Unser zukünftiger Energiemix

Vorhersage von Energiesystemen

Sehr wenige Themen sind so komplex und so wichtig wie der zukünftige Energiemix unserer Zivilisation. Je nachdem, wen man fragt, ist die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen kaum zu überwinden, oder die erneuerbaren Energien werden in rasantem Tempo übernehmen. Die Realität ist natürlich komplex, und es ist sehr schwer, die Zukunft der Energie vorherzusagen.

In diesem Artikel betrachten wir unsere aktuelle Situation, sehen uns die wenigen möglichen Szenarien an und – noch wichtiger – welche wirtschaftlichen oder technologischen Veränderungen ein Szenario wahrscheinlicher machen als das andere.

Wo wir stehen

Wenn es bisher ein Muster in unserem wachsenden Energieverbrauch gibt, dann ist es, dass neue Energiequellen zu unserem Energiemix hinzugefügt werden, anstatt die vorherige zu ersetzen.

Zum Beispiel nutzen wir immer noch genauso viel, wenn nicht sogar mehr, Biomasse (hauptsächlich Holz) wie in den 1800er‑Jahren, vor der Industriellen Revolution. Ähnlich hat der Kohleverbrauch im Wesentlichen nur zugenommen, zu dem Öl, Gas und dann Wasserkraft, Kernenergie und erneuerbare Energien hinzukamen.

Quelle: OurWorldInData

Das mag überraschend sein, wenn man den Fortschritt betrachtet, den die erneuerbare Stromerzeugung scheinbar gemacht hat. Das liegt an mehreren Ursachen:

• China, der Spitzenreiter beim Ausbau erneuerbarer Kapazitäten und der Umstellung auf E‑Fahrzeuge, ist gleichzeitig der Spitzenreiter beim Bau von Kohlekraftwerken.
• Der größte Teil des Primärenergieverbrauchs wird nicht zur Stromerzeugung genutzt. Stattdessen stammt unser Energieverbrauch hauptsächlich aus Mobilität, Heizung und industriellen Anwendungen wie Stahlproduktion und Petrochemie (Dünger, Kunststoffe, Pharmazeutika, Chemikalien usw.).
• Bevölkerungswachstum und Milliarden Menschen, die aus extremer Armut herauskommen, führen zu steigendem Energieverbrauch, wobei die billigste verfügbare Option oft Kohle ist. Ebenso steigender Fleischkonsum, Klimaanlagen, Autos, Flugreisen usw.
• Die Globalisierung der Wirtschaft führt zu deutlich mehr Gütertransport, einschließlich mehrfacher Hin‑ und Rückbewegungen von Rohmaterialien, halbfertigen Teilen und Endprodukten.
• Die Industrialisierung der Landwirtschaft erhöht Erträge und reduziert den benötigten Arbeitseinsatz, steigert aber gleichzeitig den Verbrauch von fossilen Brennstoffen und Düngemitteln.

Für alle, die sich wegen des Klimawandels und der CO₂‑Emissionen Sorgen machen, kann das ein deprimierender Ausblick sein, da fossile Brennstoffe fest im globalen Energiemix verankert sind. Aber das ist ebenfalls nicht das ganze Bild.

Der anhaltende Wandel

Aus einer kaum mehr als netten Theorie im Jahr 2016 sind Elektroautos (E‑Fahrzeuge) heute ein exponentiell wachsender Teil des globalen Absatzes, mit mehr als 10 Millionen verkauften Elektroautos im Jahr 2022, also 14 % des Weltabsatzes, wobei China und Europa die Führung übernehmen.

Quelle: IEA

Der Anteil erneuerbarer Energien (Wasser‑ + Solar‑ + Wind‑ + Geothermie) wächst ebenfalls schnell. Und während einige Länder seit langem dank riesiger Wasserkraftressourcen (wie Norwegen, Brasilien oder Kanada) hoch im Kurs stehen, findet die eigentliche Veränderung bei Solar‑ und Windenergie statt.

Quelle: Our World In Data

Ein Blick auf Länderebene zeigt den klaren Wendepunkt im Jahr 2010, als erneuerbare Energien oft mehr als verdoppelt wurden, meist getragen vom Wachstum der Solar‑ und Windproduktion. Zum Beispiel China und Australien:

Quelle: OurWorldInData

Quelle: OurWorldInData

Ein massiver Treiber dieses Wandels war der steile Rückgang der Kosten für erneuerbare Energien. Gleichwertig durch technologische Innovation und Skalierung der industriellen Produktion geworden, haben erneuerbare Energien zunehmend Wettbewerbsfähigkeit erlangt. Auf dem Papier scheinen erneuerbare Energien jetzt günstiger zu sein als fossile Brennstoffe (mehr dazu weiter unten), wie von der IRENA (International Renewable Energy Agency) gezeigt.

Quelle: IRENA

Die Herausforderungen

In den letzten Jahren hat sich eine merkwürdige Situation herausgebildet. Die schnell sinkenden Kosten für erneuerbare Energien haben viele Menschen davon überzeugt, dass fossile Brennstoffe bald wie die Dodo-Vögel verschwinden werden.

Quelle: Twitter/X

Doch in den letzten Jahren haben einige makroökonomische Schocks diese Idee in Frage gestellt. Der Krieg in der Ukraine löste massive Inflation aus und veranlasste Länder wie Deutschland, ihre Abhängigkeit von Kohle wieder aufzunehmen.

Und dieselbe Inflation hat die Rentabilität geplanter erneuerbarer Projekte stark beschädigt. Massive Offshore‑Windprojekte wurden abgesagt, die Aktienkurse von Solar‑ und Windunternehmen brachen ein – eine schmerzhafte Phase. Mehr dazu lesen Sie in unserem Artikel “The 2023 Renewable Energy Crash“.

Selbst die Verkäufe von E‑Fahrzeugen werden infrage gestellt, nach der Verschiebung oder dem Abbruch der E‑Fahrzeug‑Strategie großer Hersteller wie GM, Ford oder Honda.

Intermittierbarkeit erneuerbarer Energien

Ein zentrales Problem, das gelöst werden muss, ist die Energiespeicherung. Wind‑ und Solarenergie hängen vom Wetter ab und können zeitlich vom Bedarf getrennt sein. Das ist ein Problem für ein Stromnetz, das „Just‑in‑Time“-Produktion und ein sofort perfektes Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Nachfrage erfordert.

Es gibt zahlreiche mögliche Alternativen, aber die Technologien stehen entweder noch am Anfang oder wurden noch nicht in ausreichendem Maßstab eingesetzt. Das führt zu einem Energieüberschuss am Tag und/oder im Sommer und zu Engpässen nachts und/oder im Winter.

Das Problem ist nicht unlösbar, erfordert jedoch gut koordinierte Politiken und mehr Investitionen in Stromnetze.

Und ehrlich gesagt muss man auch zugeben, dass die „realen“ Kosten erneuerbarer Energien die Kosten der Energiespeicherung mit einschließen sollten. Erneuerbare Energien sind vielleicht noch nicht vollständig günstiger als fossile Brennstoffe, zumindest solange sie nicht einen großen Teil der Stromerzeugung eines Landes ausmachen.

Die Grenzen von Batterien

Die Sorge, dass die Einführung von E‑Fahrzeugen im Zeitplan bleibt, beruht auf ähnlichen technologischen Beschränkungen. Während die frühen Anwender höhere Anschaffungskosten, geringere Reichweite oder langsamere Ladezeiten im Vergleich zu Verbrennungsmotoren akzeptierten, könnten andere Käufer das nicht tun. Der Mangel an Lithium, der den Preis des weißen Metalls steigen ließ, verursachte ebenfalls Bedenken.

Glücklicherweise kommen bald neue Batterietechnologien, von chinesischen Natrium‑Ion‑Batterien bis hin zu Festkörperbatterien, die die Preise von E‑Fahrzeugen senken und berechtigte Bedenken wie Reichweitenangst oder Brandgefahren ausräumen sollten.

Schwer umstellbarer Energiebedarf

Und dann gibt es Energieverbrauch, der einfach schwer von fossilen Brennstoffen zu trennen ist. Zum Beispiel erfordert die Fernseeschifffahrt immer noch einen sehr dichten flüssigen Brennstoff. Der Flugverkehr benötigt ebenfalls eine sehr energiedichte Quelle, die Batterien derzeit nicht liefern können. Die meisten Kunststoffproduktionen basieren auf Öl, Dünger auf Gas und Stahl auf Kokskohle.

Auch hier existieren Lösungen, doch sind sie noch unreif und weit von einer globalen Verbreitung entfernt.

Game‑Changer‑Technologien

Die wahrscheinlichen Game‑Changer

Zahlreiche Lösungen stehen bereits bereit, um das Wachstum erneuerbarer und kohlenstoffarmer Technologien wieder anzukurbeln.

Kernenergie‑Innovation

Nach wie vor umstritten, ist Kernenergie dennoch eine kohlenstoffarme Technologie, die möglicherweise nötig ist, um die Lücke zu einer von erneuerbaren Energien getriebenen Zukunft zu schließen.

Kleine Kernreaktoren (SMRs) sind ein weiterer Sektor, der kürzlich wegen schlechter Nachrichten aufgrund steigender Kosten, verbunden mit globaler Inflation gelitten hat. Aber in jedem Fall erlebt die Kerntechnologie eine Renaissance, mit neuen, sichereren Designs für kleinere Reaktoren (SMRs und Micro‑Reaktoren) oder sogar neuen Brennstoffen wie Thorium. Gleichzeitig baut China 24 neue große Kernreaktoren und plant insgesamt bis zu 150 Reaktoren.

Bessere erneuerbare Energien

Sinkende Kosten im Vergleich zu fossilen Brennstoffen werden voraussichtlich ein dauerhafter Trend bleiben. Das gilt besonders für Solarenergie, mit Innovationen wie Dünnschicht‑Solarzellen oder 3.‑Generation‑Solarzellen (amorphes Silizium, organische Polymere oder Perowskit‑Kristalle).

Großanlagen‑Batterieprojekte werden ebenfalls helfen, bis 2025 mehr als das Dreifache der heutigen Kapazität zu erreichen.

Quelle: EIA

Festkörperbatterien

Jeder, der an Batterietechnologie arbeitet, weiß, dass Festkörperbatterien, die keine flüssigen Elektrolyte wie die aktuellen Lithium‑Batterien benötigen, ein Game‑Changer sein werden. Viele Unternehmen planen, ihre eigene Version von Festkörperbatterien bereits 2026‑2029 auf den Markt zu bringen. Dazu gehören QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) und Samsung SDI (006400.KS). Während Tesla (TSLA) an seiner eigenen Alternative zu Festkörperbatterien arbeitet.

Der spekulative Game‑Changer

Einige andere Technologien sind weniger ausgereift, aber umso vielversprechender und werden wahrscheinlich bestimmen, wie wir 2040‑2050 und darüber hinaus Energie beziehen.

Nukleare Surgeneratoren

Ein großes Problem von Kernkraftwerken ist der Atommüll. Surgeneratoren (oder „Breeder“) können diesen Atommüll verbrauchen und wieder in Strom & Kernbrennstoff umwandeln. Das könnte den verfügbaren Kernbrennstoff praktisch unbegrenzt machen und das Atommüllproblem stark reduzieren. Ein Bonus ist, dass diese Technologie nicht neu ist, wie sie bis 1997 in Frankreich eingesetzt wurde, sodass sie nur wegen politischer Schwierigkeiten rund um die Kernenergie spekulativ bleibt.

Weltraum‑Solarenergie

Die Erzeugung von Solarenergie aus dem Orbit würde sofort alle Probleme der Solarenergie lösen: keine Intermittierbarkeit, keine Wolken, keine sinkende Produktion im Winter. Da das weltraumbasierte Internet dank Starlink plötzlich Realität ist, klingt das nicht mehr so abwegig.

Wir haben das weiter in unserem Artikel “From Sci‑Fi to Sky‑High: Are Orbiting Solar Panels a Bright Idea?” untersucht.

Geothermie

Eine bislang meist vernachlässigte Quelle erneuerbarer Energie, die Grundlaststrom 24 Stunden am Tag liefern kann, ist die Geothermie. Das ändert sich jetzt, mit Unternehmen wie Vulkan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA) und Eavor. Diese Unternehmen nutzen, etwas ironisch, die Fortschritte im Bohren und Fracking der Ölindustrie, um die Erdwärme zu erschließen. (Wir haben Ormat in diesem Artikel und Vulkan in jenem)

Synthesekraftstoffe

Strom, der aus erneuerbaren (oder sogar nuklearen) Quellen erzeugt wird, könnte zur Synthese von Gas‑ oder Flüssigkraftstoffen verwendet werden. Dazu gehören Wasserstoff, Ammoniak, Syngas oder Synthesekraftstoffe.

Eine weitere Option für synthetische Kraftstoffe könnte die Nutzung von Biologie sein, indem Mikroalgen zur Erzeugung von Biokraftstoffen eingesetzt werden (siehe “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?“) oder Bio‑Fermenter zur Produktion von Biogas & Biomethan aus organischen Abfällen.

Diese Kraftstoffe könnten dann in Flugzeugen, Schiffen und anderen Anwendungen verwendet werden, die entweder sehr dichte Brennstoffe oder sehr hohe Verbrennungstemperaturen benötigen (wie die Stahlerzeugung).

Fusion

Fusionsenergie zielt darauf ab, Energie zu erzeugen, indem leichte Elemente wie Wasserstoff zusammengeführt werden und damit auf der Erde den Prozess nachbilden, der die Sonne antreibt. Bei Temperaturen von Millionen bis hundert Millionen Grad stellt dies eine enorme technologische Herausforderung dar.

Sie würde zudem saubere Energie liefern, weder CO₂ noch nuklearen Abfall erzeugen und einen unbegrenzten „Brennstoff“ bieten, da Wasserstoff das häufigste Atom im Universum ist.

Das größte Fusionsprojekt ist das internationale Forschungs‑Konsortium ITER, an dem viele Start‑ups ebenfalls den Traum der Kernfusion verfolgen, darunter Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy und NEO Fusion (finanziert vom chinesischen E‑Fahrzeug‑Hersteller Nio).

Die zukünftigen Energiemischungen

Während sie langfristig vielversprechend erscheinen, werden wir hier hauptsächlich mögliche Energiemischungen ohne die oben diskutierten „spekulativen Game‑Changer“ untersuchen, und zwar mit Blick auf das Jahr 2040.

Die EIA (Energy Information Administration) hat mehrere Szenarien veröffentlicht, abhängig vom Wirtschaftswachstum und davon, ob kohlenstoffarme Technologien übernommen werden oder nicht.

In den meisten Fällen wird erwartet, dass der Energieverbrauch weiter steigt, wobei fossile Brennstoffe bis 2050 noch den größten Teil der weltweiten Energie ausmachen. Das ist eine Projektion, sofern keine Gesetze geändert werden und Investitionen im Energiesektor dem aktuellen Trend folgen.

Quelle: EIA

Business as usual

Dies ist ein deprimierendes Szenario für alle, die den Klimawandel im Blick haben. Es geht davon aus, dass Kohle, Gas und Öl in den nächsten zwei Jahrzehnten die dominierende Kraft in unserem Energiesystem bleiben und den Großteil unserer Energie liefern.

Das ist keineswegs unmöglich, wie die jüngste Rückkehr Deutschlands zur Kohle zeigt, obwohl das Land zuvor weithin als Vorreiter bei erneuerbaren Energien und der Energiewende galt.

The High Tech Road

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass unsere Gesellschaften technologische Veränderungen im Energiebereich aktiv annehmen. Das schließt erneuerbare Energien ein, aber auch massiv Kernenergie, wahrscheinlich sowohl konventionelle als auch kleinere Typen gleichzeitig.

Dies ist ein Szenario, in dem die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen entweder durch bessere Alternativen preislich verdrängt oder gesetzlich verboten wird.

Es ist auch ein Szenario, in dem E‑Fahrzeuge schnell weiter verbreitet werden, wahrscheinlich dank neuer Batterietechnologien.

Während Kernenergie Grundlast‑ und Winterkapazitäten liefert, können erneuerbare Energien Überschussproduktion für flüssige Kraftstoffe bereitstellen, um das Fliegen, die Schifffahrt und die Schwerindustrie zu dekarbonisieren.

The Low Consumption Road

Angesichts des Energiehungers in der Entwicklungsländern, nicht nur in China, sondern auch in Südamerika, Afrika, Indien und Indonesien, erscheint dieses Szenario wenig wahrscheinlich.

Es würde im Wesentlichen ein „wahres“ Degrowth bedeuten und wahrscheinlich einen durchschnittlichen Rückgang des Lebensstandards, insbesondere weniger Reisen und internationalen Handel. Die Landwirtschaft würde teilweise de‑industrialisieren, die industrielle Aktivität würde zurückgehen und die Volkswirtschaften würden deutlich lokaler werden.

Ein solches Szenario würde wahrscheinlich parallel zu massiven internationalen Spannungen, Krieg oder einer globalen Depression entstehen, die den plötzlichen Rückgang wirtschaftlicher Aktivitäten erklärt, da ein freiwilliger Verzicht auf Produktion in demokratischen und autoritären Ländern unwahrscheinlich erscheint.

The Muddle-Through Scenario

Dies ist ein Szenario, in dem alles gleichzeitig geschieht. Fossile Brennstoffe gehen leicht zurück, werden aber nicht vollständig eliminiert. Kohle wird insgesamt ausgemustert, Öl und Gas jedoch nicht so stark. Einige Länder setzen auf Kernenergie, andere auf erneuerbare Energien, wieder andere bleiben beim Business as usual.

Elektrifizierung und Dekarbonisierung finden statt, jedoch langsamer als gewünscht. Die CO₂‑Emissionen bleiben in diesem Szenario deutlich über dem Netto‑Null‑Szenario, das vom IPCC vorgesehen ist, um die globale Erwärmung zu begrenzen.

Das unterscheidet sich nicht stark von den oben genannten EIA‑Szenarien. Später könnte die CO₂‑Abscheidung eingesetzt werden, um die Dekarbonisierung zu beschleunigen und einige der vergangenen Emissionen rückgängig zu machen.

The Breakthrough Scenario

Ein Durchbruch in der Energieerzeugung wird erzielt, der eine reichliche Energieversorgung ermöglicht, und die Lösung kann schnell weltweit eingesetzt werden.

Es könnte ein drastischer Rückgang der orbitalen Solar‑Infrastruktur durch ein neues Weltraum‑Wettrüsten zwischen SpaceX und chinesischen Unternehmen sein.

Oder ein massiver Erfolg für ITER beim Start in den Jahren 2025‑2026.

Oder revolutionäre neue Designs in Solar‑ und Batterietechnologie.

Solche Veränderungen sind von Natur aus fast unmöglich vorherzusagen oder zu quantifizieren. Sie sollten jedoch nicht vollständig verworfen werden.