Unsere zukünftige Energiemischung

Vorhersage von Energiesystemen

Kaum ein Thema ist so komplex und wichtig wie die zukünftige Energiemischung unserer Zivilisation. Je nachdem, wen man fragt, ist die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen nicht zu überwinden oder erneuerbare Energien werden mit atemberaubender Geschwindigkeit die Oberhand gewinnen. Die Realität ist natürlich komplex und es ist sehr schwierig, die Zukunft der Energie vorherzusagen.

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

Wo wir sind

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

Zum Beispiel verwenden wir immer noch so viel, wenn nicht sogar mehr, Biomasse (meist Holz) wie in den 1800er Jahren, vor der Industriellen Revolution. Ebenso ist der Kohleverbrauch größtenteils nur über die Zeit hinweg gestiegen, dem Öl, Gas und dann Wasserkraft, Kernenergie und erneuerbaren Energien hinzugefügt wurden.

Quelle: OurWorldInData

Dies mag überraschend sein, wenn man bedenkt, wie viel Fortschritt in unserer Stromerzeugung erneuerbare Energien offensichtlich gemacht haben. Dies liegt an mehreren Ursachen:

• China, der Leader bei der Kapazitätserweiterung erneuerbarer Energien und dem Übergang zu Elektrofahrzeugen, ist auch der Leader bei der Errichtung von Kohlekraftwerken.
• Der größte Teil des Primärenergieverbrauchs wird nicht zur Stromerzeugung verwendet. Stattdessen stammt der größte Teil unseres Energieverbrauchs aus Mobilität, Heizung und industriellen Anwendungen wie Stahlproduktion und Petrochemikalien (Produktion von Düngemitteln, Plastik, Pharmazeutika, Chemikalien usw.).
• Bevölkerungswachstum und Milliarden, die extreme Armut überwinden, führten zu einem wachsenden Energieverbrauch, wobei oft die billigste verfügbare Option Kohle war. Ebenso wie mehr Fleischkonsum, Klimaanlagen, Autos, Flugreisen usw.
• Die Globalisierung der Wirtschaft führte zu einer Vielzahl von Transporten von Waren, einschließlich mehrfacher Hin- und Her-Bewegungen von Rohstoffen, halbfertigen Teilen und Endprodukten.
• Die Industrialisierung der Landwirtschaft erhöhte die Erträge und verringerte die erforderliche Arbeitskraft, aber auch den Verbrauch von fossilen Brennstoffen und Düngemitteln.

Für jeden, der sich um den Klimawandel und Kohlenstoffemissionen sorgt, kann dies eine deprimierende Aussicht sein, mit fossilen Brennstoffen, die fest in unserer globalen Energiemischung verankert sind. Aber dies ist nicht die ganze Geschichte.

Der laufende Wandel

Von einer kaum theoretischen Idee im Jahr 2016 sind Elektrofahrzeuge (EVs) jetzt ein exponentiell wachsender Teil des globalen Verkaufs, mit mehr als 10 Millionen verkauften Elektrofahrzeugen im Jahr 2022 oder 14 % des globalen Verkaufs, wobei China und Europa den Weg weisen.

Quelle: IEA

Der Anteil erneuerbarer Energien (Wasser + Sonne + Wind + Geothermie) wächst auch schnell. Und während einige Länder seit langem auf dieser Liste stehen, dank massiver Wasserkraftressourcen (wie Norwegen, Brasilien oder Kanada), ist Sonne + Wind wirklich, wo der Wandel passiert.

Quelle: Our World In Data

Ein Blick auf Länderebene zeigt den klaren Wendepunkt im Jahr 2010, als erneuerbare Energien oft mehr als verdoppelt wurden, in der Regel vollständig von dem Wachstum in Solar- und Windenergie getragen. Zum Beispiel China und Australien:

Quelle: OurWorldInData

Quelle: OurWorldInData

Ein massiver Treiber dieses Wandels war der steile Rückgang der Kosten für erneuerbare Energien. Getrieben gleichermaßen durch technologische Innovation und die Skalierung der industriellen Produktion, hat dies erneuerbare Energien zunehmend wettbewerbsfähig gemacht. Zumindest auf dem Papier scheinen erneuerbare Energien jetzt billiger als fossile Brennstoffe (mehr darüber unten), wie von der IRENA (Internationale Agentur für erneuerbare Energien) gezeigt.

Quelle: IRENA

Die Herausforderungen

In den letzten Jahren begann eine seltsame Situation zu entstehen. Der schnell sinkende Preis erneuerbarer Energien hat viele Menschen davon überzeugt, dass fossile Brennstoffe bald der Vergangenheit angehören werden.

Quelle: Twitter/X

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

Und diese Inflation hat den Gewinn geplanter erneuerbarer Projekte stark beschädigt. Massive Offshore-Windprojekte abgesagt, abstürzende Aktienkurse von Solar- und Windunternehmen, dies war eine schmerzhafte Zeit. Mehr darüber kann man in unserem Artikel “The 2023 Renewable Energy Crash” lesen.

Sogar der Verkauf von Elektrofahrzeugen wird in Frage gestellt, nach der Verschiebung oder Absage der Elektrofahrzeugstrategie von großen Herstellern wie GM, Ford oder Honda.

Intermittenz erneuerbarer Energien

Ein wichtiger Punkt, der gelöst werden muss, ist die Energiespeicherung. Die Produktion von Wind- und Solarenergie hängt vom Wetter ab und kann zeitlich von der Nachfrage getrennt sein. Dies ist ein Problem für ein Stromnetz, das “just-in-time”-Produktion und ein perfektes Gleichgewicht zwischen Produktion und Nachfrage erfordert.

Es gibt viele mögliche Alternativen, aber die Technologien sind entweder gerade erst im Entstehen oder haben noch nicht auf einer großen Skala begonnen. Dies führt zu einem Energieüberschuss am Tag und/oder im Sommer und einem Mangel in der Nacht und/oder im Winter.

Das Problem ist nicht unlösbar, aber es erfordert eine gut koordinierte Politik und mehr Investitionen in Stromnetze.

Und ehrlich gesagt, auch die Anerkennung, dass die “wahren” Kosten erneuerbarer Energien die Kosten der Energiespeicherung einschließen sollten. Erneuerbare Energien sind vielleicht noch nicht vollständig billiger als fossile Brennstoffe, zumindest wenn sie einen großen Teil der Stromproduktion eines Landes ausmachen.

Die Grenzen von Batterien

Die Sorge um die Aufrechterhaltung des Tempos bei der Adoption von Elektrofahrzeugen ist auf ähnliche technologische Einschränkungen zurückzuführen. Während die frühen Adoptierer mit höheren Anfangskosten, geringerem Bereich oder langsamerer Ladezeit als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren zufrieden waren, könnten andere Käufer dies nicht sein. Der Mangel an Lithium, der den Preis des weißen Metalls in die Höhe treibt, hat auch einige Bedenken aufgeworfen.

Glücklicherweise kommen neue Batterietechnologien bald, von chinesischen Natrium-Ionen-Batterien zu Festkörperbatterien, die helfen sollten, die Preise von Elektrofahrzeugen zu senken und berechtigte Bedenken wie Reichweitenangst oder Brandgefahr zu beseitigen.

Schwierig zu ersetzenener Energiebedarf

Und dann gibt es einige Energieverbrauch, der einfach schwer zu ersetzen ist. Zum Beispiel benötigt der über lange Strecken verkehrende Schiffsverkehr immer noch einen sehr dichten und flüssigen Brennstoff, um zu funktionieren. Fliegen erfordert auch eine sehr hohe Energiedichte, die Batterien derzeit nicht liefern können. Die meisten Kunststoffproduktionen basieren auf Öl, Düngemittel auf Gas und Stahl auf Koks.

Auch hier gibt es Lösungen, aber sie sind noch nicht ausgereift und weit von einer globalen Verbreitung entfernt.

Technologien, die das Spiel verändern

Die wahrscheinlichen Spielveränderer

Es gibt bereits einige Lösungen, die helfen können, das Wachstum erneuerbarer Energien und niedrigemissionstechnologien wieder anzukurbeln.

Nukleare Innovation

Nach wie vor umstritten, ist die Kernenergie dennoch eine niedrigemissionstechnologie , die benötigt werden könnte, um die Lücke zu einer zukünftigen erneuerbaren Energie zu überbrücken.

Kleine Kernreaktoren (SMRs) sind ein weiterer Bereich, der kürzlich schlechte Nachrichten aufgrund steigender Kosten erlebt hat, die mit der globalen Inflation zusammenhängen. Aber in jedem Fall erlebt die Kernenergietechnologie eine Renaissance, mit neuen, sichereren Designs, die auf kleinere Reaktoren (SMRs und Mikroreaktoren) oder sogar neue Brennstoffe wie Thorium schauen. Währenddessen baut China 24 neue große Kernreaktoren und plant insgesamt so viele wie 150 Reaktoren.

Bessere erneuerbare Energien

Der sinkende Preis im Vergleich zu fossilen Brennstoffen wird wahrscheinlich ein dauerhafter Trend bleiben. Dies gilt insbesondere für Solarenergie, mit Innovationen wie dünnschichtigen Solarzellen oder 3. Generation Solarzellen (amorphes Silizium, organische Polymere oder Perowskitkristalle).

Utility-Skalen-Batterieprojekte werden auch helfen, mit mehr als dem dreifachen der aktuellen Kapazität bis 2025.

Quelle: EIA

Festkörperbatterien

Jeder, der an Batterietechnologie arbeitet, weiß, dass Festkörperbatterien, die keine flüssigen Elektrolyte wie die aktuellen Lithiumbatterien benötigen, ein Spielveränderer sein werden. Und viele Unternehmen sprechen darüber, ihre eigene Version von Festkörperbatterien ab 2026-2029 zu starten. 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 Spielveränderer

Einige andere Technologien sind weniger ausgereift, aber vielversprechender und werden wahrscheinlich die Art und Weise sein, wie wir unsere Energie in den Jahren 2040-2050 und danach erhalten.

Nukleare Surgeneratoren

Ein großes Problem mit Kernkraftwerken ist das nukleare Abfall. Surgeneratoren (oder “Brüter”) können diese nuklearen Abfälle verbrauchen und sie wieder in Energie und nuklearen Brennstoff umwandeln. Dies könnte sowohl den verfügbaren nuklearen Brennstoff virtuell unbegrenzt machen als auch das Problem der nuklearen Abfälle stark reduzieren. Ein Bonus ist, dass diese Technologie nicht wirklich neu ist, da sie von Frankreich bis 1997 verwendet wurde, also ist sie nur spekulativ aufgrund der politischen Schwierigkeiten im Zusammenhang mit Kernenergie.

Weltraum-basierte Solarenergie

Die Produktion von Solarenergie aus dem Orbit würde alle Probleme der Solarenergie auf einmal lösen: keine Intermittenz, keine Wolken, keine sinkende Produktion im Winter. Mit dem plötzlichen Realwerden von Weltraum-Internet mit Starlink ist dies nicht so abwegig, wie es klingt.

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

Geothermie

Eine bisher weitgehend vernachlässigte Quelle erneuerbarer Energie, die in der Lage ist, Grundlaststrom 24/7 zu liefern, ist die Geothermie. Dies ändert sich jetzt, mit Unternehmen wie Vulkan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA) und Eavor. Diese Unternehmen nutzen, ironischerweise, die Fortschritte im Bohren und Fracking, die von der Ölindustrie gemacht wurden, um auf die Wärmequellen der Erde zuzugreifen. (Wir haben Ormat in diesem Artikel und Vulkan in diesem behandelt).

Synthetische Kraftstoffe

Strom, der aus erneuerbaren Energien (oder sogar Kernenergie) erzeugt wird, könnte verwendet werden, um Gas oder flüssige Kraftstoffe zu synthetisieren. Dazu gehören Wasserstoff, Ammoniak, Syngas oder synthetische Kraftstoffe.

Eine weitere Option für synthetische Kraftstoffe könnte darin bestehen, die Biologie zu nutzen und Mikroalgen zur Erzeugung von Biotreibstoffen (siehe “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?“) oder Bio-Fermenter zur Erzeugung von Biogas und Biomethan aus organischen Abfällen zu verwenden.

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

Fusion

Fusionsenergie zielt darauf ab, Energie durch die Verschmelzung von leichten Elementen wie Wasserstoff zu erzeugen, wodurch der Prozess, der die Sonne antreibt, auf der Erde rekonstruiert wird. Mit Temperaturen, die von Millionen bis hin zu Hunderten von Millionen von Grad reichen, ist dies eine immense technologische Herausforderung.

Sie würde auch saubere Energie liefern, die weder Kohlenstoff noch nukleare Abfälle produziert, mit einer unbegrenzten Versorgung mit “Brennstoff”, da Wasserstoff das häufigste Atom im Universum ist.

Das größte Fusionsprojekt ist das internationale Forschungskonsortium ITER, mit viele Start-ups, die auch den Traum der nuklearen Fusion verfolgen, einschließlich Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy und NEO Fusion (finanziert von dem chinesischen Elektrofahrzeughersteller Nio).

Die zukünftige Energiemischung

Obwohl sie wahrscheinlich langfristig vielversprechend sind, werden wir hauptsächlich mögliche Energiemischungen ohne die “spekulativen Spielveränderer” untersuchen, die oben diskutiert wurden, während wir auf den Horizont von 2040 schauen.

Die EIA (Energy Information Administration) hat mehrere Szenarien veröffentlicht, abhängig von Wirtschaftswachstum und der Einführung oder Nicht-Einführung von Niedrigemissionstechnologien.

In den meisten Fällen wird der Energieverbrauch voraussichtlich weiter ansteigen, wobei fossile Brennstoffe bis 2050 den größten Teil der Weltenergie ausmachen werden. Dies ist eine Prognose, wenn keine Gesetze geändert werden und Investitionen in Energie im Einklang mit dem aktuellen Trend bleiben.

Quelle: EIA

Business as usual

Dies ist ein deprimierendes Szenario für jeden, der auf den Klimawandel achtet. Es geht davon aus, dass Kohle, Gas und Öl für die nächsten zwei Jahrzehnte die dominierende Kraft in unserem Energiesystem bleiben und den größten Teil unserer Energie produzieren werden.

Dies ist weit von unmöglich, wie die jüngste Rückkehr Deutschlands zu Kohle zeigt, obwohl das Land zuvor als Champion der erneuerbaren Energien und des Energiewandels galt.

Der High-Tech-Weg

Eine weitere Option ist, dass unsere Gesellschaften technologischen Wandel bei der Energie annehmen. Dies umfasst erneuerbare Energien, aber auch massiv Kernenergie, wahrscheinlich sowohl konventionelle als auch kleinere Arten auf einmal.

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

Es ist auch ein Szenario, in dem Elektrofahrzeuge weiterhin schnell angenommen werden, wahrscheinlich dank neuer Batterietechnologien.

Während Kernenergie Grundlaststrom und Winterkapazitäten produziert, können erneuerbare Energien überschüssige Produktion für flüssige Kraftstoffe zur Dekarbonisierung von Flugverkehr, Schifffahrt und Schwerindustrie bewältigen.

Der Weg der geringen Verbrauchsnachfrage

Angesichts des Hungers nach Energie der Entwicklungsländer, einschließlich nicht nur China, sondern auch Südamerika, Afrika, Indien und Indonesien, scheint dies nicht sehr wahrscheinlich.

Irgendwie würde es “wahre” Deindustrialisierung bedeuten und wahrscheinlich einen Rückgang der Lebensstandards, mit weniger Reisen und internationalen Handel. Die Landwirtschaft deindustrialisiert sich zu einem gewissen Grad, die industrielle Aktivität sinkt und die Wirtschaften werden viel lokaler.

Ein solches Szenario sollte wahrscheinlich in Verbindung mit massiven internationalen Spannungen, Krieg oder einer globalen Depression gesehen werden, die den plötzlichen Rückgang der Wirtschaftstätigkeit erklärt, da eine freiwillige Wahl niedrigerer Produktion in demokratischen und autokratischen Ländern unwahrscheinlich erscheint.

Das Szenario des Durchwurstelns

Dies ist ein Szenario, in dem alles gleichzeitig passiert. Fossile Brennstoffe sind leicht rückläufig, aber nicht vollständig ausgemustert. Kohle wird insgesamt ausgemustert, aber Öl und Gas nicht so sehr. Einige Länder setzen auf Kernenergie, andere auf erneuerbare Energien, andere bleiben beim Business-as-usual.

Elektrifizierung und Dekarbonisierung finden statt, aber mit einer langsameren Geschwindigkeit als gewünscht. Kohlenstoffemissionen bleiben in diesem Szenario viel höher als das Netto-Null-Szenario, das die GIEC zur Begrenzung des Anstiegs der globalen Temperaturen vorgeschlagen hat.

Dies unterscheidet sich nicht sehr von den oben genannten EIA-Szenarien. Später könnte die Kohlenstoffabscheidung eingesetzt werden, um die Dekarbonisierung zu beschleunigen und einige der vergangenen Emissionen umzukehren.

Das Durchbruchsszenario

Ein Durchbruch bei der Energieerzeugung wird erzielt, der es ermöglicht, reichlich Energie zu produzieren, und die Lösung kann schnell auf der ganzen Welt eingesetzt werden.

Es könnte ein drastischer Rückgang der orbitalen Solarenergie-Infrastruktur durch einen neuen Weltraumwettlauf zwischen SpaceX und chinesischen Unternehmen sein.

Oder ein massiver Erfolg für ITER bei dessen Start im Jahr 2025-2026.

Oder revolutionäre neue Designs in Solar- und Batterietechnologie.

Solche Veränderungen sind von Natur aus fast unmöglich vorherzusagen oder zu quantifizieren. Aber sie sollten auch nicht vollständig abgelehnt werden.