Energiequellen der Wasserstoffwirtschaft

Wasserstoff ist keine Energiequelle. Wasserstoff muss aus anderen Formen von Energie hergestellt werden. Wasserstoff ist also eine Sekundärenergieträger wie Strom. Bei der Herstellung von Strom aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern müssen aus thermodynamischen Gründen hohe Verluste hingenommen werden. Bei der Herstellung von Wasserstoff ist dagegen eine nahezu vollständige Konversion der Primärenergie in Wasserstoff möglich (s. H2-Herstellung). Da die Wasserstoffwirtschaft ein Zukunftsprojekt ist, soll auf dieser Seite hauptsächlich das Potenzial erneuerbarer Energien untersucht werden. Das Potenzial erneuerbarer Energien ist praktisch unendlich groß. Auch mit Wind, PV und Biomasse könnte jeweils so viel Energie erzeugt werden, dass alle atomaren und fossilen Energieträger ersetzt werden könnten. Die Variante Wasserstoff überwiegend aus Biomasse ist jedoch am kostengünstigsten. Realistisch kann von einem Mix aus 70% Biomasse und 30% EE-Strom ausgegangen werden. Langfristig sind Kostenunterschiede zwischen Bio-Wasserstoff und Strom-Wasserstoff vernachlässigbar, weil dann viele EE-Anlagen bereits abgeschrieben sind und die Sonne bekanntlich keine Rechnung schickt.

 

Potenzial der Biomasse weltweit

Die fossilen Energieträger werden bis 2050 so teuer sein, das sich das nur wenige Länder leisten können. Aus diesem Grunde wird dringend eine kostengünstige Alternative gesucht. Eine Alternative wäre die Installation einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft. Realistisch betrachte ist eine weltweite Vollendung der Wasserstoffwirtschaft kaum vor 2050 denkbar. Die Biomasse-Potenziale müssen also erst für 2050 zur Verfügung stehen. Glücklicherweise nehmen die Ernteerträge für Lebensmittel schneller zu als die Weltbevölkerung. Es werden also immer mehr Flächen für die Produktion von Energie frei. Darum wird es 2050 sowohl genug zu essen als auch einen ausreichenden Energiekomfort geben.

Nach einer umfangreichen niederländischen Studie [1], beträgt das gesicherte globale technische Potenzial von Biomasse unter Berücksichtigung ökologischer und ökonomischer Aspekte jährlich ca. 300 EJ. Als möglich werden mehr als 1500 EJ angegeben. Unterstellt ist hier, dass das ausgewiesene Potenzial für die Technologien geeignet sein muss, die heute schon genutzt werden. Das ist der Anbau von Treibstoffen (Öle), Zucker und Weizen (Ethanol) und vergärbare Pflanzen. Da in einer Wasserstoffwirtschaft Biomasse aller Art sehr effizient genutzt werden kann und die dezentrale Nutzung des Wasserstoffs effizienter ist, ist das Potenzial in einer Wasserstoffwirtschaft deutlich größer. Die Studie [1] weist beispielsweise aus, dass für Treibstoffe ein Potenzial von 150 EJ bei Preisen <1ct/kWh erreichbar ist. Würde man auf dem gleichen Acker anstelle hochwertiger Früchte (Ölpflanzen, Getreide, Zuckerrohr) einfache Energiepflanzen mit hohen Masseerträgen anbauen, könnte man mehr als 3mal so viel Energie ernten. Das wäre dann schon doppelt so viel, wie für einen verschwenderischen Energie-Lebensstil nötig wäre.

Ein wichtiger Punkt ist eine wirklich nachhaltige Forstwirtschaft mit Rückführung der Mineralstoffe nach der Vergasung. Damit könnten die Holzerträge, insbesondere auf den nährstoffarmen Böden der Tropen und Subtropen vervielfacht werden. Damit wäre ein Energieversorgung mit Holz möglich, ohne die Lebensmittelversorgung auch nur zu tangieren (s. unten). Dieser Aspekt wurde in der Studie [1] nicht untersucht.

Der Bedarf an Biomasse wurde für Deutschland bei gleichem Energiemix mit 2,5 EJ ermittelt (s. Effizienz). Wenn unterstellt wird, dass eine Weltbevölkerung von 8 Mrd. Menschen mit dem gleichen Energiekomfort leben möchten, werden weltweit 250 EJ Biomasse benötigt (s. unten).

Bedarf und Potenzial von Biomasse weltweit

Auch wenn jeder Mensch auf der Welt mit deutschem Energiekomfort leben möchte, kann Biomasse alle atomaren und fossilen Energieträger sicher ersetzen.

Die Energiekosten wären dann deutlich niedriger als in unserer atomar-fossilen Welt.

Ölkriege wären dann so überflüssig wie ein Kropf.

            Bedarf und Potenzial 2050 weltweit

Potenziale 2030 in Deutschland

Deutschland und die EU betreiben eine hochsubventionierte Agrarwirtschaft. Dabei wird die Überproduktion zu Dumpingpreisen in Länder exportiert, die sich die Subventionierung ihrer Landwirtschaft nicht leisten können oder wollen. Das betrifft vor allem die 3. Welt. Die Preise für importierte Lebensmittel (Getreide, Gemüse, Fleisch) kann dort niemand unterbieten. Gehungert wird also auf dem fruchtbaren brachliegenden Ackerland. Auf diese Weise exportiert die EU Hunger in die 3. Welt. Im Lichte dieser Subventionspraxis wird unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit in der EU traditionell nur diejenige Biomasse als Potenzial betrachtet, die in der heutigen Situation noch übrig ist. Das Potenzial aus der Landwirtschaft ist dann definitionsgemäß nahe Null. Das regierungsamtliche Kodewort, mit dem die Forscher angewiesen werden, den Export von Hunger durch subventionierte Exporte von Nahrungsmitteln in ihren Studien nicht zu erwähnen heißt “Welternährungssicherung”. Zynischer geht es nicht.

Um eine Vorstellung von dem möglichen energetisch verwertbaren Biomassepotenzial zu erhalten, soll zunächst mit einer Plausibilitätsbetrachtung untersucht werden, wie hoch das Biomassepotenzial ohne Exportsubventionen bei einer 100%igen Selbstversorgung mit Lebensmitteln wäre.

1980 hatte die damalige europäische Wirtschaftsgemeinschaft die 100%ige Selbstversorgung mit Lebensmitteln erreicht. Damals betrug die Weizenernte in Deutschland und im Mittel der europäischen Wirtschaftsgemeinschaft ca. 4,5 t/ha. 2010 konnte dieser Ertrag in Deutschland auf 8,7 t/ha gesteigert werden und wird bis 2030 voraussichtlich auf 11,8 t/ha gestiegen sein. Bei allen anderen Getreidearten und Gemüsesorten war die Ertragssteigerung sogar noch höher. Darüber hinaus ist die Milch- und Fleischproduktion durch Züchtung und computergesteuerte Fütterung der Tiere immer effizienter geworden. Die Milchleistung einer Kuh betrug im EU-Durchschnitt 1980 ca. 3500 kg/a und 2014 ca. 8000 kg/a. Das Verhältnis kg Fleisch zu kg Futter steigt mit einer ähnlichen Dynamik wie die Ernteerträge. Wurden beispielsweise vor 50 Jahren noch 5 kg Futter für ein kg Hähnchenfleisch benötigt, sind es heute 1,6 kg. An dieser Stelle ist noch anzumerken, dass der Fleischkonsum in Deutschland seit 1980 abgenommen hat.

Allein durch die höheren Getreideerträge, wäre also 2030 nur ein Drittel der landwirtschaftlich Fläche erforderlich. Da Getreide überwiegend zur Tierernährung genutzt wird, könnte die erforderlich landwirtschaftliche Fläche unter Berücksichtigung der Effizienz bei der Erzeugung von Milch und Fleisch auf ein Viertel zurückgehen - bei 100%iger Selbstversorgung mit Nahrungsmitteln für Mensch und Tier. Mit anderen Worten: es ständen fast 13 Mio. ha von 17 Mio. ha für die Energieproduktion zur Verfügung. Unabhängig von dieser Plausibilitätsbetrachtung kommt eine große europäische Studie [6] zu ähnlichen Ergebnissen. Als überschüssige landwirtschaftliche Fläche werden hier ca. 11 Mio. ha ausgewiesen. Allerdings ist hier zu beachten, dass in dieser “Ethanol-Studie” nur Flächen ausgewiesen sind, die sich für den Anbau von Zuckerrüben und Getreide eignen, also nur für anspruchsvollere Pflanzen.

Die Züchtung von Mais hat heute Erträge von ca. 30 t/ha erreicht. 2005 waren es nur ca. 15 t/ha. Nach 2030 sind voraussichtlich >40 t/a möglich. Würde man die Pflanzen im Hinblick auf den Biomasseertrag züchten und nicht auf Biogasausbeute, würden noch höhere Erträge möglich sein. Ein weiterer Punkt ist die Nutzung von 2 Ernten/a. Damit ließen sich die Erträge nicht nur steigern, sondern ökologische Anforderungen erfüllen, die der ursprünglichen Natur sehr nahe kommen und den ökologischen Landbau hinsichtlich Umweltqualität weit übertreffen. Damit ist eine außerordentlich große biologische Vielfalt möglich. Dieses Zweikulturnutzungssystem wurde von der Universität Kassel/Witzenhausen entwickelt. Bei Energiepflanzen muss man deshalb nicht unbedingt an Mais denken. Mit Wildblumen sind beispielsweise ähnlich hohe Erträge möglich. Eine zusätzliche Option besteht darin, nach der Getreideernte mit Zweitfrüchten eine zusätzliche Ernte zu erzielen. Das Wurzelwerk dieser Zweitfrucht würde auch die Humusbilanz sicherstellen, ohne jedes 3. Jahr Stroh unterpflügen zu müssen. Der Anbau von Zweitfrüchten war bis in die 60er Jahre die Regel. Die Zweitfrucht (Gras, Klee, Luzerne) wurde für die Tierernährung genutzt.

Im Zuge der Globalisierung haben die Landwirte nun herausgefunden, dass Fleisch mit Sojaschrot billiger erzeugt werden kann als mit inländischem Gras oder Getreide. Das überflüssige Getreide wird nun zusätzlich exportiert. So kommt es, dass das kleine Deutschland zur viertgrößten Agrarexportnation der Welt aufgestiegen ist [7].

Aus dem deutschen Wald lässt sich jährlich eine Energiemenge von 1300 PJ entnehmen, wenn 50% des Waldrestholzes (Zweige und Kronenholz) im Wald verbleiben [2]. Dabei ist unterstellt, dass das industrielles Holz am Ende des Nutungszyklusses energetisch genutzt wird (Kaskadennutzung). Der Wald hat deswegen einen niedrigeren spezifischen Ertrag (4,5 t/ha) als Bäume auf dem Feld mit 10-20 t/ha, weil durch die Holzentnahme ein Nährstoffentzug stattfindet, der nur über den Staub aus der Luft ausgeglichen werden kann. Die Vorschrift, dass 50% des Waldrestholzes im Wald verbleiben sollte nützt bei der üblichen maschinellen Ernte weder der Tierwelt- noch dem Wald, weil dieses Holz an den Rückegassen verbleibt. Die romantische Vorstellung von händischer Einzelbaumernte kann heute niemand mehr bezahlen. Durch den totalen Nähstoffentzug sind Waldböden also extrem nährstoffarm. Eine wirklich nachhaltige Forstwirtschaft im Sinne von Hans Carl von Carlowitz (1713) bedeutet, dem Wald die entzogenen Mineralstoffe in Form Asche zurück zu geben. Dadurch lässt sich der Holzertrag langfristig verdoppeln. Durch wirklich nachhaltige Forstwirtschaft lässt sich die Energieversorgung Deutschlands zu 100% aus dem Wald bewerkstelligen. Durch die Aschedüngung entstehen keine nennenswerten Mehrkosten, weil die Asche dem ohnehin auszubringendem Kalk beigegeben werden kann.

 

Potenziale in Deutschland:

  • Energiepflanzen :                                                    6800 PJ  (30t/a auf 13 Mio. ha)
  • Holz:                                                                        1300 PJ;   mit Rückführung der Mineralstoffe: >2600 PJ
  • Reststoffe vom Bauernhof:                                      1100 PJ [3]
  • Reststoffe aus der Lebensmittelindustrie:              240 PJ [4]
  • Reststoffe aus Biotonne und häuslichem Grüngut: 200 PJ [5]
  • Summe:                                                                   9640 PJ

Für eine 100% nachhaltige Energieversorgung Deutschlands wären ca. 2500 PJ Biomasse erforderlich, wenn 1000 PJ EE-Strom integriert würde.

                                       Potenzial in Deutschland                                             Die Vielfalt von Energiepflanzen

 

 

Wie man sieht, lässt sich die Energie für Strom, Wärme und Mobilität allein aus deutscher Biomasse sichern. Eine Änderung des Lebensstils und die Einsparung von Energie über das ökonomische Maß hinaus, ist dabei nicht erforderlich.

Entgegen landläufiger Meinung kostet dieses Klimaschutzkonzept nichts. Man bekommt sogar noch Geld heraus, denn die Energiepreise werden um 60-80% sinken. Auch die Umstellung auf eine Wasserstoffwirtschaft ist weitaus billiger als das heutige Konzept des “weiter so”. Damit sind Klimaschutz-Verhandlungen überfüssig.

 

 

Europa

Für Europa insgesamt ist die Differenz zwischen Potenzial und Bedarf noch größer als hier für Deutschland ausgewiesen. Das liegt hauptsächlich daran, dass die Bevölkerungsdichte deutlich kleiner ist. Es muss auch keine Biomasse von reichen Länder in die armen Länder transportiert werden. Transportiert wird Biomasse in Form von Bio-Wasserstoff. Die Rohrleitungen dafür sind schon vorhanden und ausreichend dimensioniert.

Literatur:

[1] Dornburg, Faaij, VeweiJ; Biomass Assessment Assessment of global biomass potentials and their links to food, water, biodiversity, energy demand and economy; Report 500102012; Der Report ist abrufbar unter: www.mnp.nl

(2] DBFZ Report Nr. 4 (2011); Identifizierung strategischer Hemmnisse und Entwicklung von Lösungsansätzen zu Reduzierung der Nutzungskonkurrenzen bei weiteren Ausbau der Biomassenutzung; Seite 109-110

[3] DBFZ; Endbericht FZK 03KB021 (2012); Basisinformationen für die nachhaltige Nutzung von landwirtschaftlichen Reststoffen zur Bioenergiebereitstellung; Seite 7

[4] Hochschule Bremen und Justus-Liebig-Universität Gießen; Bestandsaufnahme zum biologischen Reststoffpotenzial der deutschen Lebensmittel und Biotechnik-Industrie (2013); Seite 105

[5] A. Wagner; Möglichkeiten der Kaskadennutzung von biogenen Abfällen; Bundesverband Sekundärrohstoffe und Entsorgung; Februar 2013 Messe Bremen

[6] Thrän et al; Sustainable Strategy for Biomass Use in the European Context; Institut für Energetik und Umwelt (IE), Leipzig 2006

[7] Innovation Bioökonomie; Gutachten des BioÖkonomieRats 2010; Seite 17

aktualisiert: 05.07.2014

[Home] [Konzept] [H2-Herstellung] [Infrastruktur] [Brennstoffzellen] [Energiequellen] [Stoffkreislauf] [Wahre Preise]

Impressum