffe handeln. Solange eine vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen stattfindet (s. Formel), werden lediglich unschädliche Reaktionsprodukte erzeugt. Inwieweit Kohlenstoff-Dioxid als schädlich oder unschädlich bezeichnet werden kann, wird im nachfolgenden Kapitel behandelt.

Vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen:

C_nH_m + (m + n/4) O₂ m CO₂ + n/2 H₂O

Weil jedoch nicht nur die Kohlenwasserstoffe als Reaktionspartner für Sauerstoff zur Verfügung stehen, sondern auch große Mengen Stickstoff (79 % der Umgebungsluft sind Stickstoff), entstehen auch Stickstoff-Oxide, die als Schadstoffe angesehen werden.

Problematischer wird es, wenn es zum Beispiel bei Sauerstoff-Mangel zu einer unvollständigen Verbrennung kommt, so dass außerdem Kohlenstoff-Monoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Schwefeloxid und Ruß entstehen. In der Realität sieht es so aus, dass eigentlich nie eine vollständige Verbrennung stattfindet. Demzufolge entstehen tatsächlich bei jeder Verbrennung von fossilen Energieträgern gewisse Mengen an Schadstoffen, limitierte und nichtlimitierte Emissionen.

2.4.1 Limitierte Emissionen

Kohlenwasserstoffe (C_nH_m): Bezeichnung für organische Verbindungen, die nur aus verschiedenen Anteilen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen.

Kohlenstoff-Monoxid (CO): Reiz-, farb- und geruchsloses Gas, das bei der unvollständigen Verbrennung von organischen Verbindungen entsteht. Es wirkt gesundheitsgefährdend, da es die Sauerstoff-Aufnahme des Blutes behindert.

Stickstoff-Oxide (NO_x): NO_x umfassen Stickstoff-Oxid (NO) und Stick-stoff-Dioxid (NO₂). Speziell NO greift die Schleimhäute der Atmungsorgane an und begünstigt Atemwegserkrankungen. In der Luft reagieren die Oxide in Verbindung mit Wasser zu Salpeter-Säure und sind für den sauren Regen mitverantwortlich. Stickstoff-Oxide tragen außerdem zur Smog-Bildung bei.

Ruß (C): reiner, unverbrannter Kohlenstoff. Er wird vornehmlich in Diesel-Aggregaten erzeugt. Am Ruß können polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe angelagert sein, denen eine karzinogene (krebserzeugende) Wirkung nachgesagt wird.