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.

Dieser Artikel von 2023 betrachtet die damalige Lage, mögliche Zukunftsszenarien und die wirtschaftlichen oder technischen Veränderungen, die ein Szenario wahrscheinlicher machen könnten als ein anderes.

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.

Weltweit werden weiterhin große Mengen Biomasse, vor allem Holz, und insgesamt mehr Energie als im 19. Jahrhundert genutzt. Auch der absolute Kohleverbrauch ist langfristig gewachsen. Öl, Gas, Wasserkraft, Kernenergie und andere erneuerbare Quellen kamen weitgehend hinzu. In einzelnen Ländern und Zeiträumen findet dennoch eine Verdrängung alter Quellen statt.

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.
• Strom ist nur ein Teil der Energienutzung. Verkehr, Wärme und Industrie verwenden auch unmittelbar Brennstoffe, etwa für Stahl und petrochemische Produkte wie Dünger, Kunststoffe, Arzneimittel und andere Chemikalien. Primärenergie und beim Endverbraucher genutzter Strom sind unterschiedliche Größen.
• 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

Elektroautos waren 2016 bereits kommerziell verfügbar. Ihr Absatz wuchs anschließend stark: Laut IEA wurden 2022 über zehn Millionen verkauft, rund 14 % des weltweiten Neuwagenabsatzes. Die Zahl umfasst batterieelektrische Autos und Plug-in-Hybride. China und Europa führten die Entwicklung an.

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

Die gezeigten Länderreihen weisen ab etwa 2010 und in den Folgejahren deutliche Zuwächse auf. In China und Australien trugen vor allem Solar- und Windenergie dazu bei. Gemeint ist keine Verdopplung allein innerhalb des Jahres 2010.

Quelle: OurWorldInData

Quelle: OurWorldInData

Technische Fortschritte und größere industrielle Produktionsmengen senkten die Kosten und erhöhten die Wettbewerbsfähigkeit. Viele neue Projekte für erneuerbaren Strom waren günstiger als fossile Alternativen, wie die Kostendaten der IRENA zeigen (International Renewable Energy Agency), die 2023 besprochen wurden. Das betrifft Erzeugungskosten, nicht automatisch sämtliche Kosten eines vollständigen Stromsystems.

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

Die Energiekrise im Zusammenhang mit dem Krieg in der Ukraine erhöhte den Preis- und Versorgungsdruck. Deutschland nutzte vorübergehend zusätzliche Kohlekapazitäten, um die Abhängigkeit von russischem Gas zu verringern. Das war keine vollständige Rücknahme der Energiewende.

Inflation, Finanzierungskosten und Lieferkettenprobleme beeinträchtigten 2023 die Rentabilität geplanter Erneuerbarenprojekte. Große Offshore-Windprojekte wurden abgesagt, und Aktien von Solar- und Windunternehmen fielen. Mehr dazu im Artikel „Der Einbruch im Sektor für erneuerbare Energien 2023“.

Auch die Zeitpläne der Elektroautoumstellung gerieten unter Druck, nachdem Hersteller wie GM, Ford und Honda Projekte oder Kooperationen verschoben oder änderten. Das bedeutete nicht, dass sämtliche Elektroautostrategien oder das weltweite Absatzwachstum beendet waren.

Schwankende Stromerzeugung aus Wind und Sonne

Wind- und Solarstrom hängen vom Wetter ab und fallen nicht immer mit der Nachfrage zusammen. Das Netz muss Erzeugung und Verbrauch laufend ausgleichen. Speicherung ist dabei ein Mittel neben Netzverbindungen, flexibler Nachfrage und regelbarer Erzeugung.

Manche Speichertechniken, etwa Pumpspeicher, sind längst etabliert. Andere Lösungen zur Langzeitspeicherung waren noch begrenzt ausgebaut. Ohne ausreichende Flexibilität können zu unterschiedlichen Zeiten Überschüsse oder Engpässe entstehen, abhängig von Klima, Energiemix und Stromnetz.

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

Beim Vergleich von Energiesystemen sollten auch Speicher, Netzausbau und weitere Integrationskosten berücksichtigt werden. Diese werden gerade bei einem hohen Anteil schwankender Wind- und Solarerzeugung wichtig. Ob das System günstiger als eine fossile Alternative ist, hängt von örtlichen Bedingungen und nicht nur von den Erzeugungskosten ab.

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.

Natriumionenbatterien und Batterien mit festem Elektrolyten gehören zu den entwickelten Lösungsansätzen. Je nach Konstruktion können sie Kosten, Reichweite, Ladegeschwindigkeit oder Sicherheit verbessern. Sie beseitigen nicht automatisch sämtliche Reichweiten- oder Brandbedenken.

Schwer umstellbarer Energiebedarf

Einige Anwendungen lassen sich nur schwer von fossilen Brennstoffen lösen. Beispielsweise braucht die Langstreckenschifffahrt praktische Kraftstoffe mit ausreichender Energiedichte. Auch die Luftfahrt verlangt eine hohe Energiedichte, vor allem auf langen Strecken, für die damalige Batterien zu schwer waren. Viele Kunststoffe nutzen Öl als Rohstoff, Stickstoffdünger häufig Erdgas und die klassische Hochofen-Stahlerzeugung Kokskohle.

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

Technologien, die das Energiesystem verändern können

Wahrscheinlichere technische Veränderungen

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.

Auch kleine modulare Reaktoren, SMRs, erlebten 2023 Rückschläge durch steigende Projektkosten. Gleichzeitig wurden neue Konstruktionen entwickelt, darunter SMRs und Mikroreaktoren, sowie Brennstoffkreisläufe mit beispielsweise Thorium. In China waren 2023 24 Reaktoren im Bau, und es gab Berichte über langfristige Pläne für bis zu 150 Reaktoren. Sicherheit und Umsetzbarkeit müssen je Projekt und Konstruktion bewertet werden.

Bessere erneuerbare Energien

Solarenergie kann von neuen Materialien und Fertigungsverfahren profitieren, etwa Dünnschichtzellen mit unter anderem amorphem Silizium sowie neueren Zelltypen mit organischen Materialien oder Perowskiten. Amorphes Silizium gehört nicht zur gleichen Materialkategorie wie die beiden letzteren.

Große Batteriespeicher können das Netz unterstützen. Die EIA-Prognose vom Dezember 2022 betraf die USA: von etwa 9,2 GW erwarteter Leistung Ende 2022 auf 30 GW Ende 2025, mehr als eine Verdreifachung. Das war eine Prognose auf Grundlage von Projektplänen, kein belegtes weltweites Wachstum.

Quelle: EIA

Festkörperbatterien

Batterien mit festem Elektrolyten können wichtige Verbesserungen bringen. 2023 wurde für unterschiedliche Entwickler ein breiter Zeitraum von 2026 bis 2029 diskutiert, kein gemeinsamer garantierter Marktstart. Der Artikel nennt QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) und Samsung SDI (006400.KS). Toyota strebte damals beispielsweise 2027–2028 an. Tesla (TSLA ) (TSLA) wurde in der verlinkten Veröffentlichung wegen eines anderen Ansatzes zur Batterieverbesserung besprochen; der Link allein bestätigt kein kommerzielles Festkörperprodukt.

Unsicherere technische Durchbrüche

Andere Technologien waren weniger ausgereift, könnten langfristig aber große Bedeutung bekommen. Ihr Beitrag zum Energiemix von 2040–2050 ist unsicher.

Brutreaktoren und Wiederverwendung von Kernbrennstoff

Brutreaktoren können aus brutbarem Material neuen spaltbaren Brennstoff erzeugen. Die verlinkte Erklärung zu Brutreaktoren erläutert das Prinzip. Bestimmte schnelle Reaktoren können mit Wiederaufarbeitung auch Aktinide aus abgebranntem Brennstoff nutzen. Das verbessert möglicherweise die Ressourcennutzung und verringert manche Abfallströme, beseitigt aber nicht sämtlichen Abfall und macht Brennstoff nicht unbegrenzt. Frankreich hatte Erfahrungen mit Superphénix, der 1997 stillgelegt wurde. Neben Politik bleiben Technik, Kosten, Wiederaufarbeitung und Abfallmanagement wichtige Fragen.

Weltraum‑Solarenergie

Solarenergie aus dem Orbit kann den Einfluss von Wolken und manchen Tages- oder Jahresschwankungen mindern. Sie löst nicht automatisch alle Probleme: Umlaufbahn, Abschattung, Bau, Kosten und sichere Energieübertragung zur Erde bleiben relevant. Starlink zeigt, dass große Satellitennetze möglich sind, beweist aber nicht die Wirtschaftlichkeit einer Energieübertragung aus dem Weltraum.

Wir untersuchen das im Artikel „Von Science-Fiction in den Orbit: Sind Solarmodule im Weltraum eine gute Idee?“ genauer.

Geothermie

Geothermie kann an geeigneten Standorten kontinuierlich Wärme und Strom liefern. Beispiele für Unternehmen sind Vulcan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA ) (ORA) und Eavor. Die Branche nutzt auch Bohrwissen aus der Öl- und Gasindustrie, aber nicht jedes Unternehmen setzt Fracking ein. Eavor arbeitet beispielsweise mit geschlossenen Kreisläufen. (Wir besprechen Ormat in diesem Artikel und Vulcan im anderen.)

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.

Biologische Alternativen umfassen Mikroalgen für Biokraftstoffe, wie im Artikel „Algenkraftstoff: Die nächste Energierevolution?“, sowie biologische Verfahren zur Herstellung von Biogas und Biomethan aus organischen Abfällen.

Diese Brennstoffe können in Flugzeugen, Schiffen und Prozessen mit hohem Bedarf an Energiedichte oder hohen Temperaturen eingesetzt werden, beispielsweise in der 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.

Die Fusionsreaktion erzeugt kein CO₂ aus Verbrennung. Radioaktive Abfälle können dennoch entstehen, wenn Neutronen Bauteile aktivieren; auch Tritium ist radioaktiv. Deuterium-Tritium-Fusion braucht bestimmte Wasserstoffisotope, und die Herstellung von Tritium aus Lithium ist eine wichtige Herausforderung. Gewöhnlicher Wasserstoff ist deshalb kein unbegrenzt direkt nutzbarer Brennstoff.

Ein wichtiges Forschungsprojekt ist ITER. Daneben entwickeln viele junge Unternehmen Fusionstechnologie, darunter Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TAE Technologies, ZAP Energy und NEO Fusion (mitfinanziert vom chinesischen Elektroautohersteller Nio). Diese Firmen sind nicht sämtlich Teil des ITER-Konsortiums. ITER ist eine Forschungsanlage, kein kommerzielles Stromkraftwerk.

Mögliche zukünftige Energiemixe

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 US-Energiebehörde EIA veröffentlichte im International Energy Outlook 2023 einen Referenzfall und sechs Alternativen mit unterschiedlichen Annahmen zu Wirtschaftswachstum, Brennstoffpreisen und Technologiekosten. Die folgenden Erzählungen sind eine eigene Einteilung dieses Artikels, nicht die offiziellen Namen der EIA-Szenarien.

In vielen EIA-Fällen wächst der Energieverbrauch weiter, und fossile Brennstoffe behalten 2050 einen großen Anteil. Die Ergebnisse hängen von Annahmen und damaliger Politik ab. Es sind bedingte Projektionen, keine sicheren Vorhersagen.

Quelle: EIA

Fortsetzung des bisherigen Kurses

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.

Deutschlands vorübergehende zusätzliche Kohleverstromung in der Energiekrise zeigte die Spannung zwischen Versorgungssicherheit und Klimazielen. Das war keine vollständige Rückkehr zu einem rein fossilen Energiesystem.

Der Weg über moderne Technik

Eine andere Möglichkeit ist eine umfassende technische Umstellung: erneuerbare Energie und ein großer Ausbau der Kernkraft mit konventionellen sowie kleineren Reaktoren.

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.

Kernkraft liefert hier regelbare, kohlenstoffarme Energie auch im Winter. Überschüsse erneuerbaren Stroms können Brennstoffe für emissionsärmere Luftfahrt, Schifffahrt und Schwerindustrie ermöglichen. Das erfordert geeignete Prozesse und ausreichend günstigen Strom.

Der Weg zu geringerem Verbrauch

Angesichts des wachsenden Energiebedarfs in China, Südamerika, Afrika, Indien und Indonesien hält der Artikel diesen Weg für weniger 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.

Das Szenario schrittweiser Anpassung

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 Emissionsminderung erfolgen langsamer als gewünscht. Die CO₂-Emissionen bleiben deutlich über den Netto-null-Pfaden, die der IPCC zur Begrenzung der Erwärmung untersucht.

Das ähnelt in einigen Punkten den EIA-Fällen. Später könnte CO₂-Abscheidung neue Emissionen mindern; die Entfernung aus der Atmosphäre könnte einen Teil früherer Emissionen behandeln.

Das Durchbruchsszenario

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

Ein Beispiel wäre ein deutlicher Rückgang der Kosten orbitaler Solarinfrastruktur durch Wettbewerb zwischen SpaceX (SPCX ) und chinesischen Unternehmen. Gemeint sind sinkende Kosten, nicht weniger Infrastruktur oder zwingend ein militärisches Wettrüsten.

Ein weiteres Beispiel wäre ein großer wissenschaftlicher Durchbruch bei ITER. Der 2023 genannte Start um 2025–2026 gehörte zu einem älteren Projektplan und bedeutete keine kommerzielle Stromerzeugung. Die Planung wurde später geändert; das alte Datum ist kein aktuelles Startziel.

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.