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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Die Zukunft der Energie

Die Dekarbonisierung ist machbar

Auf dem Weg in ein neues Stromzeitalter – doch welche Weichen müssen wir stellen, damit die vollständige Dekarbonisierung nicht eine reine Vision bleibt?

Der Klimawandel ist aufzuhalten – eine Siemens-Analyse legt einen Maßnahmenkatalog vor, das Pariser Abkommen erfolgreich zu erfüllen.

Wie wird sich unser Leben bis zum Jahr 2100 entwickeln? Wird der Verkehr komplett autonom wie von Geisterhand gesteuert durch die Straßen gleiten, wird der Krebs besiegt, wird es Kolonien auf dem Mars geben – niemand weiß, ob etwas davon eintrifft. Doch was unsere Außentemperatur angeht, gibt es klare Vorgaben: 2015 hat sich die internationale Staatengemeinschaft in dem Pariser Klimaabkommen – mit Ausnahme der Vereinigten Staaten – verpflichtet, den weltweiten Temperaturanstieg in diesem Jahrhundert auf 2 Grad Celsius über der vorindustriellen Epoche zu begrenzen. Bekannt ist auch, wie das Ziel zu erreichen ist: den Ausstoß von Treibhausgasen, allen voran Kohlendioxid (CO2), auf eine Netto-Null zu bringen.

Doch dafür braucht es ein ganzes Bündel Dekarbonisierungsmaßnahmen – und die sind wiederum in dem Vertrag nicht festgelegt. Deshalb beraten Staatsregierungen und internationale Wissenschaftsgremien seit Vertragsabschluss intensiv über die notwendigen Schritte. Der Siemens-Konzern, der mit seinen innovativen Technologien in unterschiedlichen Lebensbereichen tätig ist, hat jetzt ebenfalls ein Standpunkt-Papier vorgelegt, das, basierend auf weitreichenden Simulationen, am Beispiel Deutschlands Klimazielen 2050 einen umfassenden Maßnahmenkatalog vorlegt, der den Weg zu einer zu einer klimaneutralen Weltwirtschaft weist.

Windenergie ist eine etablierte Technologie. Doch damit der Ausbau zügig vorankommt, muss der Ökostrom noch kostengünstiger werden. Siemens treibt entsprechende Entwicklungen voran. Im Bild: West of Duddon Sands Offshore Windpark

Ein hochflexibles wie stabiles Stromnetz

Es beginnt mit der Erzeugung des unser tägliches Leben antreibenden Strom, der nach wie vor großteils durch Treibhausgase erzeugende fossile Energieträger wie Kohle, Gas oder Öl erzeugt wird – 2014 lag der globale Anteil laut Weltbank bei rund 66 Prozent. In Deutschland sieht es etwas besser aus: Hier liegt der Anteil fossiler Energieträger 2017 knapp unter der Hälfte. Bis 2050 soll der Anteil erneuerbarer Energiequellen laut der deutschen Bundesregierung auf 80 Prozent steigen, wobei Windenergie den größten Beitrag leisten wird. Um das zu erreichen, braucht es einen klaren Fahrplan.
Selbstredend lässt sich das Stromnetz nicht ohne weiteres auf das Fundament erneuerbarer Energiequellen stellen, da Strom aus Wind und Sonne stark fluktuiert. Folglich braucht es, in Deutschland wie anderen Ländern, ein hochflexibles wie stabiles Stromnetz, das Spitzennachfragen mithilfe intelligenter Energiemanagementsysteme bedient und bei Überangebot andere Möglichkeiten nutzt – etwa Wärmepumpen und Speichertechnologien betreibt oder Energieträger wie Wasserstoff erzeugt, die wiederum helfen können, das Stromnetz zu stabilisieren. Das bedeutet indes nicht, dass fossile Kraftwerke bald abgeschaltet werden könnten. Solange erneuerbare Energie keine Grundlast garantiert, müssen Kraftwerke bei Bedarf weiterhin einspringen. Doch statt Kohlekraftwerken können verstärkt kohlendioxidarme Gaskraftwerke mit Combined-und Single-Cycle-Turbinen helfen, wie Siemens sie anbietet – und so beispielsweise in Deutschland dazu beitragen, bis spätestens 2050 die Energiegewinnung aus Kohle einzustellen. Und danach können sie noch als Backup dienen. Der Umbau der konventionellen Stromerzeugung muss also ebenso entschlossen vorangetrieben werden wie der Ausbau neuer Energien.

Kleiner Flieger mit großer Zukunft: Das Kunstflugzeug Extra 330LE fliegt derzeit Rekord für Rekord ein. Ausgestattet ist es mit einem elektrischen Antriebssystem. Bis 2030 erwartet Siemens die ersten hybrid-elektrischen Flugzeuge mit bis zu 100 Sitzplätzen am Markt.

Zauberwort Sektorkopplung

Auf der Seite der Stromkonsumenten muss das komplette Wirtschaftssystem – von der Wärmeerzeugung über die Industrie bis hin zum Verkehr – stärker miteinander verflochten werden. Das Zauberwort lautet „Sektorkopplung“ – sie soll helfen, den Kohlendioxidausstoß gegen eine Netto-Null zu treiben. Ihre Grundlage bildet die Elektrifizierung der kompletten Wirtschaft mithilfe erneuerbarer Energiequellen.

So erfolgt die Wärmeerzeugung noch vorwiegend durch fossile Brennstoffe. Das soll sich ändern, indem sie weitgehend elektrifiziert wird. Elektrifizierung dezentraler Heizanlagen findet heute vor allem mit Wärmepumpen und Solarthermie statt. Fern- und Industriewärme werden zudem verstärkt durch Biomasse, Wärmepumpen und so genannte Widerstandsheizungen betrieben – ein Trend, der bis 2050 ausgebaut werden muss, um fossile Brennstoffe zu ersetzen. Flankiert werden sollten diese Maßnahmen durch bessere Gebäudeisolierungen kombiniert mit automatisierter Gebäudetechnik. 

Viele Teile des Transportsektors wiederum sind längst elektrifiziert – im Fernverkehr die Bahn und im öffentlichen Nachverkehr U-, S- und Straßenbahnen und vermehrt sogar Busse. Aber auch die Fahrzeugflotte, allem voran der Individualverkehr, muss umgestellt werden. Kein leichtes Unterfangen, bedenkt man, dass 2017 allein in Deutschland 45 Millionen Pkws registriert waren – und 2015 weltweit nahezu 950 Millionen. Erst ab 2030, folgert die Siemens-Analyse, könne man mit einem nennenswerten Anteil von Elektroautos oder auch Fahrzeugen rechnen, die von aus Strom erzeugten Wasserstoff, Flüssigkraftstoff oder Gas angetrieben werden.

Der Güterverkehr sollte stärker auf die Schiene verlagert werden - Lkws könnten mit Hybridmotoren oder via Oberleitung angetrieben werden.

Wenn Emissionen sich nicht vermeiden lassen

Der Güterverkehr wiederum sollte auf die Schiene verlagert werden, forderten erst Mitte Mai Experten der Berliner Denkfabrik „Agora Verkehrswende“ – ein Trend, der bislang aber auf sich warten lässt. Lkws können aber auch von Hybridmotoren angetrieben werden, die Batterien mit Wasserstoff- oder Verbrennungsmotoren kombinieren. Außerdem stellen Lkws mit Oberleitungen, wie sie Siemens mit seinem eHighway Trolley-System entwickelt hat, ein hohes Potenzial dar. Neben dem Straßenverkehr ist die Dekarbonisierung des Luft- und Seetransports von größter Bedeutung. In Flugzeugen sollten verstärkt Elektromotoren und synthetische Kraftstoffe zum Einsatz kommen; bis 2030 erwartet Siemens die ersten hybrid-elektrischen Flugzeuge mit bis zu 100 Sitzplätzen am Markt.  

In der Industrie wiederum betrifft Dekarbonisierung nicht nur die Wärmeerzeugung, sondern auch die Herstellung neuer Produkte, in der Chemieindustrie etwa Dünger, Plastik oder Reinigungsmittel, die noch überwiegend auf fossilen Brennstoffen basiert. Hier könnten synthetische Brennstoffe wie Wasserstoff eingesetzt werden. Lassen sich CO2-Emissionen wie bei der Zementherstellung nicht komplett vermeiden, sollten diese abgetrennt und gespeichert werden – Carbon Capture and Storage (CCS) nennt sich die Technologie, die helfen kann, auch sehr ambitionierte Ziele, CO2-Emissionen fast vollständig zu reduzieren, zu erreichen.

Das Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk Lausward in Düsseldorf. Im Inneren des neuen Kraftwerks arbeitet eine Weltrekord-Turbine von Siemens.

Die Elektrifizierung verschiedener Bereiche der Weltwirtschaft ist nach der Siemens-Analyse der Königsweg, Treibhausgasemissionen drastisch zu reduzieren. Aber die ambitionierten Ziele des Pariser Klimaabkommens wären nicht erreichbar, würde es nicht Hand in Hand mit gesteigerter Effizienz einhergehen. Das betrifft hocheffiziente elektrische Antriebe, Wärmepumpen, Gebäudeautomation, Züge usw. genauso wie die Stromproduktion selbst, wenn beispielsweise in Heizkraftwerken neben Elektrizität auch Wärme gewonnen wird. Bis 2030, wie ein Artikel im Fachmagazin Science erst im Mai 2017 hervorhob, könnte verbesserte Energieeffizienz allein die Treibhausgase bis zu 50 Prozent reduzieren.

Wird die schöne neue Welt des gebändigten Klimawandels dank innovativer Technologien also bald Wirklichkeit? Bleibt der globale Temperaturanstieg bis 2100 auf 2 Grad Celsius begrenzt? Garantiert ist das trotz technischer und wirtschaftlicher Machbarkeit nicht. Denn das Standpunkt-Papier von Siemens wird, wie andere Studien auch, nicht müde zu betonen: Ohne den politischen Willen geht es nicht. Die deutsche Regierung etwa müsse die entsprechenden politischen Rahmenbedingungen schaffen, damit der beschleunigte Ausstieg aus der Kohleverstromung verwirklicht werden kann. So bräuchte es in Deutschland ein neues Strommarktdesign, damit sich Investitionen in erneuerbare Energien und emissionsarme Technologien auch lohnen oder die Einführung eines Mindestpreises für CO2-Emissionen.

Hubertus Breuer
Picture credits: von oben: 1. Bild gettyimages