Energieträume

(Vortrag* von S. Aegerter über Energiekonzepte „bei denen entweder Gesetze der Physik verletzt sind oder elementare Regeln einer Wirtschaftlichkeitsrechnung missachtet werden. Kann man im ersten Falle oft noch schmunzeln, wird es im zweiten Falle höchst bedenklich, wenn damit einflussreiche Kreise wider besseres Wissen Druck auf Politik und Öffentlichkeit machen**.“ .)
simon

Simon Aegerter

Seit die industrielle Revolution im 19. Jahrhundert so richtig in Gang kam, wurde sie mehr und mehr von den fossilen Brennstoffen angetrieben. Seit dem 2. Weltkrieg spielen Brennholz und Zugtiere eine untergeordnete Rolle. Kohle, Öl und Gas wurden die Basis unseres Wohlstands. Dabei spielt die Energie in Form von elektrischem Strom eine immer wichtigere Rolle.
Nur kommt diese Energieform in der Natur nicht in nutzbarer Form vor – Blitze haben zwar eine ungeheure Leistung (mehrere Gigawatt), aber nur wenig Energie (einige kJ). Elektrische Energie muss durch Umwandlung anderer Energieformen grosstechnisch hergestellt werden. Das geht nicht ohne Umwelteinflüsse und so hat der Traum von der natürlichen, sauberen und billigen Stromquelle die Phantasie der Menschen immer wieder von neuem beflügelt. An Ideen für phantastische Wunderkraftwerke hat es nie gefehlt. Grob gesagt gibt es diese in zwei Kategorien: die einen unterschlagen die Regeln der Ökonomie, die andern halten sich nicht an die Gesetze der Physik.
Hier sind einige Beispiele für die erste Art:

Negawatt statt Megawatt

Warum neue Kraftwerke bauen? Es ist doch viel billiger, den Strom, den wir haben, effizienter zu nutzen. Das ist die Botschaft, die Amory Lovins seit Jahrzehnten unablässig verbreitet. Als wir 1986 sein „Rocky Mountain Institute“ in Snowmass, Colorado besuchten, fühlten wir uns seltsam nostalgisch berührt. Viele der Methoden, Strom zu sparen erinnerten uns an Grossmutters Zeiten, etwa die Wäscheleine an Stelle des Tumblers. Was als high-tech angepriesen wurde, kannten wir in der Schweiz seit langem, etwa doppelwandige Dampfkochtöpfe. Lovins‘ Negawatt-Theorie krankt an der massiven Überschätzung des Anteils der „Luxus“-Energie am gesamten Energiekuchen. So brauchen Industrie, Gewerbe und Dienstleistungen 2/3 des Stroms, das heisst, der grösste Teil ist Produktions-Energie und da ist das Sparpotential weitgehend ausgeschöpft. Aber weil die Botschaft so schön tönt, lässt sie sich nicht ausrotten. Sie hat – ohne Lovins‘ Name – sogar Eingang in die „Energiestrategie 2050“ unseres Bundesrates gefunden.

Die Sonne, die keine Rechnung schickt

Ja, die Sonne schickt keine Rechnung; die Eierschwämme im Wald auch nicht. Allerdings – bis sie es in den Lebensmittelladen oder gar auf den Teller im Gourmettempel geschafft haben, kann die Rechnung gesalzen sein.
Nicht anders bei der Sonne; was Geld kostet ist das Einsammeln und Speichern. Dabei muss man unterscheiden: Die Energie der Sonne in Form von Wärme einzusammeln, ist eine gute Idee. Wärme kann man ohne grossen Aufwand speichern. Dann hat man zum Beispiel warmes Wasser, wenn man es benötigt – ob die Sonne scheint oder nicht.
Anders die Photovoltaik: Sonnenlicht in Strom umzuwandeln ist meist keine gute Idee – weil man den Strom genau dann verwenden muss, wenn er entsteht. Keine Sekunde vorher, keine Sekunde später. Keine Sonne – kein Strom. Es sei denn, man kann den Strom speichern.
Die Energiestrategie 2050 des Bundesrats sieht vor, bis 2050 jedes Jahr 11,12 TWh (Terawattstunden) Energie (etwa die Jahresproduktion von Leibstatt) aus photovoltaischen Anlagen zu erzeugen (11,12 – nicht 11 oder 11,5). Das ist ein Problem: Im schweizerischen Mittelland leistet eine Photovoltaikanlage übers Jahr gesehen etwa so viel, wie wenn sie 10 bis 12% der Zeit mit voller Leistung laufen würde, also während etwa 950 der 8760 Jahresstunden. Um 11,12 TWh zu erzeugen, benötigt man also eine installierte Leistung von 11’120 GWh / 950 h. Das sind 11,7 Gigawatt, das heisst soviel wie 11 Kernkraftwerke der Grösse von Gösgen! Das ist das Problem, denn an einem schönen Sommernachmittag wird diese gewaltige Leistung tatsächlich geliefert, ob man sie braucht oder nicht. Das Angebot an elektrischer Leistung erreicht dann, zusammen mit der Leistung der Flusskraftwerke, fast 15 GW, aber der Bedarf ist höchstens 8 GW. Wir haben also einen Überschuss von gegen 7 GW. Um die 7 GW zu speichern, benötigen wir allerdings 7 Speicherkraftwerke wie das neue Werk Linth-Limmern, und nach 2 Tagen sind die Speicher alle voll, und wenn wir Pech haben, kommt ein schöner Tag nach dem andern. Nein, wer von der Schweiz als Batterie Europas schwafelt, macht sich keine Vorstellung davon, wie gross die überschüssigen Energiemengen sind, die im Sommer bei einem solch gigantischen Ausbau zwangsläufig anfallen. Um diese Energie in den Winter zu verschieben müsste man die obersten 25 Meter Wasser des Genfersees 100 m hoch pumpen. Wohin? Ins Wallis? Das ist das Sommerproblem der Photovoltaik.

Desertec

Sammeln wir die Sonne doch dort ein, wo sie immer scheint – in Nordafrika etwa! Dort gibt es grosse Räume auch für thermische Solarkraftwerke. Diese wandeln das Sonnenlicht nicht direkt in Strom um, sondern heizen über ein System von Spiegeln einen Wärmespeicher auf hohe Temperatur. Damit kann man die Wärme tagsüber speichern und auch nachts Strom produzieren. Diesen Strom leitet man dann über Tiefseekabel nach Europa, dorthin, wo er benötigt wird. Das ist kein Traum, das war einmal ein konkretes Projekt; es hiess Desertec. Im Herbst 2014 haben es die Investoren, u.a. grosse Energiekonzerne, in aller Stille beerdigt. Es rechnet sich nicht. Die Ökonomie lässt sich ebenso wenig übertölpeln wie die Physik.

Sonnenenergie aus dem Weltraum

Wenn die Sonne jeden Abend untergeht, müsste man vielleicht dahin gehen, wo sie nie untergeht: in den Weltraum! Es gab tatsächlich Ideen, photovoltaische Kraftwerke in einer Umlaubahn zu platzieren und die eingefangene Energie über Mikrowellen auf die Erde zu senden. Das ist Desertec ad absurdum. Wieviele, sagen wir 100 Quadratkilometer grosse, Kraftwerke müssten im Orbit sein, um die Hälfte der Weltstrombedarfs zu liefern? Wieviel kostet es, diese zu bauen und in eine geostationäre Umlaufbahn zu bringen? Was kostet die kWh, wenn die Lebensdauer im Orbit 40 Jahre beträgt – wie gross ist der Wirkungsgrad der Übertragung auf die Erde und was kosten die Empfangsantennen? Es braucht keine ausgefeilten Computerprogramme; ein paar plausible Annahmen und einige Rechnungen auf einem Bierdeckel genügen um zu zeigen: es ist ein weiterer Traum jenseits der Realität. Trotzdem ist die Idee nicht tot zu kriegen.

Wellen, Gezeiten und Temperaturgradienten

In regelmässigen Abständen findet jemand heraus, welche ungeheuren Energiemengen in unseren Meeren, sogar in den Seen schlummern. Im Dezember 2014 ging eine Notiz durch den Blätterwald, wonach die EAWAG, eine renommierte Annexanstalt der noch renommierteren ETH, herausgefunden habe, dass der Wärmeinhalt des Bodensees der Jahresproduktion des KKW Gösgen entspreche. Klar. Aber sobald die Politik hereinspielt, vergessen offenbar auch Ingenieure elementare Zusammenhänge wie hier den EROEI, auf neudeutsch: „Energy Return On Energy Invested“. Die sogenannten „Umweltenergien“ wie Wellen, Gezeiten und eben auch die Temperaturgradienten in Meeren und Seen leiden, noch entscheidender als die Solarenergie, an ihrer niedrigen Wertigkeit. Sie sind so „verdünnt“, dass das Einsammeln einen übermässigen Material- und damit Energieeinsatz erfordert. Um die gleiche Wärmeleistung aus dem Meer zu gewinnen, welche das KKW Gösgen leistet, müsste man jede Sekunde fast eine Million Tonnen Wasser umwälzen. Drastisch gesagt: um eine kWh zu gewinnen, muss man eine oder gar mehrere kWh aufwenden.

Tiefe Geothermie

Ähnliches gilt für die tiefe Geothermie. Sie gilt allgemein als nachhaltig und erneuerbar. Ist sie das wirklich? Immerhin: sie produziert Bandenergie wie Atomkraftwerke und nicht Flatterstrom wie Wind und Sonne! Deshalb will der Bundesrat bis 2050 die Geothermie-Kapazität zur Produktion von 4 TWh Strom pro Jahr aufbauen. Erdwärme entsteht durch den Zerfall von Uran, Thorium, Radium, Kalium und anderer radioaktiver Stoffe im Erdinnern. Deshalb nimmt die Temperatur mit jedem Kilometer Tiefe um etwa 30°C zu, erreicht also bei einer Tiefe von 5’000 Metern um die 150°C. Wenn es gelingt, das heisse Gestein aufzubrechen und Wasser hindurch zu pumpen, kriegt man im besten Fall 150°C heisses Wasser, mit dem man, mit schlechtem Wirkungsgrad zwar, Strom produzieren kann. Allerdings kühlt sich der Felsen dabei ab und das gewonnene Wasser ist immer weniger heiss. Schliesslich muss die Bohrung aufgegeben und anderswo neu erstellt werden. Aber es fliesst doch Erdwärme nach? Gewiss, mit etwa 70 Milliwatt pro m2. In ein paar Tausend Jahren ist der Fels wieder heiss. Tiefe Geothermie ist weder nachhaltig noch erneuerbar.
Bevor wir zu den physikalischen Wundermaschinen kommen, hier noch ein Traum der eigentlich physikalisch funktionieren könnte, aber für dessen Realisierung wir anscheinend noch zu wenig von Physik und Chemie verstehen:

Künstliche Photosynthese

Die Natur hat uns vorgemacht, wie die Energie der Sonnenstrahlung am besten zu nutzen ist: Sie setzt sie ein, um aus Wasser und CO2 Zucker zu synthetisieren – in der Photosynthese. Allerdings hat die natürliche Photosynthese einen enormen Nachteil: sie ist schrecklich ineffizient. Ihr Wirkungsgrad liegt unter 1 %! Es sollte der Wissenschaft doch gelingen, diesen Prozess zu verbessern! Das war in den 70er Jahren auch der Anspruch eines jungen Chemieprofessors namens Michael Grätzel an der ETH Lausanne. Das Problem: Die Spaltung des Wassermoleküls in Wasserstoff und Sauerstoff – der erste Schritt in der Photosynthese – benötigt mehr Energie als die energiereichsten Photonen im Sonnenlicht abgeben können. Der Prozess muss also in wenigstens zwei Schritten erfolgen. Zwischen den Schritten muss die Energie als chemische Anregungsenergie gespeichert werden. Grätzel hatte einen Teilerfolg: Es gelang ihm, die in Farbstoffen entstehenden Ionen zu trennen und eine Art Solarzelle zu konstruieren. Die Erfindung der künstlichen Photosynthese blieb Grätzel zwar versagt, aber die „Grätzel-Zelle“ machte ihn berühmt und überhäufte ihn mit Preisen. Er gehört mit einem h-Index von 170 zu den meistzitierten Chemikern weltweit. Die Jagd nach der künstlichen Photosynthese geht unterdessen weiter, unter anderem im chemischen Institut der Universität Zürich.

Heisse Fusion

Ob Tokamak, Stellerator oder Trägheitseinschluss, der Stand der Forschung lässt nicht erwarten, dass Fusions­energie für die „Energiestrategie 2050“ des Bundesrates eine Rolle spielen wird. Zwei anscheinend unausrottbare Mythen der Kernfusion seien hier kurz angesprochen:
• ‚Fusion produziere keinen radioaktiven Abfall‘. Der gigantische Neutronenfluss, dem das Innere einer Fusionsanlage ausgesetzt ist, wird jedes Material mehr oder weniger stark aktivieren. Der Rückbau dürfte ebenso aufwändig sein wie der eines Fissionskraftwerks.
• ‚Der Energierohstoff Deuterium ist in unbegrenzter Menge vorhanden‘. Das ist richtig, aber der kritische Rohstoff ist nicht Deuterium, sondern Tritium (der radioaktive Wasserstoff). Tritium kommt in der Natur kaum vor und muss aus Lithium-6 hergestellt werden, und das ist bedeutend seltener als Deuterium.
Für uns Physiker eher erheiternd sind die vielen unversiegbaren Stromquellen, die sich nicht um den ersten Hauptsatz der Thermodynamik kümmern, oder sich sonst wie über die Gesetze der Physik hinwegsetzen. Auch dazu einige Beispiele:

Tachyonen

Die relativistische Gleichung für die Berechnung der Geschwindigkeit eines Teilchens mit einer bestimmten Energie hat, weil quadratisch, zwei Lösungen. Die eine ist immer kleiner als die Lichtgeschwindigkeit, die andere immer grösser. Teilchen, die sich schneller als das Licht bewegen, kann man aus prinzipiellen Gründen nicht beobachten. Man hat ihnen trotzdem einen Namen gegeben: Tachyonen. Das war ein Fehler. Was einen Namen hat, muss existieren, denkt sich der Erfinder und weil die Tachyonen schneller sind als das Licht, müssen sie eine ungeheure Energie besitzen. Deshalb gab es immer wieder Ansätze mit esoterisch klingenden Namen, welche irgendeine rätselhafte kosmische Energieform zu nutzen versprachen. Zum Beispiel die

Raumquantenenergie

In den 80er Jahren erregte ein gewisser Alois Ludwig Siegrist in Rapperswil, der sich Prof. Oliver Crane nannte, mit der angeblichen Entdeckung des „Zentralen Oszillators“ Aufsehen. Dieser Oszillator – ein universelles Phänomen – generiere einen Raumquantenfluss, der mittels geeigneter Methoden angezapft und zum Betrieb eines „Raumquantenmotors“ verwendet werden könne. Er führte Prototypen so brillant vor, dass es ihm gelang, Investoren zu überzeugen. Siegrist starb 1992, aber der Raumquantenmotor hat ihn überlebt. Sein Vertrauter, Jean-Marie Lehner, übernahm die Pläne und gründete eine AG mit dem Versprechen, ab Sommer 1994 mit der Auslieferung von Raumquantenmotoren zu beginnen. Das Aktienkapital betrug Anfang 1994 Fr. 3 Mio. Im Jahr 1999 ging die AG in Konkurs, angeblich wegen Sabotage. Inzwischen hat sich Lehner auf die Vorhersage von Erdbeben verlegt.

Der Magnetmotor – ein typisches Perpetuum Mobile

Es ist doch so einfach: gleiche magnetische Pole stossen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Da muss man bloss dafür sorgen, dass Magnete, die auf einem Rad aufgereiht sind, im richtigen Moment gewendet werden, wenn sie an einem festen Magneten vorbeikommen und schon dreht sich das Rad unaufhörlich weiter. Es ist einfach schade, dass es noch nie jemandem gelungen ist, dieses Wendemanöver exakt richtig hinzukriegen. Dass das Prinzip aus physikalischen Gründen grundsätzlich nicht funktionieren kann, will diesen „Erfindern“ nicht in den Kopf. Und so werden munter allerlei mehr oder weniger komplizierte zyklische Maschinen gebaut, magnetische, mechanische und hydraulische in der Hoffnung, den vermaledeiten Energieerhaltungssatz, der ja nur eine „Theorie“ ist, endlich überlisten zu können.

Kalte Fusion

Das Experiment von Stanley Pons und Martin Fleischmann aus dem Jahr 1989 beschäftigt erstaunlicherweise bis heute die Medien. Die beiden hatten behauptet, mittels elektrolytischer Verfahren in einem Festkörper Kernfusionen erzeugen zu können. Da niemand das Experiment reproduzieren konnte, wurde es bald ad acta gelegt und die wissenschaftlichen Karrieren von Pons und Fleischmann waren zu Ende. Allerdings gab es bis heute immer wieder einzelne Forscher, die „manchmal“ eine ähnliche Reaktion zustande gebracht haben wollen. Aber auf die bevorstehende Energierevolution auf Grund der Kalten Fusion sollte man nicht warten.
Warten wir nicht auf die ferne Zukunft! Schliesslich ist die fast perfekte Energiequelle seit mehr als einem halben Jahrhundert bekannt. Aber auch sie begann als Traum:

Energy too cheap to meter

Als Dwight „Ike“ Eisenhower Präsident der Vereinigten Staaten wurde, krempelte er vieles um. Unter seinem Vorgänger Truman war alles, was mit nuklearer Energie zu tun hatte, unter der strikten Kontrolle des Militärs. Eisenhower, der 5-Sterne-General, entwand die Atomenergie der militärischen Oberaufsicht und unterstellte sie der zivilen Atomic Energy Commission (AEC). Sein Traum, den er am 8. Dezember 1953 vor der UNO und dann in zwei Kongressen, jeweils verbunden mit einer umfassenden Ausstellung in Genf bekannt machte, hiess „Atoms for Peace“ – Atome für den Frieden. Die ersten Erfahrungen mit der friedlichen Nutzung der Atomenergie liessen vermuten, dass Strom aus Atomkraftwerken äusserst billig sein würde – so billig, dass es sich nicht lohnen werde, die abgegebene Energie zu messen. Es sollte anders kommen: Regulatorische Hürden und zunehmende Sicherheitsanforderungen verteuerten den Atomstrom immer mehr, so sehr, dass er heute mit Strom aus Kohlekraftwerken nicht mehr mithalten kann.
Das könnte sich ändern. Neue Entwicklungen von Kernkraftwerken könnten den Kohlestrom aus dem Feld schlagen. Das sind keine Träume, welche sich über Physik und Ökonomie hinwegsetzen. Es sind konkrete Projekte, hinter denen seriöse Investoren stehen – zum Beispiel die Chinesische Regierung oder Bill Gates. Das sind Kernreaktoren, die inhärent sicher sind, die keine langlebigen radioaktiven Abfälle hinterlassen, und die de-facto-unerschöpfliche Energierohstoffe nutzen – Kernreaktoren der vierten Generation. Aber in der Schweiz sollen diese Reaktoren verboten werden. Wir sollen unsere Energiezukunft auf Träume bauen.

*März 2015, vor der Schweizerischen Physikalischen Gesellschaft; **Zitat: Bernhard Braunecker

Ein Gedanke zu “Energieträume

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