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Nachdenken – Umdenken – Zukunft gestalten. Die Energiewende ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Damit sie gelingt, müssen alle mit anpacken. Bürgerinnen und Bürger, Wissenschaft, Industrie und Politik. Jede und jeder kann und muss seinen Beitrag zur Energiewende leisten. Dabei treffen sehr unterschiedliche Ansichten, Interessen und Standpunkte aufeinander. Dennoch müssen aufgrund der Relevanz des Themas nachhaltige und zukunftsfähige Lösungen entwickelt werden – im Dialog und in Zusammenarbeit miteinander.



Energie ist überall im Spiel und begegnet uns in zahlreichen Formen – beim Lesen, Telefonieren oder Autofahren oder beim Verspeisen eines Tellers Spaghetti. Und doch lässt sich Energie nur schwer fassen. Wir können sie nicht schmecken, fühlen, riechen oder sehen. Und wissenschaftlich nicht exakt bestimmen. Eine gängige physikalische Definition lautet: „Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten."

In sich bewegenden Gegenständen wie einem Fußball steckt kinetische Energie. Hebt man einen Gegenstand an, so führt man ihm mechanische Energie zu und erhöht seine Lageenergie (potenzielle Energie). Wärme, also thermische Energie, finden wir schon beim Frühstück in einer heißen Tasse Tee. Elektrische Energie tritt in der Natur zum Beispiel bei Gewittern auf. Sonnenlicht oder Radiowellen bestehen ebenfalls aus Energie: nämlich Strahlungsenergie. Ob Kohle, Öl oder ein Stück Brot – die Bindungen zwischen den Atomen dieser Substanzen enthalten chemische Energie. Und tief im Innern der Atome, im Atomkern, steckt die Kernenergie.

Energie begegnet uns in den unterschiedlichsten Formen. Doch woher kommt die Energie eigentlich? Die von uns genutzten Energieträger lassen sich in drei Kategorien einteilen: Fossile, nukleare und regenerative Energieträger.

Kohle, Erdöl und Erdgas fasst man unter dem Begriff „fossile Energieträger" zusammen, da sie vor mehr als 200 Millionen Jahren aus den Überresten von Lebewesen hervorgingen. Durch Druck, Hitze und komplexe chemische Reaktionen erlangten sie ihre heutigen Eigenschaften. Die in ihnen gespeicherte Energie wird durch Verbrennungsprozesse freigesetzt, zum Beispiel in einem Kraftwerk oder Auto-Motor. Darüber hinaus gibt es sogenannte nukleare Energieträger. Zu ihnen gehören die radioaktiven Elemente Uran und Thorium, die für die Gewinnung von Kernenergie genutzt werden können.

In absehbarer Zeit wird der Vorrat an fossilen Energieträgern zu Ende gehen. Anders die erneuerbaren (regenerativen) Energieträger: Sie sind zumindest nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich. Die Zukunft der Energiegewinnung liegt daher in den erneuerbaren Ressourcen, zum Beispiel der Sonnen-, Wind- und Wasserenergie, der Tiefengeothermie, Oberflächengeothermie oder der Biomasse.

Die Wissenschaft auch in Baden-Württemberg beschäftigt sich derzeit intensiv mit den Möglichkeiten, erneuerbare Energieträger zu nutzen: Können Algen unsere Energieprobleme lösen? Ist Kernfusion machbar? Oder: Wie können wir Solarzellen noch effizienter machen? Die folgenden Beispiele geben einen Einblick in einige spannende Projekte und Vorhaben der Energieforschung.

 

 

 

 

Erforscht werden die Potenziale zur Gewinnung von Energie aus nachwachsenden Rohstoffen wie Holz, Stroh und Raps oder aus Algen und Bioabfällen wie Silagen oder Gülle. Ziel hierbei ist es, fossile Energieträger wie Erdöl und Erdgas zumindest zu ergänzen. Denn bereits zur Deckung des Kraftstoffbedarfs für den Straßenverkehr aus Energiepflanzen wäre ein Mehrfaches der in Deutschland zur Verfügung stehenden Ackerflächen nötig.
Forscherinnen und Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersuchen beispielsweise die biomimetische Wasserstoffproduktion. Sie gehen dabei der Frage nach, wie Mikroalgen zu einer nachhaltigen Wasserstoffversorgung beitragen können.

Es ist bekannt, dass Grünalgen und Cyanobakterien aus Wasser den Energieträger Wasserstoff produzieren können. Dafür nutzen sie die durch die Photosynthese umgewandelte Energie. Wenn es gelänge, diesen Prozess wirtschaftlich zu optimieren, könnte Wasserstoff zu einem hocheffizienten und äußerst umweltschonenden Energieträger der Zukunft werden. Bei den Forschungen am KIT geht man folgendermaßen vor: Zuerst werden in einem sogenannten Photobioreaktor möglichst große Algenmassen herangezüchtet. Danach wird das gesamte System für die großtechnische Anwendung gezielt verfeinert. Dabei werden zum Beispiel besonders leistungsfähige Algen gesucht und gegebenenfalls durch biotechnologische Veränderung zu noch größerer Leistung angespornt. Nicht zuletzt soll das Verfahren in der Praxis reibungslos laufen. Deshalb muss die gesamte Produktionsanlage automatisiert und im Freiland getestet werden. Ein langer Weg – aber wer weiß: Vielleicht fahren wir in nicht allzu ferner Zukunft mit Autos, die mit Wasserstoff aus Algen angetrieben werden.

Das Grundprinzip der Brennstoffzelle wurde vor über 170 Jahren in Baden-Württemberg entdeckt. Sie ermöglicht es, die bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff freiwerdende Energie direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Auch andere „Brennstoffe", zum Beispiel Methanol, können eingesetzt werden.

Während Brennstoffzellen früher auf Nischenanwendungen beschränkt waren, wird heute an breiten Einsatzmöglichkeiten gearbeitet. So existieren bereits kommerzielle Anwendungen in Notstromsystemen oder kleinen Blockheizkraftwerken. Auch für zukünftige Elektrofahrzeuge könnte Brennstoffzellentechnologie von entscheidender Bedeutung sein. Gegenstand der Forschung ist dabei unter anderem die Steigerung der Effizienz von Brennstoffzellen. So wird etwa am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie in Pfinztal an der Entwicklung neuer Katalysatoren für sogenannte Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen gearbeitet – solche Katalysatoren haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Leistung und den Wirkungsgrad von Brennstoffzellen.

Bei der Betrachtung der Brennstoffzellentechnologie muss allerdings stets berücksichtigt werden, dass es sich hierbei um eine Technologie zur Energiewandlung handelt. Erst wenn in Brennstoffzellen eingesetzte Energieträger wie Wasserstoff oder Methanol nicht mehr aus fossilen Quellen stammen, kann sie einen Beitrag zum Klimaschutz leisten.

Solaranlagen sind in der Regel groß, schwer und sperrig. Doch schon bald könnte es möglich sein, kleine, leichte und kostengünstige Solarmodule einzusetzen. Die Lösung hierfür sind sogenannte organische Solarzellen. An ihrer Entwicklung arbeiten beispielsweise Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Organische Solarzellen zählen zu den vielversprechendsten Technologieansätzen. Die Vision: Eines Tages könnten organische Solarzellen als biegsame Elemente mit leicht verfügbaren Farbstoffen im umweltfreundlichen Foliendruck massenweise hergestellt werden und praktisch überall Solarstrom produzieren: auf dem Autodach ebenso wie auf der Fensterscheibe.

Allerdings gilt es bis dahin noch einige Hürden zu überwinden: Die chemische Beständigkeit und der Wirkungsgrad organischer Photovoltaik sind momentan noch nicht konkurrenzfähig. Aber Pioniere auf diesem Gebiet sind zuversichtlich, dass diese Probleme mit intensiver Forschung gelöst werden können.

Seit Jahrzehnten arbeiten Forscherinnen und Forscher daran, den Prozess, mit dem die Sonne Energie gewinnt, auf der Erde kontrolliert nachzuvollziehen: Die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen unter Freisetzung großer Energiemengen. Die hierfür benötigte Technologie ist hochkomplex und wird in internationaler Zusammenarbeit entwickelt: In einer ringförmigen Brennkammer wird der Wasserstoff magnetisch eingeschlossen und auf über 100 Millionen Grad Celsius aufgeheizt, um diesen Prozess der Kernfusion einzuleiten. Die dabei frei werdende Wärmeenergie kann dann zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden.

Im Rahmen des internationalen Forschungsprojekts ITER entsteht derzeit in Frankreich der bislang größte Versuch-Fusionsreaktor der Welt. Auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Baden-Württemberg sind mit dabei: So wird am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) derzeit intensiv an der Entwicklung wichtiger Komponenten für den Fusionsreaktor ITER gearbeitet. Unter anderem forscht man in Karlsruhe an neuen Materialien für hochbelastete Komponenten des Reaktors, an supraleitenden Magneten oder Mikrowellenheizungssystemen, welche das sogenannte Wasserstoffplasma auf die notwendige Temperatur bringen sollen.

Der Fusionsreaktor ITER ist darauf ausgelegt, 10-mal mehr Energie freizusetzen, als zu seinem Betrieb benötigt wird. Das Nachfolgeprojekt DEMO soll um 2040 erstmals elektrische Energie in das Netz einspeisen. Doch einen nennenswerten Beitrag zur Energieversorgung wird die Kernfusion laut Experten erst im letzten Viertel des 21. Jahrhunderts leisten.

Mittelfristig werden wir nicht gänzlich auf fossile Brennstoffe verzichten können. Derzeit werden weltweit noch rund 65 Prozent des Stroms aus fossilen Energieträgern produziert, in Deutschland sind es noch knapp 55 Prozent. Daher gilt es, die Nutzung der fossilen Energieträger so effizient und damit so umwelt- und klimafreundlich wie möglich zu gestalten.

Unter den fossilen Energieträgern dominiert die Kohle. Ihre Wandlung in Wärmekraftwerken ist zwangsläufig sehr verlustbehaftet: Im globalen Durchschnitt beträgt der Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken nur 31 Prozent. Mit anderen Worten: Mehr als zwei Drittel der in der Kohle gespeicherten Energie werden nicht genutzt. In Deutschland liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken bei knapp unter 40 Prozent. Dieser Wert soll durch Forschungs- und Entwicklungsarbeit weiter verbessert werden. Durch hochtemperaturverträgliche Materialien kann beispielsweise mit höheren Dampftemperaturen gearbeitet werden. Der Brennstoff ließe sich so effizienter nutzen. Auch Gasturbinen würden von solchen Entwicklungen profitieren. Bislang wird bei der Gasverbrennung kühle Luft beigemischt, um die entstehenden Temperaturen zu senken, da einige Turbinenbauteile den hohen thermischen Belastungen sonst nicht standhalten könnten. Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet lohnt sich nicht nur für die Umwelt: Ein geringerer Brennstoffeinsatz bedeutet geringere Kosten. Zudem können neu entwickelte Technologien exportiert werden und so die Wirtschaft stärken.