Dekarbonisierung des Energiesystems
Wachsende Strombedarfe prägen das Infrastruktursysteme und machen den Ausbau erneuerbarer Energien sowie von Stromnetzen erforderlich. Außerdem fordern steigende Abhängigkeiten der Solar- und Windindustrie von ausländischen Lieferanten sowie wachsende Knappheit kritischer Rohstoffe das Infrastruktursystem heraus. Um dagegen zu halten, wird an neuen Formen der Energieerzeugung gearbeitet, an der Erzeugung neuer Materialien für die Energiewende und an der Entwicklung von Technologien zur Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoff (CCU).
Um die klimapolitischen Ziele zu erreichen, werden die Infrastrukturen der Energieversorgung derzeit massiv um- bzw. ausgebaut. Insbesondere der Ausbau der erneuerbaren Energien steht im Mittelpunkt. Dieser gehört laut den Befragungsergebnissen zu den Trends (Abb. 1a/b), die als besonders relevant für die Resilienzsteigerung des Infrastruktursystems eingeschätzt werden. Seit 2000 hat der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung von 6,6 % auf 53 % im Jahr 2023 deutlich zugenommen (BDEW 2023). Investitionen in die Errichtung von Erneuerbare-Energien-Anlagen in Deutschland steigen, nach einem mehrjährigen Rückgang, seit 2019 wieder an (Statista 2023c, S. 28). Die installierte Leistung der Photovoltaikanlagen hat sich innerhalb von 10 Jahren mehr als verdoppelt (Statista 2024, S. 6). Die Bruttoenergieerzeugung aus Wind auf dem Festland (Onshorewindkraft) hat sich in diesem Zeitraum verdoppelt. Die Installation von Neuanlangen schreitet allerdings langsamer voran, als es die politisch festgelegten Klimaziele erfordern (Windguard 2023). Bei der Bruttoleistung der Offshorewindkraft ist ein Wachstum von 0,7 TWh im Jahr 2012 auf 25,2 TWh im Jahr 2022 zu verzeichnen (Statista 2023c). Es gibt zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten bei der Weiterentwicklung erneuerbarer Energien. Beispielsweise wurde die größte schwimmende Solaranlage auf dem Geiseltalsee – dem größten künstlichen See Deutschlands – gebaut (Heise 2023a), und es wird an solaren Aufwindkraftwerken geforscht, bei denen die Kraft von Sonne und Wind gebündelt wird, um Strom zu erzeugen (Heise 2023b). Außerdem waren 2023 bei der Entwicklung neuer Materialien für die Energiewende (s. aufkommende technologische Entwicklungen) wichtige Fortschritte zu verzeichnen. Parallel dazu werden Technologien zur weltraumbasierten Energieproduktion (s. aufkommende technologische Entwicklungen) intensiv erforscht und rücken in den Bereich des Möglichen. Auch im Bereich der Fusionsenergie sind aktuell verstärkte Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten festzustellen, die sich in wachsenden Investitionen (sowohl privater als auch öffentlicher Geldgeber) und einer steigenden Zahl von Start-ups manifestieren (The Economist 2023a).
Neue Materialien für die Energiewende
Weltraumbasierte Energieproduktion
Um die ununterbrochene Verfügbarkeit von Sonnenlicht ohne Störfaktoren zu nutzen, wird an Systemen zur weltraumbasierten Energieproduktion geforscht. Vorteile werden darin gesehen, dass Solarparks im Weltraum positiv zum Ausgleich von Peakauslastungen beitragen könnten. Sinkende Transportpreise ins All via Mikrowellen oder Laserstrahlung könnten eine Umsetzung wirtschaftlich machen. Viele Länder – darunter China, die USA und Großbritannien – streben die Marktführerschaft an (BMBF 2022, S. 203). Die erforderlichen Technologien sind vorhanden und erste Erprobungen wurden 2023 abgeschlossen. Allerdings wäre die Funktionstüchtigkeit eines Gesamtsystems noch nachzuweisen. Um ausreichend große Anlagen für die Stromversorgung der Erde zu realisieren, sind ultraleichte, kostengünstige, flexible und praktikabel einsetzbare Solarstromenergieübertragungssysteme erforderlich (CIT 2024; Sciencedaily 2023). Eine noch futuristischere Technologie sind negative Solarzellen, bei denen Strom aus der Kälte des Weltraums gewonnen werden soll (Assawaworrarit/Fan 2023).
Der Ausbau der Stromnetze ist erforderlich, weil die Erzeugeranlagen teilweise weit entfernt von Nachfragezentren stehen und sich zusätzliche und schnell wachsende Strombedarfe aus der Elektrifizierung von Industrieprozessen, der Wärmeversorgung (Deloitte 2020, S. 21) sowie des Verkehrs ergeben. So lag der Strombedarf für E-Autos in Europa 2022 knapp 5-mal so hoch wie 2021 (KBA 2023b). Für die Hälfte der befragten Expert/innen (Abb. 1a/b) trägt die wachsende Stromnachfrage zur Verletzlichkeit des Infrastruktursystems bei. Entsprechend ist der Ausbau von Verteilnetzen sowie von Strom-Übertragungsnetzen unter anderem mit dem Ziel, Elektromobilität, Wärmepumpen und Elektrolyseure einzubinden, für die Resilienz des Infrastruktursystems besonders wichtig.
Der verstärkte Ausbau der Energieerzeugungsanlagen benötigt außerdem Flächen und spitzt die Flächennutzungskonkurrenz zu, die auch in Deutschland bereits zu beobachten ist (z.B. zwischen Biomasseproduktion, dem Ausbau erneuerbarer Energieanlagen, Naturschutz, Landwirtschaft). Um auf weniger Fläche mehr Endenergie zu erzeugen, werden alternative Anlagen sowie Systemkonfigurationen konzipiert und getestet. Dazu gehören beispielsweise Höhenwindräder (s. aufkommende technologische Entwicklungen) oder der Einsatz von Photovoltaik in der Landwirtschaft, aber auch Konzepte wie die Agrothermie, bei der landwirtschaftliche Nutzfläche zur Erzeugung von Lebensmitteln und zugleich als große Geothermiefelder genutzt wird (erneuerbareenergien 2023).
Höhenwindräder
Höhenwindräder sind deutlich höher als herkömmliche Windräder (rund 300 statt 150 m) und können dadurch deutlich mehr Strom aus der höheren Strömungsgeschwindigkeit der Luftmassen produzieren, da mit zunehmender Höhe sowohl die Windkraft als auch die Windbeständigkeit zunehmen. Es sind jedoch spezielle Technologien erforderlich, die es ermöglichen, betriebswirtschaftliche und technische Herausforderungen (z.B. Widerstandsfähigkeit gegenüber höheren Windgeschwindigkeiten, Transport langer Rotoren) zu überwinden. Vorgesehen ist der Bau von zwei Prototypen in Leipzig (Egle 2023). Daneben werden auch Flugwindkraftanlagen oder Drachensysteme entwickelt, die stärkere Winde in großen Höhen nutzen, um Strom zu erzeugen (enerkite 2024).
Obwohl der Ausbau der erneuerbaren Energien von den meisten Expert/innen als resilienzfördernd eingeschätzt wird (Abb. 1a/b), wird die zunehmende Abhängigkeit der Solar- und Windindustrie von ausländischen Lieferanten (Agora Energiewende/Agora Industry 2023a, S. 12 ff.) gleichzeitig als Vulnerabilitätsfaktor des Infrastruktursystems angesehen. Der steigende Bedarf an kritischen Rohstoffen (Abb. 2) und Vorprodukten zum Aufbau der Energieinfrastruktur bringt neue Risiken von Preisschocks und Versorgungsengpässen mit sich.
Die geopolitische Versorgungssicherheit ist bei kritischen Mineralien vergleichsweise gering, da die Mineralienproduktion eine höhere geografische Konzentration aufweist als die Produktion fossiler Brennstoffe (Nijsse et al. 2023, S. 5). Inflation, höhere Kreditkosten und Engpässe bei der Lieferung von Rohstoffen und Komponenten haben bereits den Zubau erneuerbarer Energien gebremst (Crownhart 2024; Lichner 2022) und könnten die Energiewende insgesamt bremsen (Agora Energiewende/Agora Industry 2023, S. 18; EWI 2023b, S. 2 f.; IEA 2023). Der Ausbau erneuerbarer Energien trifft außerdem auf einen zunehmenden und weit überdurchschnittlich hohen Fachkräftemangel in relevanten Branchen (Bundesagentur für Arbeit 2024). Auch diese Entwicklung könnte sich auf die Geschwindigkeit des Ausbaus negativ auswirken und die Transformation des Infrastruktursystems hemmen.
Technologien zur Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff (s. aufkommende technologische Entwicklungen) sind in letzter Zeit (wieder) stärker in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt (Crownhart 2023). Maßnahmen zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage, CCU) werden in vielen Klimamodellszenarien vorausgesetzt, um die 1,5-°C- und 2-°C- Treibhausgasemissionspfade einzuhalten (Luz 2022; UBA 2023d). Gezielte Förderprogramme für Bioenergieanwendungen mit CO2‐Abscheidung und -Speicherung (BEECS) werden beispielsweise in Europa aufgesetzt (IEA 2023a), etwa in Großbritannien, wo die Entwicklung entsprechender Geschäftsmodelle unterstützt wird (Department for Energy Security and Net Zero 2023). Auch Technologien zur Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoff (Carbon Capture and Utilization – CCU) werden zunehmend kommerzialisiert und verbreiten sich. In Deutschland wird eine Kohlenstoffstrategie (Carbon Management Strategy) erarbeitet, die darauf abzielt, die Rahmenbedingungen für einen effektiven Hochlauf von CCU und CCS zu benennen (BMWK 2023a).
Technologien zur Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoff (CCU)
In der chemischen Industrie bestehen viele Ansätze zur direkten Nutzung von abgeschiedenem CO2, deren Entwicklung abgeschlossen ist. Unternehmen beginnen mit der Kommerzialisierung von Technologien, die abgeschiedenes CO2 in wertvolle Produkte wie Ethanol, Polyurethane, Harnstoff und pharmazeutische Stoffe umwandeln. Allerdings können viele der aus diesen Prozessen resultierenden Produkte bisher wirtschaftlich nicht mit herkömmlichen Produkten konkurrieren, oder es fehlen die entsprechenden Produktstandards. Außerdem braucht es noch eine standardisierte Methode, um sicherzustellen, dass die Technologien insgesamt CO2-Emissionen effektiv reduzieren (GAO 2022). Ein Beispiel einer aktuellen Entwicklung, ist ein Ansatz, den Forscher/innen am MIT und aus Harvard kürzlich entwickelt haben, mit dem CO2 direkt in Formiat umgewandelt werden kann – ein fester Brennstoff, der unbegrenzt gelagert werden kann und zum Heizen von Häusern oder zur Stromerzeugung in der Industrie verwendet werden könnte (Chandler 2023). Welche Rolle solche Technologien im zukünftigen Energiesystem sinnvollerweise spielen könnten, ist noch unklar. Der Beitrag zum Klimaschutz durch Nutzung von CO2 bei der Herstellung von Produkten wird teilweise als sehr gering eingeschätzt (Richers/Schütz 2022).
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