Interview zur Energiewende Der Umbau des Systems ist machbar

Herr Schüth, hat sich die Einstellung der Wissenschaft zur Energiewende gewandelt?

Ich kann nicht für alle Kollegen sprechen, aber ich glaube, es gibt eine große Übereinstimmung, dass das Vorhaben in Deutschland technologisch und wissenschaftlich grundsätzlich machbar ist. Wir können zwar noch nicht alle technischen Probleme lösen, die der Umbau des Energiesystems erfordert. Wir können aber viele Antworten geben. Die großen Hürden liegen an anderer Stelle, etwa an der Umsetzung, den Kosten und an den Mechanismen des Marktes. Das Regelungsgeflecht unseres Energiesystems ist so komplex dass man es nicht mehr durchschaut. Aber ich bleibe dabei, die Ziele, die ja bereits im Jahr 2010 formuliert wurden, sind technologisch erreichbar.
 

Allerdings könnte man  den Eindruck gewinnen, dass wissenschaftliche Fragestellungen in der öffentlichen Diskussion keine große Rolle spielen.

Die Wissenschaft wird von der Polititk durchaus gehört, wenn es häufig auch nicht so sichtbar wird. Erst in der vergangenen Woche haben die deutschen Akademien und Forschungsministerin Johanna Wanka das Projekt „Energiesysteme der Zukunft“ vorgestellt, in dem die Energiewende wissenschaftlich begleitet werden soll.

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In welchem Zeitfenster ist die Energiewende zu erreichen?

Die „kleine“ Energiewende mit der Abschaltung aller Kernkraftwerke bis 2022 ist vergleichsweise einfach zu verwirklichen. Was zu tun ist, steht eigentlich seit dem ursprünglichen Atomausstiegsbeschluss von 2002 auf der Agenda: entschiedener Ausbau der Stromnetze, Ausbau der erneuerbaren Energien und der Neubau von fossilen Kraftwerken, insbesondere von Gaskraftwerken. Letzteres ist allerdings für die Energieversorger unter der derzeitigen Prämisse, dass der grüne Strom Priorität genießt, nicht rentabel, da die jährlichen Betriebszeiten für solche Kraftwerke zu kurz sind. Deshalb tut man sich mit dem Bau neuer Anlagen sehr schwer. Die großen Herausforderungen stellen sich mit der „großen“ Energiewende bis zum Jahr 2050, wenn bis dahin 80 Prozent der Stromversorgung von den erneuerbaren Energiequellen kommen sollen und man den CO2-Ausstoß gegenüber 2010 um 80 Prozent reduzieren will.

Dazu braucht es Verfahren, um den Strom, den Wind und Sonne liefern, zu speichern. Welche Technologien sind hierfür notwendig?

Wir haben vier Möglichkeiten, auf fluktuierende Einspeisung und fluktuierenden Verbrauch zu reagieren. 1. Man kann Reservekapazitäten schaffen. 2. Man muss die Stromnetze so weit ausbauen, so dass sich Fluktuationen regional ausgleichen können. 3. Es gibt die Möglichkeit des sogenannten Demand-Side-Managements. Man kann die Nachfrage nach Energie bei den Abnehmern gezielt steuern, so dass kein zusätzlicher Strom erzeugt werden muss. Und die vierte Möglichkeit ist die Speicherung von elektrischer Energie auf chemischem Weg oder über mechanische Verfahren, wie Pumpwasserspeicher. Am Ende wird es wahrscheinlich eine Mischung von allen Elementen geben. Man sollte die Kombination favorisieren, die am günstigsten ist.

Pumpspeicherkraftwerke können nur für wenige Stunden Strom liefern. Welche Optionen bieten sich für die Energiespeicherung im großen Maßstab für größere Zeiträume?

Dazu braucht man chemische Energiespeicher. Grundsätzlich sind Kohlenwasserstoffe dafür die besten Stoffe, da sie die größten Energiedichten aufweisen.

... die man bislang aus Erdöl gewinnt.

Methan und höhere Kohlenwasserstoffe lassen sich auch aus Biomasse herstellen. Ein anderer Speicher ist natürlich Wasserstoff, den man durch Elektrolyse von Wasser erzeugt und bei Bedarf etwa in Brennstoffzellen rückverstromen oder - vielleicht besser - in der chemischen Industrie oder für die Mobilität nutzen kann. Seit fast hundert Jahren wissen wir, wie man Kohlenwasserstoffe aus Wasserstoff und jedem kohlenstoffhaltigen Material synthetisch in großem Maßstab herstellt. Sogar aus CO2, wenn dies auch energetisch nicht sehr sinnvoll ist, solange wir noch fossile Energieträger verbrennen. Der Prozess ist aber noch viel zu teurer, um mit der Verarbeitung von Erdöl konkurrieren zu können. Grundsätzlich gilt: Je kürzer die Kette ist, elektrische Energie chemisch zu speichern, desto besser. Jeder Schritt erzeugt Verluste und mehr Kosten, so dass vieles dafür spricht, beim Wasserstoff stehen zu bleiben.

Der kürzeste Weg wäre demnach die Elektrolyse von Wasser und den gewonnenen Wasserstoff dann zu verstromen?

Der erste Schritt vom Strom zum Stoff ist der entscheidende, wenn ich nicht bei elektrischer Energie bleiben will. Wir haben auch ein anderes Problem zu lösen: Wenn der Strom von fluktuierenden erneuerbaren Quellen kommt, können die Elektrolyseanlagen nicht mit konstanter Leistung gefahren werden. Es rechnet sich aber nicht, diese Anlagen nur an den wenigen Tagen zu nutzen, wenn man einen Überschuss an Strom im Netz hat, auch wenn dieser günstig ist. Elektrolyseapparate, die trotz Schwankungen effizient arbeiten und nicht zu hohe Investitionskosten haben, werden derzeit entwickelt. Eine vielversprechende Variante arbeitet wie eine umgekehrt laufende Brennstoffzelle mit einer Polymerelektrolytmembran.

Ein möglicher Hebel wären doch sicher auch bessere Katalysatoren.

Man erzielt derzeit bei der Elektrolyse eine Effizienz von etwa 60 Prozent. Man kann versuchen, die Effizienz zu erhöhen und günstigere Elektrokatalysatoren herzustellen. Viele Elektrolysezellen arbeiten mit teuren Platinkatalysatoren. Es gibt Ansätze, Platin durch Reaktionsbeschleuniger zu ersetzen, die auf Cobalt oder Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen - also kostengünstigeren Materialien - basieren. Auch die anschließenden Prozesse sind katalytische. Hat man Wasserstoff über die Elektrolyse erzeugt, kann man Methan, Methanol und Diesel katalytisch in großen Mengen herstellen, die man besser transportieren und speichern kann als Wasserstoff. Ich halte aber nicht soviel davon. Solange wir fossilen Kohlenstoff nutzen, sollte man lieber den elektrolytisch gewonnenen Wasserstoff stofflich nutzen oder direkt wieder verstromen und dafür ein Kohlekraftwerk herunterfahren. Das wäre in der Summe energetisch günstiger und für die  CO2-Billanz besser. In einem weitgehend regenerativen System kann es von Vorteil sein, Kohlenwasserstoffe durch CO2-Hydrierung zu synthetisieren.

Den Königsweg scheint es also nicht zu geben. Wo sind die größten Fortschritte zu erwarten?

Den sehe ich derzeit in der Batterietechnik. Es passiert ganz viel bei Lithium-Ionen-Batterien, aber auch bei der Generation danach. Das liegt vor allem daran, dass weltweit viele Unternehmen und öffentliche Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet arbeiten.

Lithium-Ionen-Batterien sind wegen ihrer hohen Energiedichte vor allem doch für Fahrzeuge sinnvoll?

Das stimmt, aber es gibt heute durchaus stationäre Großbatterien mit geringeren Energiedichten. Eine japanische Windfarm nutzt beispielsweise als Speicher eine Anlage von Natrium-Schwefel-Batterien mit einer Kapazität von 250 Megawattstunden. Damit kann man elektrische Energie bei großer Flaute sieben Stunden lang puffern. Unter Effizienzgesichtspunkten wäre es das Beste, den elektrischen Strom in einer Batterie zu speichern. Batterien haben je nach Lade- und Entladeströmen Effizienzen von bis zu 90 Prozent. Für die saisonale Speicherung über Monate werden Batterien aber vermutlich nicht genutzt werden können.

Batterien sind noch immer vergleichsweise teuer.

Bei Batterien sind vor allem die Materialien die Kostentreiber. Auch sind die Natrium-Schwefel-Batterien keine trivialen Systeme. Sie arbeiten bei 300 Grad mit geschmolzenem Natrium. Das hat man aber mittlerweile auf der großtechnischen Skala bereits im Griff. Man denkt sogar darüber nach, die altbewährte Bleibatterie für stationäre Anwendungen zu nutzen. Die ist von der Speicherdichte zwar nicht so gut, aber robust, billig und lange verwendbar. Man kann elektrische Energie auch als Wärme speichern. Wir arbeiten in Mülheim beispielsweise an einem Hydridspeicher, der über einen Generator mit Wärmeenergie beladen wird.

Wie sehen Sie Potentiale der photokatalytischen Wasserspaltung?

Die direkte Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht ist eine der größten Herausforderungen der Chemie. Technologisch muss man natürlich mir der Kombination Solarzelle plus Elektrolyse konkurrieren. Hier erreicht man derzeit zehn Prozent Effizienz, um mit Sonnenenergie Wasserstoff zu erzeugen. Das muss die photokatalytische Wasserspaltung, die auf knapp ein Prozent kommt, erst mal schlagen. Und sollte das eines Tages erreicht sein, kommt die nächste Herausforderung. Es ist vergleichsweise einfach, von einem Solarzellenfeld den Strom zu einem zentralen Elektrolyseapparat zu leiten. Die Gasbläschen, die überall auf einem zehn Quadratkilometer großen Feld sprudeln, an einem Ort zusammenzuführen - ohne Lecks in Pipelines -, das ist noch eine ganz andere Herausforderung. Wenn Sie mich fragen, auf was ich wetten würde, so ist das derzeit die Kombination Solarzelle und Elektrolyseur. Die photokatalytische Wasserspaltung hat allerdings das Potential, mit den richtigen und kostengünstigen Photokatalysatoren Wasserstoff sehr preiswert zu erzeugen. Ein solches Kostensenkungspotential sehe ich bei der Kombination Solarzelle und Elektrolyse derzeit noch nicht.

Gibt es denn derzeit schon Projekte, wo Speicherverfahren in größerem Maßstab getestet werden?

Davon  gibt es eine ganze Reihe. Um nur drei Beispiele zu nennen: „Audi“ arbeitet im „e-gas“ Projekt daran, Methangas aus elektrolytisch hergestelltem Wasserstoff zu erzeugen und dann in gasbetriebenen Autos als Kraftstoff zu nutzen. Die Firma „Enertrag“ hat in einem Verbund Windenergie, Biogas, Wasserstoffelektrolyse und Blockheizkraftwerke so zusammengeschaltet, dass die Fluktuationen ausgeglichen werden. Und ein Konsortium aus „RWE“, „General Electric“, „Züblin“ und dem „Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum“ plant den Bau eines Druckluftspeichers, der wesentlich effizienter sein wird als die wenigen heute betriebenen.

Was ist also als Nächstes zu tun?

Ich halte drei Dinge für vordringlich: Erstens sollten die im Netzausbauplan vorgesehenen Maßnahmen zügig umgesetzt werden, um die Elektrizitätsnetze für die kommenden Herausforderungen zu ertüchtigen. Zweitens erscheint mir eine grundsätzliche Reform des Regelungsdickichts im Energiesektor erforderlich, man könnte hier fast von einem „Reset“ sprechen, und drittens ist es notwendig, die Forschungsansätze weiter zu verfolgen und zu intensivieren, die uns die Technologie für die Zeit nach 2025 liefern werden.

Von einem Mangel an Konzepten kann man also nicht reden.

Konzepte sind vorhanden. Über die Frage, welcher Weg schließlich gewählt wird, werden letztendlich die Kosten, aber auch die Akzeptanz in der Bevölkerung entscheiden. Die Wissenschaft kann immer nur die Grundlagen schaffen. Sie kann sagen, welcher Weg unter welchen Gesichtspunkten der bessere wäre. Wohin die Reise gehen soll, darüber müssen letztendlich Politik und Gesellschaft entscheiden.

Herr Schüth, ich danke Ihnen für das Gespräch.

Das Gespräch führte Manfred Lindinger