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Welt unter Strom

Energie stellt uns vor eine doppelte Herausforderung: mehr Bedarf bei weniger Emissionen. Warum dieses Jahrzehnt für den Übergang von fossil zu erneuerbar so entscheidend ist.

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Asien – Chuzhou/China | Gaoyou-Projekt – Photovoltaik (PV) | Noch sind landsparende Solarfarmen wie hier auf dem Gaoyou See, dem sechstgrößten Frischwassersee Chinas, selten. Ein Vorteil: Auf einem See gibt es weniger Schatten. Das Beratungsunternehmen Rethink Energy schätzt den globalen Markt für solche Floating-PV-­Anlagen (schwimmende PV) bis 2030 auf 62 Gigawatt.

Berggipfel reiht sich an Berggipfel, an rund 150 Tagen im Jahr liegt Schnee. Winter-Postkartenidylle in Zhangjiakou. In der Millionenstadt in der chinesischen Provinz Hebei finden einige Wettbewerbe der olympischen Winterspiele 2022 statt. Sie sollen mehr als sportliche Superlative bieten: Peking plant „klimafreundliche Winterspiele“. Eine Strategie für die kommenden 30 Jahre, die Zhangjiakou unter anderem mit der Internationalen Organisation für Erneuerbare Energien (IRENA) entwickelt hat, weist der Stadt den Weg, auf regenerative Energie umzustellen. Die gebirgige und wasserreiche Region bietet exzellente geologische Bedingungen für Pumpspeicherkraftwerke und geschätzt 30 Gigawatt Sonnen- und 40 Gigawatt Windenergie, so die Strategie.

 

Zhangjiakou soll anderen Städten im Land als Beispiel dienen: China sucht nach einem Weg, seine rasante Urbanisierung in den nächsten Jahrzehnten nachhaltig zu betreiben. 2015 wurde Zhangjiakou Chinas erste „Nationale Demonstrationszone für erneuerbare Energien“ und ist Teil der Energierevolution, verankert 2016 im 13. Fünf-Jahres-Plan für die Entwicklung der chinesischen Wirtschaft. „Ziel ist, bis 2050 ein sauberes, kohlenstoffarmes, sicheres und effizientes Energiesystem zu entwickeln“, sagt Wang Zhongying, Vize-Generaldirektor des China National Renewable Energy Centre und Co-Autor des Strategiepapiers.

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Nordafrika – Noor Quarzazate/Marokko |  Solarthermie | Tausende Spiegel des Solarkraftwerks Noor in Quarzazate konzentrieren die Energie der Sonne und erhitzen flüssige Solarsalze, die von BASF stammen. Die Energie der heißen Flüssigkeit können rund um die Uhr mehr als 1 Million Menschen nutzen.

Von fossil zu erneuerbar: Wie in China werden überall auf der Welt Energiesysteme transformiert. Die Nutzung der erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind zu steigern, ist einer der zentralen Bausteine, um die Pariser Klimaziele zu erreichen. Denn fossile Energieträger – dazu zählen Öl, Erdgas und Kohle – sind die größte Quelle von Treibhausgasen aus menschlichen Aktivitäten und führen zur Erderwärmung. Um die globale Erwärmung auf weniger als 2 Grad Celsius zu begrenzen, wollen die Länder der Europäischen Union ihren Netto-Ausstoß an Kohlenstoffdioxid (CO2) bis 2050 auf null senken. Städte und Regionen auf der ganzen Welt preschen mit noch ehrgeizigeren Zielen vor: Den Haag will bis 2030 und Reykjavík bis 2040 klimaneutral werden. Kopenhagen hat das Ziel, bis 2025 die erste CO2-neutrale Hauptstadt der Welt zu sein. Bereits jetzt liefern Windräder dort einen Großteil der Energie.

 

Die dänische Hauptstadt gehört den C40 Cities an: In dem Netzwerk haben sich 97 Großstädte von Addis Abeba über San Francisco bis Karatschi zusammengetan, um die Ziele des Pariser Abkommens auf lokaler Ebene umzusetzen: Weil Gebäude für etwa die Hälfte der gesamten städtischen Emissionen verantwortlich sind, sollen beispielsweise ab 2030 in New York und anderen C40-Mitgliedsstädten alle Neubauten klimaneutral betrieben werden. Seit 2019 müssen auf allen neuen Gebäuden in New York zudem nach örtlichem Recht Solarzellen installiert oder Dächer begrünt werden. Die Bürgermeister von 35 Städten, darunter Birmingham, Oslo und Tokio, haben sich verpflichtet, ab 2025 nur noch emissionsfreie Busse zu bestellen.

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Dänemark | Die Fassade der Internationalen Schule im Nordhafen der C40-Stadt Kopenhagen prägen 12.000 Photovoltaikpaneele. Sie sollen mehr als die Hälfte des Strombedarfs im Haus decken.

Trend zur Elektrifizierung

Der Anteil von Strom am gesamten Energiebedarf wird in Zukunft weiter deutlich steigen – besonders bei den großen Energiefressern Mobilität sowie Heizen und Kühlen. Damit steht die Welt vor einer doppelten Herausforderung: Die Menschen brauchen immer mehr elektrische Energie bei ebenso wachsendem Energiehunger. Gleichzeitig müssen die Treibhausgas-Emissionen sinken. Daran dürfte sich 2020 nur kurzfristig etwas geändert haben.

 

„Die Corona-Krise führte zwar zunächst zu einem Einbruch der CO2-Emissionen, den es in dieser Form seit dem Zweiten Weltkrieg nicht mehr gegeben hat“, sagt Professor Manfred Fischedick, Wissenschaftlicher Geschäftsführer des Wuppertal Instituts für Klima, Umwelt, Energie. Doch durch wirtschaftliche Erholungs- und Nachholeffekte werde vermutlich schon in zwei Jahren wieder das Vor-Corona-Emissionsniveau erreicht. Der Wissenschaftler fordert ein „konsequentes Umsteuern auf saubere Energiesysteme“, damit der CO2-Ausstoß dauerhaft sinkt und möglichst schnell wirksame Maßnahmen umgesetzt werden, die den Klimawandel begrenzen.

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Es werde Licht – 90 Prozent aller Menschen haben Zugang zu Strom. Quelle: Energy Progress Report 2020

„Die Maßnahmen, die in diesem Jahrzehnt getroffen werden, sind entscheidend dafür, ob der Klimaschutz gelingt oder nicht“, mahnt daher Lord Adair Turner, Mitvorsitzender der Energy Transitions Commission (ETC), eines weltweiten Zusammenschlusses prominenter Persönlichkeiten aus Wirtschaft, Finanzen und Gesellschaft. Dabei gehe es sowohl darum, Emissionen schnell zu reduzieren, um den Anstieg an CO2 in der Atmosphäre zu begrenzen, als auch bis Mitte des Jahrhunderts Netto-Null-Emissionen im Energie- und Industriesektor zu erreichen. „Dafür müssen die Energieeffizienz verbessert und der Einsatz kohlenstoffhaltiger Energieträger bei der Stromerzeugung zurückgedrängt werden. Außerdem muss ein möglichst großer Teil der Wirtschaft mit Strom aus erneuerbaren Quellen elektrifiziert werden“, erläutert Turner.

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Durch Londons größtes Fußgängerviertel Broadgate verlief zeitweise ein Bodenbelag, der die Schritte von bis zu 60.000 Menschen pro Woche in Energie umwandelte. Diese wurde zur Beleuchtung genutzt.

Klimafreundliche Chemie braucht mehr erneuerbare Energie

Bei BASF steht dieses Ziel schon lange auf der Agenda. Das Unternehmen forscht in seinem Carbon Management Forschungs- und Entwicklungsprogramm an grundlegend neuen Produktionstechnologien, mit denen energieintensive industrielle Prozesse auf erneuerbare Energieversorgung umgestellt werden können. So arbeitet ein interdisziplinäres Forscherteam unter anderem daran, einen elektrisch betriebenen Steamcracker zu entwickeln. In den petrochemischen Anlagen wird bei Temperaturen von 850 Grad Celsius Rohbenzin in Olefine und Aromaten aufgespalten – wichtige Grundbausteine für alle Produkte der Chemie. „Wenn es uns gelingt, den Cracker von Erdgas auf erneuerbaren Strom umzustellen, könnten wir bis zu 90 Prozent des entstehenden CO2 einsparen“, sagt Dr. Andreas Bode, Leiter des Forschungs- und Entwicklungsprogramms Carbon Management bei BASF in Ludwigshafen. Die Herausforderung: Für den neuen Steamcracker müssen sehr große Mengen Strom zuverlässig zur Verfügung stehen – und das zu wettbewerbsfähigen Preisen. „Allein für den Steamcracker bräuchten wir den Strom aus mehr als 100 großen Windkraftanlagen“, sagt Bode. „Hier muss auch die Politik die Weichen stellen, damit das funktioniert.“

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BASF-Podcast ELEMENTary

Carbon Management: Innovation & Forschung für mehr Klimaschutz

Bis 2030 wollen wir bei BASF CO2-neutral wachsen. Um das zu ermög­lichen, hat BASF mehrere Maß­nahmen im „Carbon Manage­ment Forschungs- und Entwicklungs­programm“ gebündelt. Programm­leiter Dr. Andreas Bode spricht über Chancen, Heraus­forderungen und was es braucht, um die chemische Industrie noch klima­freund­licher zu gestalten.  

Zur Episode

Energiespeicher – neue Ideen für mehr Flexibilität

Große Unterschiede im Strommix

Erneuerbare Energien machten 2018 32 Prozent des produzierten Strommixes in der Europäischen Union, 26 Prozent in China, 19 Prozent in Indien und rund 17 Prozent in den USA, Russland und Japan aus. Trotz der grünen Lichtblicke: Die weltweiten energiebezogenen CO2-Emissionen steigen weiterhin. Am Beispiel Chinas zeigt sich das Dilemma: Während das Land weltweit am meisten in erneuerbare Energien investiert, sorgt der Energiehunger des Riesenlandes auch dafür, dass China beim Kohleverbrauch weltweit Spitze ist. Dies möchte Staatschef Xi Jinping langfristig ändern und hat angekündigt, dass sein Land bis 2060 klimaneutral sein werde. In absehbarer Zeit jedoch wird China weiter auf Strom aus Kohle setzen. In den USA, Japan und Indien – Rang zwei bis vier der weltweit größten Kohleverbraucher – sieht es ähnlich aus. In 60 Ländern weltweit, darunter Bangladesch, Vietnam und Indonesien, waren 2019 Kohlekraftwerke mit einer Leistung von rund 580 Gigawatt in Bau oder Planung, rechneten jüngst 30 Umwelt- und Klimaschutzorganisationen für das Projekt Global Coal Exit List aus. Das entspricht einem Zuwachs der installierten Leistung von knapp 30 Prozent des aktuell verfügbaren Stroms aus Kohle.

 

Ein Hoffnungsträger bei der Energiewende ist Wasserstoff, bei dessen Herstellung keine CO2-Emissionen entstehen. Wasserstoff ist nicht nur ein Zukunftsstoff der Verkehrswende: Auch in der Industrie liefert er Energie und wird in großen Mengen beispielsweise in der Chemieindustrie als Reaktionspartner eingesetzt. Bislang setzt die Herstellung von Wasserstoff große Mengen CO2 frei. „Bei der Wasserstoffproduktion gibt es ein großes Potenzial, CO2-Emissionen einzusparen“, sagt Bode. BASF forscht hier unter anderem an neuen, emissionsfreien Prozessen, um Wasserstoff herzustellen. 

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Der Schweizer Einzelhändler Coop ließ 2017 den weltweit ersten Wasserstoff-Lkw mit 34 Tonnen Maximalgewicht rollen. Dieser helfe, jährlich etwa 70 bis 80 Tonnen CO2 einzusparen, heißt es beim Förderverein H2 Mobilität Schweiz.

Bedeutung von Langzeitspeichern nimmt zu

Wasserstoff lässt sich nicht nur für die Industrie oder den Verkehr nutzen, sondern kann auch langfristig in großen Mengen gespeichert werden. Dies könnte künftig eine Antwort auf eine drängende Frage bei den Erneuerbaren sein: Wie kann man die überschüssige Energie an sonnigen und windigen Tagen speichern und sie flexibel genau dann zur Verfügung stellen, wenn es bewölkt und windstill ist? Neben Wasserstoff eignen sich hier auch stationäre Batterien zur Langzeitspeicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen. Die beiden Technologien haben unterschiedliche Einsatzgebiete. Während sich Wasserstoff als Energieträger für einen Zeitraum von mehreren Monaten anbietet, werden Batterien als Langzeitspeicher von Energie von bis zu zwölf Stunden eingesetzt. Eine bewährte Technologie sind beispielsweise NAS®-Batterien (Natrium-Schwefel-Batterien mit hohem Energiegehalt). Sie eignen sich besonders für die Integration von erneuerbaren Energien in Stromnetze. Auch in sogenannten Inselnetzen – lokal abgegrenzten Stromnetzen – unterstützen sie eine stetige Versorgung mit Strom. BASF New Business kooperiert weltweit beim Vertrieb sowie bei der Entwicklung einer neuen Generation NAS-Batterien mit NGK Insulators Ltd., einem führenden japanischen Unternehmen.

 

Emissionsfreie Energie zu erzeugen und jederzeit in der erforderlichen Menge parat zu haben ist die eine Seite der Medaille. Die andere: der Energieverbrauch.

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Nicht nur die Digitalisierung, auch Räume wohnlich zu machen benötigt viel Energie. Daher ist Energieeffizienz so wichtig.
Der weltweite Energiehunger wächst bis 2040 um 25 Prozent. Quelle: Internationale Energieagentur 2018; Szenario unter Berücksichtigung der bestehenden und geplanten Gesetze

Wie können wir weniger Energie für gleiche oder noch größere Aufgaben verbrauchen? „Mit dem smarten Weg“, sagt Jatin Nathwani, Professor Public Policy für Nachhaltige Energie an der kanadischen University of Waterloo: „Fortschritte in den Informations- und Kommunikationstechnologien machen den Aufbau einer vernetzten Welt möglich, die einen viel kleineren ökologischen Fußabdruck als heute hat.“ Ein Anwendungsbeispiel für die Digitalisierung der Energiewende heißt Smart Grid. Das „intelligente Stromnetz“, wie es etwa seit 2012 im Wüstenstaat Katar erprobt wird, besteht aus untereinander vernetzten Computern. Diese steuern etwa die Stromnachfrage und beziehen Energiespeicher automatisch ein. Auch bei dem Ziel der Vereinten Nationen, die 10 Prozent der Menschen, die weltweit noch ohne Strom leben, endlich einzubinden, könnte Digitalisierung in kleinerem Maßstab weiterhelfen. „Digitale Technologien wie Mini-Grids bringen Strom in ländliche, ärmere Orte, ohne dass in ein riesiges zentrales Netz investiert werden muss“, sagt Nathwani.

 

Digitalisierung hat zwei Gesichter

Ohne digitale Lösungen können wir den Kampf gegen die Klimaerwärmung nicht gewinnen. Gleichzeitig ist der Energiehunger digitaler Technologien allerdings enorm. Ob intelligente Netze, Cloud-Anwendungen in der Wirtschaft oder das Streaming von Filmen und Musik: Die tägliche Datenmenge wächst unaufhaltsam. Laut Auftragsstudie der US-amerikanischen International Data Corporation (IDC) wird im Wirtschaftsraum Europa, Naher Osten und Afrika 2025 jeder vernetzte Mensch rund 5.000-mal täglich oder alle 18 Sekunden in irgendeiner Form digitale Daten nutzen. Und jeder Klick verbraucht Strom. Umso wichtiger wird die Effizienz: Laut Koomey’schem Gesetz hat sich die Energieeffizienz von Computern seit 2000 alle 2,7 Jahre verdoppelt. Ein ähnlicher Trend wird bei den Datenübertragungsnetzen beobachtet.

 

Das Problem dabei: Das Wachstum bei der Nutzung war in der Vergangenheit größer als der Effizienzgewinn. Prozessoren erbringen zwar immer mehr Leistung bei geringerem Verbrauch. Gleichzeitig nutzen immer mehr Menschen immer mehr energieintensive Dienste. „Um diesen Reboundeffekt zu verhindern, müssen wir die Frage nach dem richtigen Maß und damit der Suffizienz stellen“, sagt Fischedick. Im Blick auf die digitale Technik bedeutet das: Dem Überverbrauch entgegenwirken – nicht ständig das neueste Smartphone kaufen, Datenspeicher auch mal aufräumen und die Nutzung nicht ausufern lassen.

Was wie viel Strom benötigt und erzeugt

Um Maßeinheiten begreifbarer zu machen, kombinieren wir sie mit Verbrauchswerten*. Diese sind jedoch von vielen Faktoren abhängig und variieren je nach Modell und Hersteller. Die Durchschnittsangaben und Näherungswerte dienen daher nur der groben Orientierung.

* Eine Wattstunde (Wh) ist die Energiemenge, die bei einer elektrischen Leistung von einem Watt innerhalb von einer Stunde umgesetzt wird.

Die Hürde beim Energiesparen

Damit Energie sparsam und gleichzeitig sinnvoll eingesetzt wird, sind demnach auch die Verbraucher gefragt. Theoretisch kann Energiesparen so einfach sein: Duschen statt Baden, Fahrrad oder Fahrgemeinschaft statt allein im Auto, einen effizienten Kühlschrank kaufen und den alten nicht im Keller weiternutzen. Bei aller Einsicht fällt es Menschen aber schwer, ihr Verhalten zu ändern, meint Fischedick. Kaum einer verzichtet auf lieb gewonnene Gewohnheiten, Komfort oder Zeitersparnis, nur um Energie zu sparen. „Heutige Gesellschaften ändern sich eigentlich nur, wenn der Druck schon sehr hoch ist, wenn es quasi kaum noch Handlungsalternativen gibt. Unter dem Eindruck der Corona-Krise kann Klimaschutz aber endlich einen höheren Stellenwert gewinnen“, hofft der Geschäftsführer des Wuppertal Instituts.

 

Das Team des internationalen Konsortiums Affordable Energy for Humanity Global Change Initiative um Mitbegründer Professor Nathwani setzt auf Partizipation, um das Verhalten zu ändern: „Technologische Lösungen für eine nachhaltige Energieversorgung sind nicht genug, sie müssen im jeweiligen kulturellen Kontext funktionieren.“ Das bedeute: Zeit mitbringen, den Menschen vor Ort zuhören und gemeinsam mögliche Lösungen ausprobieren.

Menschliche Körperwärme + Gelatine = Elektrizität

Mit dieser vermeintlich simplen Formel und Jahren Tüftelei konnte ein Team der Southern University of Science and Technology in Shenzhen/China eine Ausgangsleistung von 5 Mikrowatt (0,000005 Watt) erreichen – das ist vielversprechend, um etwa medizinische Sensoren mit Strom aus Körperwärme zu versorgen.

 

Beim Kaugummikauen Strom erzeugen?

Klingt schräg, wurde aber 2014 an der École de technologie supérieure in Montreal/Kanada erforscht: Die Wissenschaftler befestigten dazu einen Kinngurt aus piezoelektrischen Verbundfasern (PFC) an elektrischen Ohrenschützern. Durch die Bewegung von PFC entsteht elektrische Spannung. 60 Sekunden lang Kaugummi zu kauen, erzeugte allerdings nur 18 Mikrowatt Leistung (0,000018 Watt).

 

Wer sich schnell ekelt, sollte nicht weiterlesen

Forscher der Technischen Universität Delft/Niederlande haben eine Toilette entwickelt, die menschliche Ausscheidungen zur Energiegewinnung nutzt. Fäkalien und Urin werden dabei getrocknet, in Synthesegas umgewandelt und in eine Brennstoffzelle eingespeist.

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