Forschung für die Energiewende

Wissenschaft Forschung für die Energiewende

Der Ausstieg aus der Kernenergie und der Übergang in das Zeitalter der erneuerbaren Energien ist nur durch technologischen Fortschritt möglich. Die Bundesregierung erhöht deshalb die Ausgaben für die Energieforschung.

Wissenschaftler am Rasterelektronenmikroskop.

Neue Speicher und Netztechnologien für die Energiewende

Foto: photothek.net/Grabwosky

Jedes der Windräder von Alpha Ventus – dem Offshore-Windpark 40 Kilometer vor Borkum in der Nordsee – ist so hoch wie der Kölner Dom. 40 Meter tief ist das Wasser hier. Welche Kräfte wirken hier auf das Material, welche Auswirkungen haben die Anlagen auf Seevögel und Fische?

Auf die Wüsten der Erde geht in sechs Stunden so viel Sonnenenergie nieder, wie die gesamte Menschheit innerhalb eines Jahres verbraucht. Dieses Potenzial will das internationale Projekt desertec nutzen. Mit riesigen Spiegeln gesammelte Hitze wird in elektrischen Strom umgewandelt. Wie aber gelangt der Strom nun mit möglichst wenig Verlust nach Europa? Hier können Ergebnisse des Forschungsschwerpunkts "Stromnetze der Zukunft" weiterhelfen.

Elektrische Energie ist die Basis unserer Versorgung. Produziert wurde sie bisher vorwiegend in riesigen Kraftwerken, die fossile Brennstoffe oder Kernenergie nutzten. Künftig setzen wir auf erneuerbare Energien – vor allem auf Wind und Sonne. Aber auch auf herkömmliche Kraftwerke, vor allem hochmoderne Gaskraftwerke, werden wir noch lange nicht verzichten können. Neue Forschungsergebnisse sollen dazu beitragen, die Energieumwandlung effizienter und klimaschonender zu machen.

Problem Energiespeicherung

Neben allen Vorteilen der erneuerbaren Energien bleibt ein wesentlicher Nachteil: Die erzeugte elektrische Energie wird nicht immer zu dem Zeitpunkt benötigt, in dem sie entsteht. Umgekehrt steht sie nicht zuverlässig dann zur Verfügung, wenn sie gebraucht wird.

Strom aus Sonnenenergie steht reichlich zur Verfügung, wenn die Sonne scheint. Genau dann brauchen die Menschen jedoch wenig Strom für Heizung und Beleuchtung. Wenn am frühen Morgen ein starker Wind weht, nützt der Strom nur den wenigen Frühaufstehern. Ein wichtiges und bisher kaum gelöstes Problem für die Forschung ist deshalb die Speicherung von Energie.

Pumpspeicherwerke sind eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems. Sie nutzen überschüssigen Strom, um Wasser in einen höher gelegenen See zu pumpen. Wird später wieder mehr Energie benötigt, fließt das Wasser durch eine Turbine zurück ins Tal und erzeugt elektrische Energie.

Es liegt auf der Hand, dass für solche Anlagen in Deutschland begrenzt ausreichende Plätze vorhanden sind. Lassen sich in anderen Ländern – etwa in Norwegen – Speicherkraftwerke für unseren Strom bauen und wie groß sind die Verluste durch den Transport?

Eine Alternative sind Druckluftspeicher. Hier wird mit überschüssiger Energie Luft in unterirdische Speicher gepresst, etwa in Höhlen von Salzstöcken. Bei Bedarf betreibt die Druckluft dann einen Stromgenerator und erzeugt so wieder Strom. Doch viele Menschen haben Angst vor so einer Lösung unter ihren Füßen. Ist so ein Speicher sicher?

Eine besondere Bedeutung, aber nach wie vor einen ebenso großen Forschungsbedarf, haben elektrochemische Speicher. Zu Deutsch: Batterien. Ihr besonderer Vorteil liegt darin, dass sie sich in ganz unterschiedlichen Größen herstellen lassen und daher auch in kleinen Geräten Platz finden. Allerdings ist ihre Leistungsfähigkeit begrenzt, etwa wenn es um den Antrieb eines Autos geht. Noch immer sind auch neueste Batteriegenerationen zu schwer, um sie wirtschaftlich und mit der erforderlichen Reichweite in Fahrzeuge einzubauen.

Große Hoffnung setzen Wirtschaft und Wissenschaft daher auf Wasserstoff als Energieträger. In Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff mit Luft, wobei neben Strom nur Wasser als Abgas entsteht. Denkbar wäre die Wasserstofferzeugung mit Sonnenenergie in Ländern, in denen diese überreichlich zur Verfügung steht. Zu lösen sind dann aber noch Transport- und Speicherprobleme.

Auch der Strom von Windrädern lässt sich nutzen, um Wasserstoff zu erzeugen. Mit dem Kohlendioxid der Luft wird dieser anschließend zu Methan umgewandelt. Das Methan entspricht normalem Erdgas. In einem Gaskraftwerk lässt es sich zu einem späteren Zeitpunkt wieder in Strom zurückverwandeln.

Daran wird deutlich, wie jede neue Entwicklung auch ihre Schattenseiten hat. Unlösbar? Eigentlich nicht, denn wir hätten eigentlich zuerst davon sprechen müssen, welche Möglichkeit wir haben, Energie zu sparen.

Zukunftsvision Fusionskraftwerke

Schauen wir schließlich ganz weit in die Zukunft. Wissenschaft und Wirtschaft erhoffen sich die Lösung der Rohstoff- und Umweltproblematik von Fusionskraftwerken. In einem Fusionskraftwerk entsteht Energie so wie auf der Sonne: durch die Verschmelzung von Atomen zu Helium. Dabei werden als Brennstoffe lediglich Deuterium und Tritium benötigt. Und die stehen unbegrenzt zur Verfügung.

Walter Fietz vom Institut für Technische Physik beim Forschungszentrum Karlsruhe macht das ganz drastisch deutlich. Er stellt zwei Mineralwasserflaschen und einige Steine auf den Tisch. "Das reicht als Brennstoff für ein Jahr aus", erläutert er. Hier entstehen weder große Mengen Jahrtausende lang strahlender radioaktiver Abfälle, noch kommt es zu einer Umweltbelastung durch Kohlendioxid.

Um diesen Prozess in Gang zu setzen, braucht es zunächst eine Temperatur von 100 Millionen Grad Celsius: ein Vielfaches der Hitze im Sonneninneren. Erst bei dieser Temperatur zündet der Fusionsprozess.

Es liegt auf der Hand, dass kein Material der Welt eine derart hohe Temperatur aushält, ohne zu verdampfen. Die Lösung bieten extrem starke Magnetfelder. Sie halten die Minisonne auf Distanz. Die dabei zu lösenden wissenschaftlichen und technischen Probleme lassen ein wirtschaftlich nutzbares Kraftwerk jedoch frühestens in einigen Jahrzehnten erwarten.

Entscheidend dabei auch ein Problem, dem sich Forscherinnen und Forscher in Karlsruhe widmen: der Supraleitfähigkeit. Kühlt man einen Supraleiter auf extrem niedrige Temperaturen ab – nur wenige Grade über dem absoluten Nullpunkt –, so besitzt er keinen Stromwiderstand mehr. Nur mit dieser Technik sind Magnete effizient genug, so dass sie bei künftigen Fusionsmaschinen eingesetzt werden können. Das Kühlen der Leiter auf diese Temperaturen etwa mit flüssigem Helium kostet zwar Energie, aber sehr viel weniger als Magnete mit herkömmlichen Stromleitern.

Extreme Hitze und Kälte für unbegrenzte Energieversorgung

An einer Pilotanlage, die in Südfrankreich entstehen soll, arbeiten Forscher aus Europa, den USA, Russland, Japan, Indien, China und Korea im Projekt Iter zusammen. Iter ist lateinisch und heißt "der Weg". Mehrere Milliarden Euro fließen in den Reaktor, der etwa zehnmal mehr Energie erzeugen soll, als er verbraucht. Langfristig erwarten Fachleute, dass ein Fusionsreaktor noch wesentlich mehr Energie erzeugen wird, als er selbst benötigt.

Fietz ist überzeugt, dass die komplizierten technischen Prozesse beherrschbar sein werden. Für viel schwieriger hält er die Abstimmung zwischen den vielen beteiligten Staaten. Noch ist die Entwicklung der Technik auf staatliche Finanzierung angewiesen, da die Investitionen immens hoch sind. Zudem wird es noch sehr lange dauern, bis ein derartiges Kraftwerk wirtschaftlich nutzbar ist.

Noch wissen wir also nicht, ob die Kernfusion eines Tages alle mit der Energieversorgung zusammenhängenden Rohstoff- und Umweltprobleme auf einen Schlag lösen wird.

So bleibt es dabei: Wir müssen die eingeschlagenen Wege zu Energieeinsparung, effizienten Kraftwerken und erneuerbaren Energien intensiv weiter verfolgen. Noch für lange Zeit dürfte der Bedarf nach intensiver Forschungsförderung also fortbestehen. Gleich mehrere Bundesministerien sorgen dafür, dass ihm entsprochen wird.