Energie für die Zukunft
Forschende der Max-Planck-Gesellschaft arbeiten an Lösungen für die Energiewende
Leben braucht Energie. Das gilt für primitive Einzeller genauso wie für den Menschen in seiner hochtechnologisierten Welt. In Deutschland verbraucht ein Mensch durchschnittlich täglich 85 Kilowattstunden. Damit könnte man mit eine Waschmaschine auch 85 Ladungen Wäsche waschen. Bislang stammt diese Energie vorwiegend aus fossilen Energieträgern wie Kohle, Öl und Gas. Das bei ihrer Verbrennung frei werdende Kohlendioxid heizt jedoch das Erdklima auf. Die Lösung ist klar: Erneuerbare Energien. Die Forschung der Max-Planck-Gesellschaft zeigt, warum dieser Weg richtig ist und wie das Ziel erreicht werden kann.
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Warum brauchen wir erneuerbare Energien?
Der Zusammenhang ist einfach: Wächst der Wohlstand, steigt auch der Energiebedarf. Forscherinnen und Forscher am Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte wissen: Hätte man nicht lange Zeit Kohle und Gas verbrannt, wäre das Wirtschaftswunder in Deutschland kaum denkbar gewesen. Gleichzeitig stieg weltweit der Ausstoß von Treibhausgasen, die die Atmosphäre immer weiter aufheizten. In vielen Teilen der Welt ist schon heute deutlich zu spüren, welche Folgen der menschengemachte Klimawandel hat. Um den Klimawandel zu bremsen, muss die Menschheit die fossilen Energieträger durch erneuerbare Energie ersetzen. Wie Forschende am Max-Planck-Institut für Chemie zeigen, rettet eine Abkehr von fossilen Brennstoffen aber auch alleine dadurch Millionen Menschen, dass die Luftverschmutzung abnimmt.
Wie kann die Energiewende in Deutschland gelingen?
Deutschland soll bis 2045 klimaneutral werden. Schon bis 2030 soll Strom zu 80 Prozent aus erneuerbaren Quellen fließen. Stand 2023 wurden 52 Prozent des Stroms vor allem mit Windkraft und Fotovoltaik erzeugt. Beide werden in den kommenden Jahren noch stark ausgebaut. Denn Strom wird in Zukunft auch zunehmend gebraucht, um Wasserstoff zu erzeugen. Forschungsergebnissen am Max-Planck-Institut für Biogeochemie zufolge müssen Windparks dabei sorgfältig geplant werden, um die Windenergie optimal zu nutzen.
Fotovoltaik nutzt heute Siliziumsolarzellen. Das Max-Planck-Institut für Polymerforschung forscht an neuartigen Solarzellen aus Perovskiten, die Strom aus Sonnenlicht noch effizienter und kostengünstiger gewinnen könnten.
Für einige Bereiche des Verkehrs eignen sich auch Biokraftstoffe als klimafreundliche Alternative zu herkömmlichen Treibstoffen. Forschende des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung arbeiten an Biokraftstoffen der 2. Generation, die aus Pflanzenabfällen gewonnen werden und nicht mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren.
Kann der durchschnittliche Energiebedarf von 85 Kilowattstunden pro Person und Tag in Deutschland also vollständig durch Erneuerbare Energien gedeckt werden? Diese Frage stellt sich auch das Buch „Erneuerbare Energien zum Verstehen und Mitreden“ von Holler, Gaukel, Lesch und Lesch (siehe MaxPlanckForschung, Ausgabe 03/2023). Die Antwortet lautet: Ja! Deutschland könnte allein 80 Prozent seiner Energie aus Wind- und Sonnenenergie gewinnen. Die restlichen 20 Prozent könnten wir aus Erdwärme, Biomasse und der Kraft der Gezeiten gewinnen.
Wirtschaft auf dem grünen Zweig
Wie lässt sich erneuerbare Energie speichern?
Da das Angebot der Energie von Wind und Sonne schwankt und zudem etwa für den Verkehr mobile Energieträger nötig sind, muss der Strom aus Windkraft und Fotovoltaik gespeichert werden. Dafür eignen sich etwa Batterien. Heutige Batterien sind jedoch im Vergleich zu der Energiemenge, die sie speichern groß, schwer und teuer. Ein Team des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung hat eine Technik entwickelt, die Batterien künftig deutlich leistungsfähiger und kostengünstiger machen kann.
Forschende des Max-Planck-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenflächenforschung suchen nach Möglichkeiten, Materialien heutiger Lithiumbatterien, die aus ökologischen und sozialen Gründen problematisch sind, durch nachhaltige Alternativen zu ersetzen. Und ein Team der Max-Planck-Instituts für Polymerforschung untersucht, wie sich Feststoffbatterien, die eine leistungsfähigere Alternative zu heutigen Lithium-Ionen-Batterien, langlebiger machen lassen.
Wofür brauchen wir Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe?
Die elektrische Energie aus Windkraft und Fotovoltaik lässt sich aber auch in Form von Wasserstoff speichern. Grüner Wasserstoff ist zudem ein wichtiger Energieträger, um auch die Bereiche der Wirtschaft wie etwa die Stahlindustrie auf erneuerbare Energien umzustellen, die sich nicht elektrifizieren lassen. Mit grünem Wasserstoff kann CO2 zudem in synthetische Kraftstoffe etwa für den Flug-, Schiffs- und Schwerlastverkehr sowie Ausgangsstoffe für die Chemieindustrie umgewandelt werden. Forschende verschiedener Max-Planck-Institute arbeiten daran, diese Prozesse effizienter zu machen, etwa indem sie leistungsfähige Katalysatoren entwickeln. Diese Power-to-X-Technik ist sehr energieaufwendig und bietet daher keine effiziente Lösung für Bereiche, für die es elektrische Lösungen gibt, also etwa für den Individualverkehr. Zudem kann die Power-to-X nicht nennenswert dazu beitragen, das CO2 aus der vergangenen Verfeuerung fossiler Brennstoffe aus der Atmosphäre zu entfernen.
Biomoleküle aus Strom gewinnen
Transformation der Stahl- und Aluminiumindustrie
In der Stahlindustrie entstehen ganze sechs Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dersMax-Planck-Instituts für Eisenforschung haben etwa gezeigt, wie mit Hilfe von Wasserstoff oder Ammoniak Eisen aus Eisenerz gewonnen werden kann, ganz ohne den Einsatz von Kohle, beziehungsweise Koks.
Am selben Institut entsteht eine weitere Lösung für ein lästiges Problem: Rotschlamm, ein giftiger Abfall der Aluminiumproduktion. Das darin enthaltene Eisenerz kann mit Hilfe von Strom aus Erneuerbaren Energien und Wasserstoff, der ebenso grün gewonnen wurde, in Eisen umgewandelt werden. Dieses Recyclingverfahren ist zudem wirtschaftlich: So erzeugter grüner Stahl könnte etwa ein Drittel der jährlichen Stahlproduktion weltweit ausmachen.
Auf dem Weg zu grünem Stahl
Zukunftstechnologie Kernfusion
In Zukunft könnte auch die Kernfusion dazu beitragen, den Energiebedarf der Menschheit zu decken. Forschende versuchen in Fusionsreaktoren einen Prozess zu imitieren, der in der Sonne auf natürliche Weise abläuft: Das Verschmelzen von Wasserstoffkernen bei extrem hohen Temperaturen, weitgehend ohne radioaktiven Abfall, wie er bei der Kernspaltung in Kernkraftwerken auftritt. Dabei könnte die Kernfusion zur schier unerschöpflichen Energiequelle werden. Zum Vergleich: Wenn man ein Kilogramm Uran spaltet, erhält man etwa zehntausendmal so viel Energie wie bei der Verbrennung eines Kilogramms Öl. Bringt man dagegen ein Kilogramm Deuterium (eine schwere Form von Wasserstoff) zur Fusion, erhält man nochmal einhundertmal mehr Energie. Forschende des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik untersuchen, wie sich die Kernfusion technisch nutzbar machen lässt. Sie verfolgen dabei auf die weltweit fortgeschrittensten Ansätze der Magneteinschlussverfahren. Dabei wird der 100 Millionen Grad heiße plasmaförmige Fusionsbrennstoff in einen Magnetfeldkäfig eingeschlossen. Andere Forschungseinrichtungen und auch zahlreiche Unternehmen setzen auf andere Verfahren. Welches sich letztlich durchsetzen wird, ist noch nicht ausgemacht.
Trotz der großen Schritte in Richtung eines solchen Sonnenkraftwerks auf der Erde, das eine saubere und schier unerschöpfliche Energiequelle verspricht, dürften bis zum ersten funktionierenden Kraftwerk jedenfalls noch Jahre vergehen – Zeit, die gleichzeitig genutzt werden muss, um fossile Energieträger durch Erneuerbare Energien zu ersetzen, eine Lösung, die heute schon existiert.