Jürgen Karl

Klimawende

Eine Energiebilanz für morgen

Impressum

1. Auflage November 2018

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung bedarf der vorherigen Zustimmung des Autors.

Lektorat:       Christiane Lober, Halle (Saale)

Texte und
Umschlag:       © Copyright 2018 Jürgen Karl

Verlag:            Jürgen Karl, Schwabach, Juergen.Karl@fau.de

Siehst du den Wind, so wende das Ruder!

Chinesisches Sprichwort nach Shi, Puji,
aus Wu Deng Hui Yuan, dem „Buch der fünf Laternen“, 1252

für Luisa

und hoffentlich noch viele weitere Enkelkinder

Inhalt

Prolog

Kapitel 1: Achthunderttausend Jahre Energiewirtschaft

Am Anfang war (und ist) das Feuer

Die Erfindung der Arbeit

Ein echt antikes Businesskonzept

Ein Businesskonzept für die industrielle Revolution

Bedürfnis und Bedarf

Gespeicherte Energie

Die Königsdisziplin der Energiewirtschaft

Vergessene Revolutionen

Dampfkraftwerke für die Grundlast

Flexible Gasturbinen-Kraftwerke für die Spitzenlast

Hocheffiziente Gaskraftwerke für die Mittellast

Bertha und der Verbrennungsmotor

Das Credo der Energiewirtschaft

Wie fatal ist dezentral?

Ein bisschen von den theoretischen Grundlagen

Je größer das Gefälle, desto mehr bewegt sich

Kraft-Wärme-Kopplung oder entkoppelte Erzeugung?

Die Economy of Downscale

2. Kapitel: Worum es für uns geht

Von der Jahrtausendwende in die Energiewende

Brennpunkt Umweltschutz

Brennpunkt Versorgungssicherheit

Brennpunkt Energiekosten

Brennpunkt Verfügbarkeit und Weltfrieden

Brennpunkt Weltklima

Die Zukunft unserer Kinder

3. Kapitel: Die technischen Lösungen …

Fossile Kraftwerke und altes Eisen

Windenergie – Champion der erneuerbaren Energien

Ein Platz an der Sonne – die Photovoltaik

Kein Platz an der Sonne? Die Solarthermie

Der Klassiker – Wasserkraft

Die „gute“ und die „schlechte“ Bioenergie

Noch im Untergrund: Geothermie

Wasserstoff für Brennstoffzellen

Speichertechnologien

Erneuerbare Gase und mehr

Die richtigen Speicher

Erneuerbare Vielfalt

CO₂-freie Kraftwerke

Der Irrweg - „unkonventionelle“ Energieträger

Methan – die ignorierte Gefahr

Oder doch wieder Kernenergie?

4. Kapitel: … und wie sie sich verkaufen lassen

Die Betroffenheit gesellschaftlicher Eliten

Ein Businesskonzept, das immer funktioniert

Ein leider nur abstraktes Bedürfnis

Wie aus Bedürfnissen Bedarf wird

Aber „Not in my back yard“!

Das Ideal des Second Mover

The Taxpayer Perspective

Kernproblem Investitionsrisiko

Die Regulierung deregulierter Märkte

„Energy only“ oder Kapazitätsmärkte

Das Prinzip der Merit Order

Das Ende einer falschen Legende…

5. Kapitel: Der Plan fürs Klima

Executive Summary

Produkte und Dienstleistungen

Ideeller und finanzieller Kundennutzen

Markt und Wettbewerb

Das richtige Marketing…

Realisierungsfahrplan

Geschäftssystem und Organisation

Chancen und Risiken

Finanzplanung und Finanzierung

6. Kapitel: …und wie’s nun weitergeht

Warum Deutschland (fast) alles richtig macht…

… und an der Energiewende nicht zugrunde gehen wird

Was jetzt zu tun ist

Stichwort- und Personenverzeichnis

Prolog

Es ist Montag, der 14. Februar. Seit letzter Woche herrscht wieder Dunkelflaute. Es ist windstill, neblig und kalt. Am Wochenende feierte Lisa noch ihren 38. Geburtstag. Als sie im Jahr 1990 kurz vor der Wiedervereinigung zur Welt kam, war die Energiewelt in Deutschland noch in Ordnung. Stromausfälle kannte man nur aus dem Fernsehen. Die kalifornische Energiekrise, die großen Blackouts des Jahres 2003 in New York und in Italien lagen noch in ferner Zukunft. Zwei Jahre zuvor, im Jahr 1988 gründeten die Vereinten Nationen den Weltklimarat – das International Panel of Climate Change, IPCC. Als Lisa im Alter von drei Monaten eher zufällig ihre erste Rolle seitwärts vollzog, also am 24. Mai 1990, stellte die Enquete-Kommission des Deutschen Bundestags zum „Schutz der Erdatmosphäre“ ihren dritten Bericht unter das Motto „Eine Chance für die Erde“.

Darin heißt es

„Die Enquete-Kommission hält es daher angesichts des
aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstandes und nach dem Vorsorgeprinzip für notwendig, geeignete Maßnahmen zur Eindämmung des zusätzlichen Treibhauseffektes auch im nationalen Rahmen unverzüglich einzuleiten.“

Unverzüglich! Das war vor 38 Jahren.

Seither berichtete das IPCC alle paar Jahre über den fortschreitenden Klimawandel; zunächst warnend, später eher resignierend. Schon im Fünften Sachstandsbericht im Jahr 2014 widmete der Weltklimarat einen von drei Teilberichten nur noch den Themen „Impacts, Adaptation, and Vulnerability“ – Folgen, Anpassung und Verwundbarkeit. Diskutiert wurden Maßnahmen zur Anpassung der Menschheit und der Umwelt an den nun wohl unvermeidbaren Klimawandel.

Heute, im Jahr 2028, sind die Folgen des Klimawandels auch in Deutschland allgegenwärtig. Wälder sterben, Gewässer kippen, und Wirtschaftsflüchtlinge spielen angesichts der stetig steigenden Ströme von Klimaflüchtlingen aus aller Welt nahezu keine Rolle mehr. Den Hitzewellen und Trockenperioden im Sommer mit immer zahlreicher und intensiver werdenden Starkregen-Ereignissen folgen zerstörerische Herbststürme und immer extremere Temperaturwechsel in den Wintermonaten.

Aber gerade heute würde sich Lisa über einen Wetterumschwung, etwas Wind und sogar stürmisches Regenwetter mit Hagel, Blitz und Donner freuen. Für die Mittagsstunden hatten die örtlichen Stadtwerke die nächsten Stromabschaltungen angekündigt. Mit diesen Rolling Blackouts wird versucht, einem flächenweiten und unkontrollierten Stromausfall vorzubeugen. Zweimal täglich für jeweils 90 Minuten wird die Stromversorgung ganzer Stadtteile abgeschaltet, um die fehlende Einspeisung der Windkraftanlagen und der mittlerweile so weit verbreiteten Photovoltaikanlagen auszugleichen.

Zwar hat sich Lisa wie die meisten ihrer Nachbarn längst einen Notstromgenerator im Baumarkt um die Ecke besorgt. Der hatte aber bereits letzte Woche den Dienst quittiert. Für die Reparatur müsste er eingeschickt werden. Über den Reparaturservice des chinesischen Herstellers hört man nicht viel Gutes, und ein Ersatzgerät ist momentan nicht zu bekommen. Stromgeneratoren sind wie bei jeder Dunkelflaute innerhalb kürzester Zeit ausverkauft. Angesichts des Lärms, der Abgase und vor allem der hohen Verbrauchskosten ist Lisa darüber nicht wirklich unglücklich. Zwölf Liter Benzin verbraucht der Generator täglich und produziert dabei gerade einmal so viel Strom, dass der Kühlschrank, ein paar Energiesparlampen und die Steuerung und Umwälzpumpe der Heizungsanlage versorgt werden können. Am teuersten ist der erstaunlich hohe Ölverbrauch des Motors. Die milchigweißen Rauchfahnen am Auspuff lassen erahnen, wohin sich das teure Motoröl so schnell verflüchtigt. Immerhin reicht der Strom meistens noch für den WLAN-Router und dazu, die Handys der Kinder wieder aufzuladen. Das wird aber heute Mittag nicht möglich sein. Auf Kochen, Staubsaugen, Wäschewaschen und Fernsehen mit dem neuen 72-Zoll-Flachbildschirm muss bei Strommangel ohnehin verzichtet werden. Richtig gut findet Lisas Partner den neuen Dresscode im Büro bei Strommangel: Ungebügelte Hemden sind heute, im dunkelflautengeplagten Büroalltag, ein Muss – auch und gerade in leitenden Positionen.

YouTuber diskutieren auf allen Kanälen, wie es so weit kommen konnte in einem hochindustrialisierten Land wie Deutschland, in dem die sichere Versorgung mit Strom, Wärme und Benzin schon seit Mitte des letzten Jahrhunderts eine Selbstverständlichkeit gewesen war. War es ein Fehler, die Hälfte der deutschen Braunkohlekraftwerke stillzulegen? Natürlich ist Klimaschutz wichtig, aber solange China und Indien noch immer neue Kohlekraftwerke bauen, wär’s auf die paar deutschen Kraftwerke vielleicht auch nicht angekommen? Oder waren die wirklich schon so alt, dass sie nicht doch noch ein paar Jahre länger hätten betrieben werden können?

Immerhin – dessen ist sich Lisa sicher – war es richtig, die deutschen Kernkraftwerke nun endgültig stillzulegen. Spätestens nach dem Störfall im französischem Kernkraftwerk Fessenheim im Herbst des Jahres 2024 setzte auch im Nachbarland eine Diskussion um die Altersstruktur des dortigen Kraftwerksparks ein. Fast 70 % des Stroms wird in Frankreich noch heute aus Kernenergie erzeugt. Der Druckwasserreaktor in Fessenheim war zum Zeitpunkt des Störfalls bereits seit 46 Jahren im Betrieb. Die eigentlich für 2019 geplante Stilllegung des Kraftwerks war nach langen Verhandlungen mit den französischen Aufsichtsbehörden noch einmal vertagt worden, um Versorgungsengpässen vorzubeugen.

An einem heißen Sommertag vor vier Jahren musste die Leistung des Reaktors wieder auf Mindestlast abgesenkt werden. Die hohe Photovoltaikleistung in Deutschland und Spanien führte zu einem Überangebot an Strom in Europa. Gleichzeitig führte der Rhein nach einer langandauernden Hitzeperiode Niedrigwasser, und es stand nicht ausreichend Kühlwasser zur Verfügung. Die ständigen Lastwechsel verursachten im Primärsystem des Kraftwerks schließlich den Ausfall eines Druckhalteventils und einen Kühlmittelverlust-Störfall. Der führte zum Druckverlust und ließ den Wasserstand im Reaktordruckbehälter absinken. Als planmäßig die Notkühl-Einspeisung aus den Druckspeichern des Primärsystems in den teilentleerten Reaktordruckbehälter einsetzte, wurden die heißen Reaktorwände mit kaltem Notkühlwasser geflutet. Am Übergang einer Hauptkühlmittelleitung in den Reaktordruckbehälter kam es daraufhin zum Thermoschock; eine Hauptkühlmittelleitung brach. Lisa hatte gehört, dass dieser katastrophale Schaden vor allem dadurch zustande kam, dass die Lebensdauer des Druckbehälters eigentlich schon längst überschritten war. Dadurch, dass die Stahlwände des Reaktordruckbehälters über 46 Jahre permanent mit Neutronen bestrahlt wurden, versprödete der Stahl. Eines der wichtigsten Sicherheitskriterien eines Druckwasserreaktors – das Prinzip „Riss vor Bruch“ – war nicht mehr gewährleistet. Der Abriss der Hauptkühlmittelleitung vollzog sich nicht mit einem langsam fortschreitenden Riss, sondern durch einen plötzlichen Sprödbruch. Dass der Bruch im Inneren des Containments nicht noch größere Schäden auslöste und das Containment dem in der Folge eigentlich viel zu hohen Innendruck so lange standhielt, grenzte nach Einschätzung vieler Experten an ein Wunder. Immerhin gelang es nach wenigen Tagen durch die kontinuierliche Notkühlung über das Hochdruckeinspeisesystem so viel Nachzerfallswärme abzuführen, dass keine unmittelbare Gefahr einer Kernschmelze mehr bestand.

Für die Mehrheit der deutschen Anlieger auf der anderen Seite des Rheins, im benachbarten Freiburg bis ins Ruhrgebiet, stand nach dem Störfall fest, dass der nach Fukushima im Jahr 2011 beschlossene deutsche Atomausstieg richtig gewesen sei – trotz steigender Strompreise und der sich bereits abzeichnenden Stromknappheit.

Heute, vier Jahre später, im Jahre 2028, herrscht Strommangel in Deutschland. In den Jahren 2021 und 2022 wurden kurz nacheinander die letzten sechs verbliebenen deutschen Kernkraftwerke vom Netz genommen: die Kernkraftwerke Grohnde, Brockdorf und Gundremmingen Block C am 31. Dezember 2021 und die Kraftwerke Isar II, Emsland und Neckarwestheim II zwölf Monate später am 31. Dezember 2022. Die Produktion von etwa 64 Terrawattstunden, also ungefähr 10 % der gesamtdeutschen Stromerzeugung, war innerhalb nur eines Jahres nicht mehr da. Konventionelle Ersatzkraftwerke waren davor nicht gebaut worden. Um den Klimaschutzzielen der Bundesregierung gerecht zu werden, wurde in den letzten Jahren zusätzlich die Hälfte der deutschen Kohlekraftwerke stillgelegt. Deren Durchschnittsalter lag zum Zeitpunkt ihrer Stilllegung bei 48,3 Jahren.

Nicht nur in Deutschland, auch in allen west- und südeuropäischen Nachbarländern ist die Versorgungssituation prekär. Nachdem sich der Störfall des Kraftwerks in Fessenheim nur wenig später im belgischen Kernkraftwerk Tihange 1 nahezu identisch wiederholte, wird nun auch in Frankreich und Belgien um die Abschaltung zumindest der ältesten Kernkraftwerke heftig gerungen. Tihange 1 war zum Zeitpunkt der Havarie bereits 50 Jahre alt und sollte nach der in Belgien im Jahr 2012 beschlossenen Laufzeitverlängerung zum Ende des Jahres 2025 ohnehin stillgelegt werden.

Wind und Photovoltaik wurden auch in den letzten Jahren kräftig ausgebaut – nicht nur in Deutschland, sondern in ganz Europa, sogar in Frankreich. Aber Sonne und Wind helfen eben nicht bei Dunkelflaute.

Lisa fragt sich, ob das alles nicht auch vorhersehbar und vielleicht sogar vermeidbar gewesen wäre …

***

Nein, liebe Leserinnen und Leser! So apokalyptisch geht’s nicht weiter! Sie können also gerne weiterlesen.

Schließlich ist es gar nicht so kompliziert nachzuvollziehen, wie genau ein solches Szenario zu vermeiden ist. Eine Vielzahl neuer Ideen, Technologien und Strategien steht bereit, um den Umstieg auf eine weitgehend CO₂-freie Energiewirtschaft zu erreichen – zu vertretbaren Kosten und ohne Blackouts.

Aber ist das tatsächlich so? Können wir uns Klimaschutz leisten, können erneuerbare Energien wirklich den Beitrag leisten, den wir uns alle wünschen? Wie konnte dieses Dilemma entstehen; ein Dilemma, das für die Gesellschaft darin besteht, sich scheinbar entscheiden zu müssen zwischen Wohlstand und Versorgungssicherheit auf Kosten unserer Kinder und ferner Kulturen einerseits – und einer Energiewende, die lieb gewonnene Gewohnheiten, Arbeitsplätze und Versorgungssicherheit möglicherweise infrage stellt und dazu auch noch Geld kostet?

Im ersten Kapitel stellen wir zunächst die Frage nach der Vergangenheit. Wir werden die Geschichte der Energieversorgung kennenlernen. Wir werden erläutern, welchen physikalischen, thermodynamischen und wirtschaftlichen Zwängen die Energiewirtschaft schon immer unterlag. Wir werden erörtern, welche thermodynamischen Prinzipien bestimmen, welche Energieform mit welchem Aufwand nutzbar gemacht werden kann, und welche technologischen Meilensteine und Herausforderungen gemeistert werden mussten. Wir diskutieren, was denn technisch möglich und wirtschaftlich nötig ist; was notwendig war, um den Wohlstand und den Lebensstandard zu erreichen, den wir heute zumindest in Teilen der Welt genießen.

Dass sich nicht nur die Technologie für die Bereitstellung von Strom und Wärme gewandelt hat, sondern auch die Anforderungen der Gesellschaft und Umwelt an die Energiewirtschaft im Umbruch sind, werden wir im zweiten Kapitel diskutieren. Hier werden die fundamentalen Unterschiede der Welt- und Technologieanschauung in unserer Gesellschaft deutlich. Gräben tun sich auf in der Bewertung des Ist-Zustandes und der Notwendigkeit des Handelns und des Wandelns. Gibt’s denn den Klimawandel? Sind die Thesen der Klimaforscher vielleicht noch gar nicht belegt? Ist’s nicht wichtiger, eine gesicherte Energieversorgung garantieren zu können und zu gewährleisten, dass in unseren Krankenhäusern die Stromversorgung lebenswichtiger Apparate gewährleistet bleibt, Energie bezahlbar bleibt? Arbeitsplätze stehen auf dem Spiel. Blackouts und schwindende Rohstoffreserven drohen Wachstum und Wohlstand infrage zu stellen.

Im dritten Kapitel werden Sie feststellen, dass es eine Menge richtig guter Ideen und technischer Lösungen zur Lösung unseres Energieproblems gibt. Überraschenderweise werden sich die vorgeschlagenen Lösungen gar nicht widersprechen, sondern – im Gegenteil – ideal ergänzen. Sie werden lesen, welche Technologien und Ideen eine weitgehende „Dekarbonisierung“ der Energiewirtschaft erlauben – und das, ohne den Wirtschaftsstandort Deutschland oder Europa zu ruinieren. Sie wird vielleicht überraschen, dass viele erneuerbare Energien teilweise heute schon uneingeschränkt wettbewerbsfähig sind und konventionelle Kraftwerkstechnologien oft gar nicht mehr dazu in der Lage sind, zu ähnlich niedrigen Kosten Strom zu erzeugen.

Die wichtigste Botschaft lautet aber: Wenn ein Glas halb voll ist, ist es zugleich auch noch halb leer. Es gibt tatsächlich noch viel zu tun. So sind Netze, Speicher, dezentrale Strukturen, vielleicht auch neue große – aber CO₂-freie – konventionelle Kraftwerke auf- und auszubauen. Schließlich ist die Situation Deutschlands mit der Chinas oder Indiens nur schwer vergleichbar. Ganz bestimmt muss auch über neue Business- und Marktmodelle nachgedacht werden!

Sie werden es schon vermuten: Antworten auf all die offenen Fragen gibt es mehr als eine. Sogar viele richtige Antworten. Und am Ende sind wir uns dann doch wieder einig. Unsere Energieversorgung der Zukunft muss vor allem nachhaltig sein, vor allem sicher und natürlich auch bezahlbar. Vor allem aber muss etwas geschehen. Es muss etwas unternommen werden! Und das schnell! Ein Unternehmen muss gestartet werden – nennen wir es ein „Start-up“ –, mit dem es gelingt, den Folgen eines immer schneller fortschreitenden Klimawandels zu begegnen. Gleichzeitig gilt es, Versorgungssicherheit und Wohlstand aufrechtzuerhalten – und das weltweit. Schließlich sind Sicherheit und Wohlstand, Voraussetzungen für Erziehung und Bildung, für Beschäftigung und ein friedliches Miteinander.

Wir müssen etwas unternehmen! Wir brauchen ein Unternehmen, das unseren Gesellschaften eine „Energiewende fürs Klima“ anbietet. Ein Start-up, das die Ideen einer klimaneutralen Energiewirtschaft und die dazugehörigen Technologien vermarktet, umsetzt und realisiert. Dieses Start-up braucht einen Plan:

einen Businessplan für den Schutz unseres Weltklimas.

Und das unverzüglich!

Kapitel 1:
Achthunderttausend Jahre
Energiewirtschaft

Am Anfang war (und ist) das Feuer

Technikgeschichte ist immer die Geschichte von Innovationen, neuer Ideen, Erfindungen und Anwendungen. Das gilt auch für die Geschichte der Energietechnik und der Energiewirtschaft. Um aktuelle, teilweise recht kuriose Entwicklungen unserer Energiewirtschaft zu verstehen, hilft der Blick in die Vergangenheit; vor allem ein Blick darauf, wie Innovation für unsere Energieversorgung funktioniert.

Die wohl wichtigste Innovation der Energiewirtschaft reicht weit zurück, sehr weit. Bis in die Anfänge der Menschheit. Als sich vor nahezu 800 000 Jahren in der Altsteinzeit der Homo erectus die Wärme des Feuers nutzbar machte, war dies der Beginn der Evolution hin zum Neandertaler und zum Homo sapiens. Bis heute stillt das Feuer das Grundbedürfnis des Menschen nach Wohlbefinden und Wärme. Noch heute ist die Wärme des Holzfeuers eines häuslichen Kamins der Inbegriff für Behaglichkeit, Wohlstand und Geborgenheit.

Mit der Energie des Feuers begann also alles. Viel gab es danach noch zu erfinden und zu entdecken, liebe Leserinnen und Leser, bis die Versorgung mit Strom und Wärme uns den Wohlstand und Lebensstandard ermöglichte, den wir heute alle so schätzen. Es ist eine Geschichte von Entdeckungen und Erfindern, erfolgreichen und solchen, die heute niemand mehr kennt. Es ist eine Geschichte von Konflikten und Gefahren, von Emotionen und Konfusionen; die hoffentlich auch für Sie spannende Geschichte der Energiewirtschaft.

Aber zunächst zurück an den Anfang. Bleiben wir bei Feuer und Wärme. Feuer entfachte man lange Zeit ausschließlich mit Bioenergie: erneuerbar, zunächst auch nachhaltig und CO₂- neutral.

Die wirtschaftliche Bedeutung des Feuers, genauer die wirtschaftliche Bedeutung der für die Wärmeerzeugung verwendeten Brennstoffe, war lange Zeit unerheblich. Holz war in großen Mengen vorhanden und mit geringem Aufwand bereitzustellen. Bis ins späte Mittelalter war Holz nahezu unbegrenzt verfügbar. Erst mit zunehmendem Bevölkerungswachstum und steigendem Energieverbrauch wurden Energiekosten relevant. Als den Wäldern Mitteleuropas durch Bau- und Brauwirtschaft, Schiffbau und Metallerzeugung arg zugesetzt worden war, wurde Holz wertvoll. Nachdem die riesigen Wälder Europas fast schon verschwunden waren, wurden schließlich neue Brennstoffe wie Torf, Kohle und später Öl zum Wirtschaftsfaktor. Die Verfügbarkeit von Brennstoffen wurde zum entscheidenden Faktor für Industrialisierung und Wohlstand. Bis heute bestimmt die Verfügbarkeit von Brennstoffen den Preis unseres Wohlstandes.

Für ein paar Hunderttausend Jahre blieben Feuer und Wärme unsere wichtigsten energietechnischen Errungenschaften. Und noch heute steht Feuer am Beginn nahezu jeder Prozesskette der Energiewirtschaft. Die Nutzenergien Strom, Wärme und Mobilität haben ihren Ursprung fast immer in der Verbrennung. Die Kosten von Strom, Wärme und Mobilität basieren deshalb auf den Kosten unserer Brennstoffe. Sogar die Kosten für Nahrungsmittel und viele Güter des täglichen Bedarfs werden wesentlich durch die Verbrennung – in der Regel fossiler Brennstoffe – bestimmt. Selbst die Prozesskette für unser „täglich Brot“ beginnt mit einer „partiellen Verbrennung“ von Kohle oder Erdgas, um Wasserstoff für die Herstellung von Kunstdünger zu erzeugen. Die Ammoniaksynthese aus Wasserstoff und Stickstoff für die Herstellung von Stickstoffdünger nach dem Haber-Bosch-Verfahren ermöglichte erst das enorme Bevölkerungswachstum des 19. und 20. Jahrhunderts. Fossile Brennstoffe werden eingesetzt, um Getreide zu ernten, zu transportieren, zu verarbeiten und schließlich in großen Backstraßen unsere Grundnahrungsmittel fertigzustellen. Steigende Energiepreise führen also nicht nur zu steigenden Strom- und Treibstoffpreisen – sie führen notwendigerweise auch zu steigenden Lebensmittelpreisen. Ähnlich verhält es sich mit nahezu allen Gütern des täglichen Bedarfs. Auch die Herstellung von Stahl, Zement und anderer Baustoffe belastet unsere Energie- und damit auch unsere CO₂-Bilanz. Steigende Energiepreise führen zu steigenden Preisen im Bausektor und für die Produktion von Pkws und Flugzeugen.

Noch heute ist also das Feuer, ist die Verbrennung Grundlage für Wohlstand und Lebensstandard. Noch heute treibt Wärme die Evolution unserer Gesellschaft in immer schnellere Zyklen und Bahnen. Aber dann, vor etwa zehntausend Jahren, trat mit der Entwicklung der ersten Hochkulturen eine weitere Energieform in den Mittelpunkt des gesellschaftlichen Interesses – die mechanische Arbeit.

Die Erfindung der Arbeit

Bald schon genügte Wärme allein den immer stärker werdenden Bedürfnissen des Menschen nach Komfort und einer Vereinfachung des Alltags nicht mehr. Es gab einfach immer schon viel zu viel Arbeit. Und die musste irgendwie verrichtet werden.

Arbeit wurde zuallererst wie die Wärme biogen – von und mit Biomasse – bereitgestellt. Dazu musste erst mal nicht viel erfunden werden. Pferde, Rinder und Sklaven verrichteten mechanische Arbeit auf Feldern, in Manufakturen und auf den ersten holprigen Wegen der sich mobilisierenden Menschheit. Das war nicht hundertprozentig klimaneutral. Gerade tierische (genau genommen auch menschliche) Emissionen des Treibhausgases Methan sind für das Klima nicht vernachlässigbar. Die für den Klimawandel so wichtige Rolle des Methans werden wir später noch genauer diskutieren.

Arbeit biogen bereitzustellen, war für den Durchschnitts-Homo-Sapiens mühsam – zumindest, wenn er keine Sklaven sein Eigen nennen konnte. Mühsam war es beispielsweise, das für Feuer und Wohlbefinden so wichtige Holz verfügbar zu machen. Was mühsam begann, war mit Beginn der Bronzezeit und ehernen Äxten immer effizienter zu bewerkstelligen. Die Innovation des Bronzebeils forcierte und technisierte nicht nur kriegerische Auseinandersetzungen, sondern auch die energetische Nutzung unseres ältesten und seit jeher wichtigsten Primärenergieträgers, des Holzes – und das bis heute. Mitunter galt die Aufbereitung des Primärenergieträgers Holz mit der prähistorischen Technologie des Beils sogar als königliches oder gar kaiserliches Vergnügen. Als sich Kaiser Wilhelm der Zweite nach Ende des ersten Weltkrieges in den kaiserlichen Ruhestand zurückzog, bereitete ihm – nachdem er zuvor bereits Europa nachhaltig gespalten hatte – vor allem das Holzhacken Vergnügen, Freude und Erfüllung.

Das Bronzebeil war also die zweite wichtige Erfindung der Energiewirtschaft; eine Erfindung, der noch viele weitere folgen sollten. Kriegerische Innovation und technische Meilensteine der Energiewirtschaft gingen schon damals Hand in Hand. Wir werden auch darauf zurückkommen.

Immerhin begann auch unsere zweite Energieform – die Arbeit – häufig CO₂-neutral. Die erneuerbaren Energien Wind und vor allem Wasserkraft lieferten mechanische Arbeit schon bald vollkommen ohne CO₂ oder Methan-Emissionen. Bald nachdem die ersten biogen betriebenen Wasserräder als Schöpfräder in der Landwirtschaft für die Bewässerung höher gelegener Felder eingesetzt worden waren, erfanden technisch versierte Siedler das Wasserrad. So konnte auch die potenzielle Energie von Wasser in Antriebsenergie für die Bereitstellung mechanischer Arbeit gewandelt werden kann. Das Wasserkraftwerk war erfunden.

Sklaven und Rinder waren teuer, ihr Primärenergiebedarf kostspielig, auch wenn deren Ansprüche an die eingesetzten Primärenergieträger Hafer, Weizen und ausnahmsweise Bioethanol in Form von Met und Bier eher gering waren. Die Nutzung regenerativer Wasserkraft forderte zunächst einen erhöhten Kapitaleinsatz, der sich aber durch vermiedene Primärenergiekosten oft schnell amortisierte. Erst muss investiert werden, dann kann nahezu gratis geerntet werden. Das gilt für die regenerativen Energien Wind, Sonne und Wasser bis heute. So nutzten bereits die Römer die Wasserkraft in Mühlen, im Mittelalter kam die Nutzung der Wasserkraft in Hammerwerken und Schmieden hinzu und ersetzte zunehmend die Arbeitskraft von Mensch und Tier. Der Bedarf an mechanischer Energie prägte ein neues Berufsbild – den Ingenieur, den Tüftler und Genius, dem es gelang, mit innovativen Ideen Maschinen zu finden und zu erfinden, die dem Menschen den Alltag vereinfachen und bereichern sollten.

Geld zu verdienen, war allerdings auch für die ersten Ingenieure schon schwer. Vermutlich verbrachten die meisten Brückenbauer und Erfinder kriegswichtiger Apparate ihr Dasein als Sklaven, Soldaten oder Tagelöhner. Geld verdienten schon damals andere. Kaufleute zum Beispiel – und hin und wieder einflussreiche und beeinflussbare Politiker. Vereinzelt gab es aber auch schon in der Antike Tüftler und Denker, denen es gelang, mit einem geeigneten Businesskonzept aus der Tristesse des antiken Ingenieurtums auszuscheren und zu Wohlstand und Ansehen zu gelangen.

Heron von Alexandria war einer von ihnen. Vielleicht sogar der Erste, der erkannte, dass dem Ingenieur das weniger Nützliche oft mehr nützt als das für die Bewältigung des Alltags wirklich Notwendige. Das ist aber nicht grundsätzlich verwerflich. Bis heute resultiert viel Nützliches aus der Innovation des Unnützen.

Ein echt antikes Businesskonzept

Wer also war Heron von Alexandria? So genau weiß das niemand. Er lebte wohl im Alexandria des ersten Jahrhunderts. Heron schrieb Bücher über die Optik, über Maschinen und ein „Buch der Pneumatik und Hydraulik“. Dies ist wohl sein bedeutendstes Werk. Schließlich gilt Heron bis heute als der Urvater der Strömungsmechanik und Erfinder der allerersten Dampfturbine – des berühmten Heronsballs. Sein Bestseller war aber vermutlich ein anderes Werk, das „Buch der Projektile“. Dieses Buch war für die belesenen Zeitgenossen des ersten Jahrhunderts vermutlich interessanter, weil anwendungsnäher. Ein Katapult, das mehrere Pfeile gleichzeitig abfeuern konnte, eröffnete im antiken Kriegswesen sicherlich völlig neue Möglichkeiten. Wissenschaftlich so richtig bedeutend wurde die Innovation des Heronsballs auch erst viel später, wenngleich dessen antike Nutzung schon höchst lukrativ zu sein schien.

Heron arbeitete überwiegend für die Tempel des antiken Alexandria. Die Priester der antiken Metropole standen in einem harten Wettbewerb zueinander. Im eigentlich griechischen Alexandria verschmolzen orientalische und abendländische Philosophien und Religionen. Später traten jüdische und christliche Lehren in Konkurrenz zum orientalisch-priesterlichen Establishment. Der Wettbewerb um die gläubige und zahlungskräftige oder, genauer, spendenwillige Kundschaft erforderte ein strategisches Marketing, zielkundenorientiertes Produktmanagement und breitenwirksame Kampagnen. Schließlich war die Kirchensteuer noch nicht erfunden, und die Priester der großen alexandrinischen Tempel lebten – vermutlich nicht ganz schlecht – von den wohlgemeinten Zuwendungen ihrer Gläubigen und möglicherweise auch – wenn das Management aufs falsche Pferd gesetzt hatte – von den Zuwendungen weniger wohlgesonnener Gläubiger.

Aufs richtige Pferd setzten damals beispielsweise die Auftraggeber des Heron. Heron entwickelte für die Priester allerlei Bewegliches und Bewegendes. Beispielsweise sich wundersam selbst öffnende Tempeltore oder eben ein bronzenes Pferd, das wie von Geisterhand von einem keulenschwingenden Helden geköpft wurde, sobald ein verängstigter Gläubiger das schummrige und mit narkotisierenden Rauchgasen kontaminierte Innere eines Heiligtums betrat. Ein kompliziertes Zusammenspiel mechanischer, hydraulischer und pneumatischer Mechanismen betätigte die Geisterhand. Überhöhte Kohlenmonoxid-Konzentrationen, finster dreinblickende Geistliche und eben auch Herons ingenieurstechnische Meisterwerke taten das Ihre, um den Kunden seiner Talente zu berauben. Talente hatten damals noch nichts mit irgendwelchen Begabungen zu tun. Ein Talent war einfach die Gewichtseinheit für das Gold, das besagter Kunde bei sich trug.

Eines dieser genialen Meisterwerke des Heron war auch die Aeolipile, der Heronsball: eine große metallische Kugel, über die das Wasserdampfgemisch eines darunter liegenden, direkt gefeuerten Dampfkessels tangential durch Düsen entwich. Die Kugel ist drehbar in den Dampfzuführungen gelagert und versetzt sich in eine geheimnisvolle Rotation, sobald ausreichend Dampf aus den tangential angeordneten Antriebsdüsen entweicht. Die Dampfturbine war erfunden.

Allzu viel mechanische Arbeit im eigentlichen Sinne wurde bestimmt nicht verrichtet. Der thermodynamische Wirkungsgrad der Apparatur litt sicher noch unter relativ groben Fertigungstoleranzen und großen Spaltverlusten. Daher reichte der erzeugte Strömungsimpuls gerade aus, um eine – im antiken Alexandria – immerhin sensationell anmutende Drehbewegung aufrechtzuerhalten. Aber hohe Wirkungsgrade sind bis heute kein notwendiges Alleinstellungsmerkmal ökonomisch erfolgreicher Energiekonzepte. Entscheidend für eine erfolgreiche Vermarktung ist vielmehr, die richtige Marktnische für die Markteinführung zu finden. In besagtem Fall war dies bestimmt eine besonders dunkle Nische, ganz hinten im Innersten eines Heiligtums. In Verbindung mit den sicher nicht minder mystisch anmutenden Strömungsgeräuschen leistete der Heronsball hier wahrscheinlich ganze Arbeit, wenn es galt, Gläubige nachhaltig zu beeindrucken.

Wir lernen daraus: Schon damals waren innovative Businesskonzepte die Grundlage für jegliche Innovation in der Energietechnik. Das sollte sich bis heute nicht ändern. Immerhin können wir Heron zugutehalten, dass für seine Businessidee die friedliche Nutzung seiner Erfindung im Vordergrund stand. Sie hatte gewissermaßen sogar eine soziale Dimension.

Dennoch galt es schließlich, mit energietechnischen Apparaten nicht nur visuelle Eindrücke virtuell arbeiten zu lassen, sondern irgendwann auch ganz reale, technische Arbeit zu verrichten. Arbeiten, für die Sklaven und Pferde irgendwann zu teuer wurden, für die der Primärenergieaufwand in Form von Hafer, Weizen und Brot zur wirtschaftlichen Belastung wurde. Wasserkraft war nur an wenigen Orten vorhanden und meist auch nur mit sehr kleiner Leistung nutzbar. Windenergie trieb Mühlräder nur bei günstigem Wetter und mit hohem technischem Aufwand an.

Es sollte aber noch mehr als eineinhalb Jahrtausende dauern, bis die erste wirkliche Revolution der Energiewirtschaft technische Arbeit überall und jederzeit verfügbar werden ließ. Die Erfindung der Dampfmaschine.

Ein Businesskonzept für die industrielle Revolution

Als schließlich im 18. Jahrhundert die Dampfmaschine nach und nach dem Menschen den Arbeitsalltag erleichterte, war nicht abzusehen, welche weitreichenden Veränderungen die Energiewirtschaft schon bald für die Bevölkerung Europas und Nordamerikas mit sich bringen würde. Bevölkerungswachstum und zunehmende Industrialisierung wurden nur durch die Bereitstellung von Wärme und Arbeit möglich.

Dabei war es keineswegs so, dass die Fortschritte in der Energietechnik die industrielle Revolution ausgelöst hätten. Vielmehr waren Industrialisierung und Bevölkerungswachstum – und damit der zunehmende Bedarf an Energie – Auslöser für die energietechnische Revolution und das Entstehen der Energiewirtschaft und der Thermodynamik. Der stetig steigende Bedarf an Kohle und der zunehmende Bedarf an Antriebsenergie veranlassten James Watt und Robert Stirling, sich mit neuen Antriebskonzepten für Bergbau und Industrie zu beschäftigen. Carnot und Clausius hätten sich nie mit den thermodynamischen Prinzipien dieser Arbeitsmaschinen beschäftigt, hätte ihnen nicht der industrielle Alltag die Notwendigkeit einer eingehenden Betrachtung und Verbesserung der ersten Dampfmaschinen vor Augen geführt. Auch wenn die Erfindung der Dampfmaschine die industrielle Revolution nicht ausgelöst hatte, so war sie doch eine der wesentlichen Grundlagen dafür, dass die Entwicklungen im 19. Jahrhundert so rasch voranschreiten konnten.

Die im Alltag auftretenden Mängel der ersten Arbeitsmaschinen – geringe Leistung und noch geringere Effizienz – definierten Problem und Aufgabenstellung der frühen Thermodynamik und führten so, schon nahezu parallel zur Geburtsstunde der ersten Arbeitsmaschinen, zur Definition des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Die technische Entwicklung und deren wissenschaftliche Analyse folgten also schon damals den Bedürfnissen des industriellen Alltags. Auch dies ist bis heute so geblieben. Die Entwicklung neuer Technologien wie Brennstoffzelle und CO₂-freier Kohlekraftwerke setzt unmittelbar Bedarf und Nachfrage voraus.

Als nun James Watt 1769 sein Patent „New Invented Method of lessening the consumption of Steam and Fuel in Fire Engines“ erteilt wurde, war dies keineswegs die Geburt der Wärmekraftmaschine und eine grundlegend neue Erfindung. Bereits 1712, also nahezu fünfzig Jahre zuvor, installierte Thomas Newcomen die erste Dampfmaschine in einem englischen Kohlebergwerk. Der zunehmende Bedarf an Kohle und das damit verbundene Vordringen in immer größere Tiefen erhöhten stetig den Aufwand für die Wasserhaltung der Bergwerke Europas. Der Antrieb der Pumpen musste rund um die Uhr mit Pferden sichergestellt werden. Der Aufwand für Futter und Pflege entwickelte sich zur logistischen Herausforderung. In dieser Zeit revolutionierte Newcomens Dampfmaschine die Wasserhaltung der englischen Bergwerke.

James Watt gelang es durch einen separaten Kondensator und einen doppelwirkenden Dampfzylinder immerhin, den Wirkungsgrad der Dampfmaschine signifikant zu erhöhen: von unter 1 % auf etwa 3 %. Es handelte sich also um eine Weiterentwicklung einer grundsätzlich bereits bekannten Technologie und keine Neuerfindung; um eine „inkrementelle“ und keine „disruptive“ Innovation. Radikal neu – und deshalb „disruptiv“ – war allerdings das von James Watt erstmals in der Energietechnik angewendete Businesskonzept.

Über viele Jahre versuchte James Watt, seine Dampfmaschine Bergwerksbetreibern und Industriellen zu verkaufen. Sicher gelang es ihm dabei ausreichend, den Zielkunden das Alleinstellungsmerkmal – den USP oder Unique Selling Proposition – zu erklären. Sicher entsprachen seine Marktanalyse und seine Marketingkonzepte allen Erfordernissen der damaligen Zeit. Schließlich gelang es ihm ja durchaus, mit seinem Businessplan Investoren und Geldgeber für seine Technologie zu begeistern. Dennoch blieb der Verkaufserfolg aus. Zu konservativ und ängstlich waren die Zielkunden – Bergwerksbetreiber, Unternehmer und Eigentümer textil- und metallverarbeitender Betriebe. Hohe Investitionen, verbunden mit den technischen und wirtschaftlichen Risiken, die eine neue Technologie mit sich bringt, hielten diese Unternehmer davon ab, sich gleichsam als Beta-Tester oder Pilotkunden – als „First Mover“ – für die Investition in diese Technologien zu entscheiden.

Die unternehmerischen Prioritäten galten dem Kerngeschäft. Versorgungssicherheit und kalkulierbare Kosten der Energieversorgung hatten Priorität gegenüber der Möglichkeit geringer Einsparungen bei gleichzeitig hohem Risiko, personellem und eigenkapitalintensivem Aufwand.

Die vielen Schadensfälle und Unfälle mit den Dampfkesseln der damaligen Zeit gaben diesen Unternehmern recht. Die Investition in eine junge, nicht ausgereifte Technologie zahlt sich für den Kunden nicht aus. Die Entwicklung einer solchen Technologie hin zur Marktreife ist kein strategisches Ziel eines Unternehmens, genießt nicht die unternehmerische Priorität, die ein Voranpreschen eines Unternehmers rechtfertigt, solange konkurrierende Unternehmen beobachtend abwarten und im Erfolgsfall die Früchte des nicht eingegangenen Risikos miternten würden.

Die Enttäuschung über das Desinteresse potenzieller Kunden an seiner Technologie veranlassten James Watt zu der Erfindung, die schließlich tatsächlich die Energiewirtschaft revolutionierte – sein revolutionär neues Businesskonzept, das „Contracting“. „Wir werden Ihnen kostenlos eine Dampfmaschine überlassen. Wir werden diese installieren und für fünf Jahre den Kundendienst übernehmen. Wir garantieren Ihnen, dass die Kohle für die Maschine weniger kostet, als Sie gegenwärtig an Futter für die Pferde aufwenden müssen, die die gleiche Arbeit leisten. Und alles, was wir von Ihnen verlangen, ist, dass Sie uns ein Drittel des Geldes geben, das Sie sparen“¹, berichtete er seinen Kunden.

James Watt übernahm gemeinsam mit seinem Investor und Partner Matthew Boulton Risiko, Investition und Betrieb – die Kunden blieben von den technischen und betrieblichen Kinderkrankheiten, die eine Technologie in den Kinderschuhen mit sich bringen muss und wird, unbehelligt und bekamen lediglich das eigentliche, von ihnen benötigte Produkt – mechanische Arbeit. Heute wissen wir, warum dieses Businesskonzept funktionieren musste:

Die Erfindung eines Businesskonzepts

James Watts Produkt war nicht eine stinkende, laute Maschine, die keiner so recht verstand, sondern ein „Rundum-sorglos-Dienstleistungspaket“, das noch heute den Bedürfnissen der Zielgruppe burn-out-gefährdeter Unternehmer ideal entspricht. Der finanzielle Kundennutzen war klar definiert. Der entscheidende, ideelle Kundennutzen durch das Outsourcing der Energieversorgung bestand darin, dass die Zielkunden sich auf ihr eigentliches Kerngeschäft konzentrieren konnten. Watts Businesskonzept erlaubte den Kunden, wertvolle Unternehmensressourcen auf die Geschäftsbereiche zu konzentrieren, in denen die Wertschöpfung durch Nutzung eigener Kernkompetenzen maximiert werden konnte. Alleinstellungsmerkmale des Produkts „Rundum-sorglos-Dienstleistungspaket“ waren ein garantierter Produktionskostenvorteil gegenüber konkurrierenden Unternehmen bei gleichzeitig schlankeren Produktionsstrukturen.

Noch heute ist das Businesskonzept „Contracting“ in der Energiewirtschaft immer dann das Mittel der Wahl, wenn neue Technologien eingeführt werden müssen – oder wenn potenziellen Kunden notwendiges Eigenkapital, Know-how für Planung und Betrieb sowie personelle Ressourcen für die Umsetzung fehlen. Auf den Einzelfall abgestimmte Contracting-Modelle ermöglichen heute den Verkauf großer Kraftwerke in Schwellenländer, den Bau von Windparks, Solarkraftwerken und Biogasanlagen und den Bau von Heizwerken und Geothermieanlagen.

James Watt revolutionierte die Energiewirtschaft also nicht mit der Weiterentwicklung der Dampfmaschine. Er revolutionierte die Energiewirtschaft vielmehr mit einem hochinnovativen Businesskonzept. Die Geschichte erfolgreicher Energietechnologien ist also auch die Geschichte erfolgreicher Businesskonzepte – in einem für Innovationen außergewöhnlich schwierigen Markt.

Bedürfnis und Bedarf

Neben Technologie und Businesskonzept war in der Energietechnik immer noch eine dritte Komponente für jede Innovation unerlässlich: der Bedarf und die Notwendigkeit. Dies ist nicht bei allen Technologien so. Der Erfolg der allermeisten Innovationen unserer modernen Konsumgesellschaft basiert nicht auf einem Bedarf, sondern auf Bedürfnissen. Ein echter Bedarf für Smartphones und iPads entsteht erst durch emotionale Bedürfnisse – nicht durch objektiv offensichtliche Notwendigkeiten. Aus dem Bedürfnis wird Bedarf erst durch Gewohnheit und veränderten Lebensstil.

Anders in der Energietechnik. Nicht Lifestyle und gesellschaftliche Trends bestimmen den Erfolg einer Technologie, sondern die nüchterne Betrachtung von Nutzen und Risiko. Das mit Neuentwicklungen verbundene Entwicklungsrisiko ist, nüchtern betrachtet, nur tragbar bei besonders hohem Nutzen – dann, wenn die Entwicklung unvermeidbar notwendig ist.

„I sell here, Sir, what all the world desires to have – power!“² – „Ich verkaufe, Sir, was die ganze Welt sich wünscht …“, wird Matthew Boulton, Geschäftspartner, Freund und Weggefährte James Watts, zitiert. Der Satz hätte freilich auch von Apple-Gründer Steve Jobs stammen können. Wie wir heute wissen, gelang Steve Jobs das Verkaufen noch deutlich besser als Matthew Boulton. Wenn es später Gründe zu finden gilt, warum Innovationen in der Energietechnik so schleppend, so mühsam und meist gar nicht vorankommen, lohnt es sich, die beiden fundamental unterschiedlichen Märkte der Energiewirtschaft und der Consumergesellschaft zu analysieren.

Gespeicherte Energie

Gegen Ende des neunzehnten und zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts, als der Bedarf nach Wärme und Arbeit in den Industrienationen schon weitgehend gedeckt werden konnte, entwickelte sich der Bedarf für eine weitere Energieform.

Nicht die Wandlung von Brennstoffen in mechanische Arbeit und Wärme stand dabei im Vordergrund, sondern die Veredelung von Energieträgern in einen höherwertigen Brennstoff: die Wandlung der Kohle in gasförmige und flüssige Energieträger und damit in chemisch gespeicherte, leicht und effizient jederzeit abrufbare Energie. Die Notwendigkeit, die diese Entwicklung auslöste, war zunächst einfach der Bedarf an Nahrung.

Ja, richtig. Auch unsere Nahrung ist Energie, gespeicherte Energie. Und das gilt nicht nur für irgendwelche Steroide und Anabolika, sondern auch für unser täglich Brot. Auch wenn sich in der lebensmittelkonsumierenden Gesellschaft die Umstellung der alten Energieeinheit „Kalorien“ auf die eigentlich zweckmäßigere SI-Einheit „Kilojoule“ noch nicht vollständig durchgesetzt hat. Die Energieträger der Nahrungskette konkurrieren seit jeher mit den Energieträgern der Energiewirtschaft. Wälder mussten Feldern weichen, und selbst bei den Feldfrüchten stand schon immer der Anbau von Weizen im Wettbewerb mit Hafer als Energiepflanze, die als Pferdefutter Mobilität und mechanische Arbeit lieferte. Die heute so emotional geführte „Teller oder Tank“-Diskussion hat ihren Ursprung also in der jahrhundertealten Tradition, den Primärenergieträger für die Nutzenergien Mobilität und Arbeit durch den Anbau von Energiepflanzen bereitzustellen. Biofuels oder biogene Treibstoffe standen also schon immer in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion.

In der Zeit, als die Landwirtschaft immer größere Probleme hatte, mit Bevölkerungsexplosion und zunehmendem Bedarf an Lebensmitteln Schritt zu halten, lag die Lösung in der Umwandlung von Kohle in einen höherwertigen Energieträger – in Wasserstoff und Ammoniak. Für das Haber-Bosch-Verfahren wurde durch die thermische Vergasung von Kohle mit Wasserdampf zunächst Wasserstoff gewonnen. Aus Wasserstoff und Stickstoff wird schließlich unter hohem Energieeinsatz Ammoniak synthetisiert, das als Ammoniumnitrat den Hauptbestandteil im Stickstoffdünger und die Grundlage für die moderne Landwirtschaft bildet.

Hätte der spätere Nobelpreisträger Fritz Haber es bei dieser Erfindung belassen – er hätte für immer einen großen und makellosen Eintrag in den Geschichtsbüchern behalten. Aber auch er widmete sich in der Folge „kriegswichtigen“ Technologien, genauer: der Entwicklung von Kampfgasen. Trotz des Widerstands seiner Ehefrau, der ersten in Deutschland promovierten Chemikerin Clara Immerwahr, übernahm er am Kaiser-Wilhelm-Institut – der heutigen Max-Planck-Gesellschaft – die Leitung der dortigen Kampfgasentwicklung. Als Fritz Haber den Tod von 1500 französischen Soldaten infolge des ersten Giftgas-Einsatzes des ersten Weltkriegs feierte, nahm sich seine Frau mit seiner Dienstwaffe das Leben.

Die Produktion von Ammoniak und Stickstoffdünger erforderte im ersten Prozessschritt die Umwandlung von Kohlenstoff in ein sogenanntes Synthesegas, einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid durch thermische Vergasung – beispielsweise bei der Vergasung von Kohle mit Wasserdampf und Sauerstoff bei Temperaturen um 1000 °C.

Synthesegas erwies sich in der Folge als Multitalent. Es konnte in unterschiedlichsten Zusammensetzungen als Stadtgas, Kohlegas oder Wassergas unmittelbar als Energieträger in Gasnetze eingespeist oder als Prozessgas verbrannt werden. Bis heute liefert das Synthesegas – wie der Name sagt – die Grundbausteine Wasserstoff und Kohlenmonoxid für alle Synthesen der Kohlenstoffchemie. Anders als die Erfindung der Dampfmaschine oder der Gasturbine vollzog sich die Erfindung des Synthesegases in den Labors einfacher Forschungsinstitute zunächst unbemerkt von Öffentlichkeit und Industrie. Erfinderisch ist nicht so sehr die Herstellung des Gases – Kohlegas wurde bereits im 18. Jahrhundert erzeugt, um als „Leuchtgas“ in Straßenlaternen nachts die Straßen Londons zu erhellen. Erfinderisch war der Gedanke, Brennstoffe in ihre kleinsten molekularen Bestandteile – in Wasserstoff und Kohlenmonoxid – zu zerlegen, um aus diesen Bausteinen neue Energieträger mit vorteilhaften Eigenschaften aufzubauen – zu synthetisieren.

Die Idee begründete einen völlig neuen Industriezweig, der heute eine der wesentlichen Säulen unserer Gesellschaft bildet: die Chemieindustrie. Wesentliche Anteile fossiler Energieträger fließen heute in die chemische Industrie. Synthesegas ist nicht nur der Grundstoff für Ammoniak und die Stickstoffdünger der Landwirtschaft, auch Kunststoffe, Chemikalien und Textilien werden aus den Bausteinen des Synthesegases synthetisiert.

Auch für den Mobilitätssektor sollte die Idee der Synthese aus Synthesegas eine der maßgeblichen (und kriegswichtigen) Innovationen werden. In Raffinerien werden aus Synthesegas große Mengen Wasserstoff gewonnen, die für die Herstellung von Benzin, Kerosin und Diesel aus Rohöl eingesetzt werden. Auch synthetisches Benzin wird heute in nennenswerten Mengen aus Synthesegas synthetisiert. Die Fischer-Tropsch-Synthese für die Erzeugung von Benzin oder Diesel aus Erdgas, Kohle oder Biomasse gilt als eine der besonders wichtigen Zukunftstechnologien. Nicht nur für den Mobilitätssektor, auch für die Energiewirtschaft.

Sichtbar wurde die Bedeutung des Synthesegases und synthetischer Energieträger bisher allerdings weniger in der Zeit des Überflusses und des Wohlstandes als vielmehr in Zeiten von Versorgungsengpässen und Notlagen. Im Zweiten Weltkrieg wurde synthetisches Benzin schnell kriegswichtig. Schließlich verlor die Wehrmacht mit fortschreitendem Kriegsverlauf immer mehr den Zugang zu den Erdölfeldern Europas. Mangel an eigenem Rohöl führte im Dritten Reich zur Entwicklung von riesigen Anlagen, in denen synthetisches Benzin aus Kohle nach dem Bergius-Verfahren und dem Fischer-Tropsch-Verfahren hergestellt wurde. Beide Verfahren nutzen Wasserstoff und Synthesegas aus der thermischen Vergasung von Kohle.

In Zeiten der Apartheid und der damit verbundenen Handelsembargos bildete die Fischer-Tropsch-Synthese auch die Basis für die Versorgung Südafrikas mit Treibstoffen und Benzin. Das war aus entwicklungstechnischer Sicht auch gut so. Das deutsche Know-how zur Erzeugung synthetischer Treibstoffe ging nach Ende des Krieges weitgehend verloren, wurde jedoch in Südafrika weiterhin bewahrt.

Die Königsdisziplin der Energiewirtschaft

Die Meilensteine der Energietechnik schenkten der Menschheit also die drei Energieformen Wärme, Arbeit und chemisch gespeicherte Energie. Die Erfüllung der Grundbedürfnisse des modernen Menschen und der modernen Industriegesellschaft, die Bedürfnisse nach Wohlbefinden, Komfort, Nahrung und Mobilität, sind untrennbar mit diesen drei Energieformen verbunden. Drei Energieformen, die kontinuierlich ineinander überführt werden. Aus chemisch gespeicherter Energie wird Wärme, aus Wärme wird Arbeit, aus Arbeit wird wieder Wärme, aus Wärme wieder gespeicherte Energie. Doch die wertvollste und vielseitigste unserer Energieformen fehlt natürlich noch – die Elektrizität.

Arbeit ist nicht einfach transportierbar. Etwas besser gelingt es, Wärme oder chemisch gespeicherte Energie zu transportieren. Dafür gibt es heute Fernwärmenetze und Gas- oder Ölpipelines. Am einfachsten und flexibelsten gelingt der Energietransport allerdings, wenn aus mechanischer Arbeit Strom erzeugt wird. In jedem Kraftwerk treibt eine Turbine einen Generator, der diesen Strom in die Stromnetze einspeist. Strom wird heute über große Distanzen in beliebige Richtungen und mit nahezu beliebigen Leistungen transportiert. Beim Empfänger können daraus in Motoren wieder mechanische Arbeit, Wärme oder auch ganz andere Energieformen wie Kälte, Licht, Schall oder Rechenleistung erzeugt werden. Und das überaus komfortabel, zuverlässig und vor allem billig.

Der Bedarf an der neuen Energieform Elektrizität entstand in der Mitte des 19. Jahrhunderts, als es für alle namhaften Physiker dieser Zeit angesagt war, sich mit vielen neu entdeckten elektrischen Phänomenen zu beschäftigen. Bis Werner von Siemens 1866 das dynamoelektrische Prinzip entdeckte, wurde Strom als Gleichstrom noch fast ausschließlich mit Batterien erzeugt. Mit den ersten Generatoren wurden erstmals auch ordentliche Spannungen und Stromstärken möglich.

Das Bedürfnis, das den ersten Strombedarf auslöste, war das Bedürfnis nach Licht; genauer gesagt: nach ganz wenig und vor allem farbigem Licht. Der erste Bedürftige war niemand anderer als Bayerns Märchenkönig Ludwig der Zweite. Als großer Fan Richard Wagners und dessen Oper „Tannhäuser“ kam der irgendwann auf die Idee, bei sich zu Hause im Keller eine „Venusgrotte“ einrichten zu lassen. So entstand im Schloss Herrenchiemsee eine künstliche Tropfsteinhöhle mit unterirdischen Seen und Flusslandschaften – und eben auch das erste Kraftwerk weltweit. Eine Dampfmaschine trieb 24 Siemens’sche Dynamomaschinen an und ließ die Venusgrotte in künstlich blauem Licht erstrahlen. Noch vor Thomas Edisons Erfindung der Glühbirne leuchteten elektrische „Lichtbögen“ hinter farbigen Gläsern. Die Stromerzeugung wurde damit zur echten Königsdisziplin der Energiewirtschaft.

Beleuchtung blieb noch lange die Hauptmotivation für die Weiterentwicklung der Kraftwerkstechnik, beispielsweise für die Beleuchtung der Pariser Weltausstellung im Jahr 1878. Die elektrische Beleuchtung sollte nach und nach die Gaslampen der Metropolen weltweit ersetzen. Auch die erste Gleichstrom-Fernübertragung von Strom einer kleinen Dampfmaschine über fast 60 Kilometer von Miesbach nach München im Jahr 1882 diente dazu, eine Ausstellung im Münchner Glaspalast am Alten Botanischen Garten zu beleuchten. Ein Initiator der Münchener Elektricitäts-Ausstellung war der junge Oskar von Miller.

Die ersten Kraftwerke für die öffentliche Stromerzeugung waren vor allem Wasserkraftwerke, etwa das 1890 als erstes Wechselstromkraftwerk Deutschlands in Betrieb genommene Elektricitäts-Werk Reichenhall. Als kurz darauf, im Jahr 1891, ein Wasserkraftwerk in Lauffen am Neckar dreiphasigen Wechselstrom mit einer Leistung bis 180 Kilowatt über 176 Kilometer bis nach Frankfurt am Main transportierte, war dies weltweit der Durchbruch für die Wechselstromtechnologie und der Beginn eines neuen Zeitalters.

Initiator des Projektes war wieder der damalige Leiter der Internationalen elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt, Oskar von Miller. Seine Vision flächendeckender Stromversorgungsnetze wurde schließlich mit der Inbetriebnahme des Walchensee-Kraftwerks 1924 und der Gründung der Bayernwerke Realität.

Strom ist zweifelsohne unsere edelste und wertvollste Energieform. Bierliebhaber und Liebhaber feiner Speisen mögen an dieser Stelle anderer Meinung sein. Aber selbst die Kühlung des Bieres und die Bereitung feiner Speisen wären ohne Strom heute kaum noch denkbar. Die Stromerzeugung ist schon lange nicht mehr nur in Monarchien die Königsdisziplin der Energiewirtschaft. Strom in Kraftwerken zu erzeugen und in großen Stromnetzen auf unterschiedlichen Spannungsebenen zu verteilen, sind bis heute die wichtigsten Aufgaben der Energiewirtschaft.

Vergessene Revolutionen

Doch zunächst zurück ins 18. Jahrhundert. Die weiteren Meilensteine der Energietechnik blieben im Gegensatz zur Revolution durch Watts Dampfmaschinen in der öffentlichen Wahrnehmung weitgehend unbeachtet. Sie betrafen im Wesentlichen die Weiterentwicklung und Verbesserung der Dampferzeugung für die Dampfmaschine.

Schon bald gingen Ingenieure dazu über, Dampf mit höherem Druck einzusetzen. Was James Watt aus Sicherheitsgründen noch entsetzt von sich gewiesen hatte, ließ sich aufgrund der thermodynamischen und demzufolge wirtschaftlichen Vorteile nicht länger aufhalten. Dampferzeuger wurden mit immer höherem Druck betrieben. Dieser führte in der Folge aufgrund der hohen Materialbelastung und immer größerer Leistungen zu katastrophalen Unfällen und im Jahr 1866 zur Gründung des deutschen Technischen Überwachungsvereins – des TÜVs. Dampfkessel wurden fortan überwacht, und die Ingenieure lernten immer mehr über die Ursachen des technischen Versagens heißer Druckbehälter und wie dies zu vermeiden sei.

Heute selbstverständliche Zusammenhänge, etwa die zunehmende Materialbelastung der Stahlwände bei zunehmenden Durchmessern der Dampfkessel, mussten erst verstanden werden, um bei der konstruktiven Gestaltung berücksichtigt werden zu können. Nahezu unbemerkt etablierte sich eine geniale und noch dazu überaus einfache Lösung des Problems: der Wasserrohrkessel. Rauchrohrkessel, bei denen heißes Rauchgas in Rohren durch große Druckbehälter geführt wurde und dabei Wasser verdampfte, wurden durch Wasserrohrkessel verdrängt. In Wasserrohrkesseln wurde Wasser in dünnen Rohren verdampft, die von außen von heißem Rauchgas beheizt wurden.

Alles klar? War das möglicherweise etwas zu abstrakt formuliert? Lassen Sie mich noch einmal die revolutionäre Erfindung des Wasserrohrkessels erklären:

Eine Erfindung ohne Businesskonzept

Früher war jeder Dampferzeuger ein großer Topf oder Kessel. Ähnlich einem Teekessel wurde er von unten beheizt, und das Wasser erwärmte sich und begann bei Temperaturen um 100 °C zu sieden. Später leitete man zusätzlich das heiße Rauchgas einer Feuerung in Rohren durch den Kessel, um eine größere Kontaktfläche zwischen Wasser und heißem Rauchgas für die Übertragung der Wärme bereitzustellen. Das war die Erfindung des „Rauchrohrkessels“.

Schon bald erkannten die Ingenieure aber, dass Dampf bei Weitem mehr Power hat, wenn man den Kessel zunächst zuhält und mit einem Dampfventil nur wenig Dampf entströmen lässt. Dann baut sich im Inneren des Kessels ein Druck auf, der beim Ausströmen in die Dampfmaschine oder später in die Dampfturbine viel mehr Arbeit leistet als Dampf ohne Druck.

Die Dampfkessel wurden immer größer, der geforderte Dampfdruck immer höher. Ergebnis war, dass die Kessel reihenweise barsten, weil die Dampfkesselwände der Belastung nicht mehr standhielten – bis jemand auf die Idee kam, das Wasser bei hohem Druck nicht außerhalb der Rohre zu verdampfen, sondern innerhalb.

Hoher Druck ist in dünnen Rohren einfacher zu beherrschen, als in großen Behältern. Weil hoher Druck in einem dünnen Rohr immer nur auf eine kleine Innenfläche wirkt, sind die auf die Rohrwand wirkenden Kräfte klein. Wird der Rohrdurchmesser größer, wirkt der Druck im Inneren auf eine viel größere Fläche. Die Kräfte in der Rohrwand, die dem Innendruck entgegenwirken müssen, vervielfachen sich. Besonders in den großen, zylindrischen Dampfkesseln eines Rauchrohrkessels.

In den dünnen Rohren eines Wasserrohrkessels konnte der Dampfdruck dagegen fast beliebig gesteigert werden, ohne dass die Kräfte in der Rohrwand zu hoch geworden wären.

Sie stimmen mir sicher zu: eine vielleicht einfache, aber doch geniale Erfindung! Nur dass bis heute keiner den Erfinder kennt oder genau weiß, welchem genialen Ingenieur (vielleicht war es auch eine Ingenieurin?) die Idee dazu kam. Wahrscheinlich hatte er (oder sie) einfach vergessen, einen Businessplan zu schreiben, Investoren zu finden und eine Marketingstrategie auszuarbeiten. Jedenfalls war die Entwicklung des Wasserrohrkessels einer der ganz entscheidenden Meilensteine der Energiewirtschaft.

Der mit dem Wasserrohrkessel erreichbare Dampfdruck stieg in der Folge kontinuierlich. Als schließlich in den 60er- und 70er-Jahren des letzten Jahrhunderts durch die Einführung der bereits 1926 patentierten Benson-Technologie für sehr große Kraftwerksanlagen die letzten großen Druckbehälter eines Dampfkessels – die Trommeln von Naturumlauf-Dampferzeugern – entfielen, waren sogenannte „überkritische Dampfkraftwerke“ mit Dampfdrücken bis 300 bar möglich und markierten den neuen Stand der Technik.

Dampfkraftwerke für die Grundlast

Ähnlich geräuschlos wie die Umstellung von Rauchrohr-Dampferzeugern auf Wasserrohr-Dampferzeuger ging die Umstellung von Dampf-Kolbenmaschinen auf Dampfturbinen vor sich. Die Idee der Turbine geht, wie beschrieben, auf Heron von Alexandria zurück. Technisch angewandt wurde die Turbine allerdings erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts. Carl Gustav Patrik de Laval nutzte erstmals die nach ihm benannte Laval-Düse, um die thermische Energie von heißem Dampf in kinetische Energie und schließlich Antriebsenergie zu wandeln. Lavals einfache Anordnung mit Düsen und Turbinenrad wurde bald von den noch heute üblichen mehrstufigen Turbinen mit Leit- und Laufschaufelanordnungen ersetzt.

Mit zunehmenden Dampferzeugerleistungen und steigendem Dampfdruck stiegen stetig auch die Wirkungsgrade der Dampfkraftwerke. Das Grundkonzept des Dampfkraftwerks blieb allerdings bis heute unverändert:

Das Dampfkraftwerk

Beim Dampfkraftwerk wird in einem Dampferzeuger Hochdruckdampf erzeugt. Diese Dampferzeuger sind teils riesige Bauwerke und sind bis 180 m hoch. In großen Kohlekraftwerken wird mit der Wärme eines riesigen Feuerraums Wasser bei einem Druck von über 200 bar verdampft und bis auf 600 °C erhitzt. Der Dampf strömt über eine mehrstufige Turbine.      

Die rotierende Turbine treibt einen riesigen Generator, der schließlich Strom mit einer Leistung von mehreren Hundert Megawatt erzeugt – genug für eine mittlere Großstadt. Am Ende der Turbine befindet sich ein Kondensator, in dem der Dampf bei Temperaturen um 30 °C kondensiert. Dabei entsteht ein erheblicher Unterdruck, der das Druckgefälle in der Turbine und den erzeugten Strom zusätzlich erhöht.

Bei der Kondensation des Dampfes entsteht sogenannte Kondensationswärme – allerdings bei geringen Temperaturen. Da das Temperaturniveau in der Regel so niedrig ist, dass die Wärme nicht weiter genutzt werden kann, wird die Abwärme über gigantische Kühltürme an die Umgebung abgeführt oder in Flüsse eingeleitet.

Ein großes, modernes Dampfkraftwerk erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 40–45 %.

Egal ob für die Dampferzeugung Kohle, Biomasse oder Kernenergie eingesetzt wurde und wird – moderne Dampfkraftwerke unterscheiden sich von den ersten Dampfkraftwerken des letzten Jahrhunderts fast nur durch die sogenannten „Frischdampfparameter“ – also Temperatur und Druck des der Turbine zugeführten Dampfes.

Heute stellen Dampfkraftwerke 70 % der installierten konventionellen Kraftwerksleistung in Deutschland. Sie produzierten vor der Energiewende noch 90 % der in Deutschland erzeugten Elektrizität. Das lag vor allem daran, dass Dampfkraftwerke meistens in Grund- und Mittellast eingesetzt wurden. Ein Jahr hat – wenn es kein Schaltjahr ist – 8760 Stunden. Kraftwerke, die mehr als 6000 oder 7000 Stunden in Betrieb sind, heißen Grundlastkraftwerke. Werden mehr als 2000 bis 3000 Stunden im Jahr erreicht, spricht man von Mittellastkraftwerken. Dampfbetriebene Kernkraftwerke und Braunkohlekraftwerke werden in der Grundlast eingesetzt, laufen also nahezu kontinuierlich und produzieren dabei viel mehr Kilowattstunden als beispielsweise Gaskraftwerke für die Spitzenlast.

Flexible Gasturbinen-Kraftwerke für die Spitzenlast

Die nach Dampfmaschine und Wasserrohrkessel dritte entscheidende Innovation für die konventionelle Elektrizitätserzeugung entstand wiederum nicht aus Fantasie und Pioniergeist der Ingenieure, sondern aus Bedarf und Notwendigkeit ihrer Zeit. Und diese Innovation resultierte wieder nicht aus dem Bedarf der Energiewirtschaft, sondern aus dem Bedarf der Kriegswirtschaft.

Als sich auf Anregung des begabten Jungingenieurs Wernher von Braun die Ernst Heinkel Flugzeugwerke AG in Warnmünde und die bayerische Messerschmidt AG zu Beginn des Zweiten Weltkriegs an die Entwicklung der Gasturbine als überlegenen Flugantrieb für den Luftkampf machten, verschwendete in Nazi-Deutschland niemand einen Gedanken daran, dass diese Gasturbine einst eine Schlüsselrolle für die zivile Stromerzeugung spielen könnte. Nicht heißer Dampf wird hier in einer Turbine entspannt, sondern das heiße Rauchgas einer bei hohem Druck stattfindenden Verbrennung von Kerosin, Öl oder Erdgas.

Nur fernab des politischen Weltgeschehens, in der neutralen Schweiz, faszinierten die Möglichkeiten der neuen Turbine einen aus der Slowakei stammenden Professor. Am schon damals renommierten Eidgenössischen Polytechnikum in Zürich, der heutigen Eidgenössischen Technischen Hochschule, der ETH Zürich, lehrte damals Professor Aurel Stodola. Studierende der Ingenieurwissenschaften kennen vielleicht das Stodola-Gesetz – soweit sie es nicht unter dem Namen „Dampfkegelgesetz“ verinnerlichen mussten. Möglicherweise haben sie es aber bis zum Ende ihres Studiums auch schon wieder vergessen.

Stodola gilt als der wissenschaftliche Vater der Turbomaschine, also der Turbine. Er beschäftigte sich jedoch nicht nur mit der Dampfturbine, sondern auch mit den technischen Möglichkeiten der Gasturbine und entwickelte gemeinsam mit der Schweizer Brown, Boveri & Cie. in Neuchâtel die weltweit erste stationäre Gasturbine zur Stromerzeugung. Sie war dort von 1939 bis 2002 über sechzig Jahre lang in Betrieb und ist noch heute zu besichtigen.

Dennoch spielte die Gasturbine lange Zeit keine nennenswerte Rolle für die Stromerzeugung. Erst als die Entwicklungen der Luftfahrtindustrie immer höhere Verbrennungstemperaturen und Verbrennungsdrücke und damit höhere Wirkungsgrade ermöglichten, rückte das Potenzial der Gasturbine wieder stärker in den Fokus der Energiewirtschaft.

Ein einfaches Gasturbinen-Kraftwerk

In einer Gasturbine wird die Luft für die Verbrennung zunächst auf hohe Drücke bis 30 bar verdichtet.

In einer Brennkammer wird dem Luftstrom beispielsweise Erdgas oder Kerosin zugegeben und verbrennt. Das entstehende Rauchgas erhitzt sich auf Temperaturen bis 1400 °C. Da das Rauchgas noch unter hohem Druck steht, kann das Druckgefälle in einer Turbine genutzt werden, in der das Rauchgas auf Umgebungsdruck entspannt wird.

Dabei kühlt sich das Rauchgas auf Temperaturen um 500 –600 °C ab. Die Arbeit, die dabei von der Turbine geleistet wird, wird zu etwa zwei Dritten verbraucht, um den Luftverdichter anzutreiben. Da die Expansion des heißen Rauchgases bei hohen Temperaturen aber mehr mechanische Arbeit freisetzt, als für die Verdichtung der Verbrennungsluft bei niedrigeren Temperaturen benötigt wird, kann ein großer Teil – ca. ein Drittel – der Expansionsarbeit genutzt werden, um einen Generator anzutreiben und Strom zu erzeugen. Einfache Gasturbinen-Kraftwerke erreichen elektrische Wirkungsgrade von etwa 30–40 %.

Heute bilden Gasturbinen-Kraftwerke neben den Dampfkraftwerken die zweite wichtige Säule der konventionellen Elektrizitätswirtschaft. Einfache Gasturbinen-Prozesse werden als kostengünstige und flexibel einsetzbare Arbeitsmaschinen für die Erzeugung von Spitzenstrom und als Reservekraftwerke oder als einfache Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen in Industriebetrieben eingesetzt.

Hocheffiziente Gaskraftwerke
für die Mittellast

So richtig erfolgreich wurde die Gasturbine allerdings erst im Team. Durch die Kombination der Gasturbine mit der Dampfturbine in sogenannten Gas-und-Dampf (GuD)-Kraftwerken entstanden hocheffiziente Gaskraftwerke, die mit elektrischen Wirkungsgraden von bis 60 % bis heute den Maßstab für die Stromerzeugung in thermischen Kraftwerken setzen.

Ein hocheffizientes Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk

Ein modernes Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk – das GuD-Kraftwerk – nutzt den Umstand, dass das Abgas einer Gasturbine bei Temperaturen von 500 bis 600 °C noch erhebliche, nutzbare Energiemengen enthält.

Wird die Wärme in einem Abhitzedampferzeuger auf einen Wasserdampf-Kreislauf übertragen, kann mit der Abwärme Hochdruckdampf erzeugt werden, der wiederum eine Dampfturbine antreibt. Indem die Abwärme der Gasturbine für die zusätzliche Stromerzeugung genutzt wird, wird der eingesetzte Brennstoff optimal genutzt. Ein hocheffizientes GuD-Kraftwerk erreicht elektrische Wirkungsgrade von etwa 60 %.

Noch heute basiert nahezu die gesamte konventionelle Stromerzeugung darauf, den Dampfkraftprozess als zuverlässiges Arbeitspferd und den Gasturbinenprozess als hocheffizientes oder flexibles Rennpferd zu nutzen.

Sowohl die Entwicklung moderner Dampfkraftwerke als auch die Entwicklung hocheffizienter Gaskraftwerke basierte im Wesentlichen auf der Entwicklung neuer Materialien. Immer höhere Verbrennungs- und Dampftemperaturen ermöglichten immer höhere Wirkungsgrade, führten aber auch zu immer größeren und komplexeren Kraftwerkseinheiten.

Der Bau konventioneller Kraftwerke ist heute immer ein Großprojekt, das dem Bau von Hauptstadt-Flughäfen nicht viel nachsteht. Es sind Megaprojekte, die nur von großen Firmen oder Firmenkonsortien gestemmt werden können. Für bahnbrechende Innovationen ist in solchen Konstellationen natürlich wenig Raum. Zu hoch sind schon für „inkrementelle“ Innovationen die finanziellen Risiken. Für Entrepreneure und technische Revolutionen bietet die konventionelle Kraftwerkstechnik heute leider denkbar schlechte Randbedingungen. Früher war einfach alles besser. Gehen wir deshalb noch mal zurück ins technisch revolutionäre neunzehnte Jahrhundert.

Bertha und der Verbrennungsmotor

Revolutionär war gegen Ende des 19. Jahrhunderts zweifelsohne die Erfindung des Verbrennungsmotors. Nicolaus August Otto gilt noch heute – nicht ganz zu Recht – als Erfinder des Viertaktmotors, des Ottomotors. Der Bilderbuch-Entrepreneur überzeugte zunächst Investoren, gründete mit dem Unternehmer Eugen Langen 1864 die spätere „Gasmotoren-Fabrik Deutz AG“, entwickelte, patentierte und lizenzierte. Auch Rudolf Diesel gelang es nur wenige Jahre später, das Prinzip des nach ihm benannten Dieselmotors zunächst zu patentieren und die Geschäftsleitung der Maschinenfabrik Augsburg – der heutigen MAN – davon zu überzeugen, in die Entwicklung seines Motorkonzeptes zu investieren.

Als Carl Benz in den 70er-Jahren des 19. Jahrhunderts die Idee des „pferdelosen Motorwagens“ bewegte, fand er seinen Investor im engsten Familienkreis. Die Mitgift seiner Ehefrau Cäcilie Bertha ermöglichte es ihm 1883, die Benz & Cie. Rheinische Gasmotorenfabrik Mannheim zu gründen, die später zur Daimler-Benz AG fusionierte. Bertha Benz war in alle technischen Entwicklungen eng eingebunden, diskutierte mit Carl technische Lösungen und ging als technisch versierte „erste Autofahrerin“ in die Geschichte ein. Wie groß ihr Beitrag zur Entwicklung des „Motorwagens“ und der Weiterentwicklung des Ottomotors tatsächlich war, wissen wir nicht. Aber wie schon die von James Watt 1775 bei Birmingham gegründeten Firma „Boulton & Watt“ demonstrierte das Start-up „Benz & Cie.“, wie wichtig ein enges und harmonisches Miteinander von Investoren und Erfindern für den nachhaltigen, wirtschaftlichen Erfolg einer Neugründung ist. Auch James Watt und sein Investor und Partner Matthew Boulton waren ja eng befreundet.

Der Erfolg des Verbrennungsmotors beruhte freilich nicht darauf, dass er eine tragende Rolle für die Energiewirtschaft spielte. Zumindest bis heute nicht. Aber das könnte sich ja noch ändern.

Das Credo der Energiewirtschaft

Mit der Zeit wurden die modernen Kraftwerke immer komplexer. Deutlich wird dies beispielsweise an den Dampfkraftwerken. Die Komplexität der umgesetzten Kraftwerksschaltungen, also die Anzahl und Anordnung der vielen einzelnen Wärmetauscher im Kraftwerk, nahm ständig zu. Zusätzliche Wärmetauscher – sogenannte „Speisewasservorwärmer“ oder „Luftvorwärmer“ – verbessern den Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerks. Komplexer wurden auch die Steuerung und Regelungstechnik. Durch die Automatisierungstechnik und komplizierte Leittechniksysteme unterscheidet sich die moderne Kraftwerkstechnik wohl am stärksten von den ersten Dampfkraftwerken. Zudem wurden ständig teurere und wertvollere Materialien eingesetzt, mit denen höhere Prozesstemperaturen und Wirkungsgrade realisiert wurden.

Vor allem aber wurden Kraftwerke immer größer. Warum sollte Sie das nun wieder interessieren? Das ist in der Tat wichtig, denn wir kommen an der Stelle zum absoluten Lieblingscredo der Energiewirtschaft und der Kraftwerkstechnik:

Die Economy of Scale

Jeder zuständige Wärmetauscher, jede Erhöhung der Komplexität eines Kraftwerks führt zu hohen zusätzlichen Investitionskosten. Diese Investitionskosten sind nur für sehr große Kraftwerke finanzierbar.

So sind die Anforderungen an die Leittechnik des Kraftwerks, also an die Steuerung, für ein kleines Biomassekraftwerk mit 5 MW ähnlich hoch wie für ein 500-MW-Kohlekraftwerk.

Ein 500-MW-Kohlekraftwerk kostet ca. eine Mrd. €. Ein 5-MW-Biomassekraftwerk kostet etwa 20 Mio. €. Um genauso viel Leistung bereitzustellen wie mit dem 500-MW-Kohlekraftwerk, braucht man also hundert 5-MW-Biomassekraftwerke. Die kosten dann etwa 2 Mrd. €, doppelt so viel wie das eine Kohlekraftwerk. Kleine Kraftwerke sind also viel teurer als große Kraftwerke.

Da ein kleines Biomassekraftwerk bei gleicher Laufzeit zudem viel weniger Strom erzeugen kann als ein großes Kohlekraftwerk, wird es bei gleicher Laufzeit viel weniger Geld verdienen. Die Komplexität eines kleinen Kraftwerks – die Anzahl der Wärmetauscher und der Automatisierungstechnik – muss also viel geringer bleiben als in großen Kraftwerken. Dadurch ist der Wirkungsgrad viel schlechter. Ein Kohlekraftwerk erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von über 40 %, ein Biomassekraftwerk nur einen von ca. 20 %.

Ein Großkraftwerk ist also immer billiger und effizienter – und damit weitaus ökonomischer als jedes Kleinkraftwerk. Die Größe (= Scale) bestimmt also die Ökonomie eines Kraftwerks – die „Economy of Scale“.

Die Economy of Scale ist tatsächlich das wichtigste Credo unserer etablierten Energiewirtschaft. Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit wird über die Größe einer Anlage definiert. Dieses Credo gilt übrigens für den gesamten Anlagenbau – die Chemieindustrie, die Baustoffindustrie und sogar die lebensmittelverarbeitende Industrie setzten in der Vergangenheit stets auf große, zentrale Anlagen. Kein Wunder, dass nahezu alle Ingenieure und Ingenieurinnen der Energiewirtschaft unverrückbar von der Bedeutung der Economy of Scale für die Energiewirtschaft überzeugt sind. Hätten die als Student in der Grundvorlesung der Betriebswirtschaftslehre besser aufgepasst, würden sie sich allerdings vielleicht noch daran erinnern, dass die eigentliche Bedeutung des Schlagworts Economy of Scale eine andere war. Urheber dieses Prinzips ist einer der großen Unternehmer des letzten Jahrhunderts: Henry Ford. Ford war mit der von ihm definierten Economy of Scale nicht so erfolgreich, weil er in Serienfertigung besonders große Autos gebaut hätte. Er baute erstmals besonders viele Autos. Mit dem Begriff Scale bezeichnet der Betriebswirt heute, anders als der Energietechniker, nicht die Baugröße eines Produktes, sondern die Anzahl der produzierten Einheiten.

Kleine Systeme können also auch wirtschaftlich werden: dann, wenn besonders viele davon verkauft werden. Das ist die Grundidee der heute oft noch so argwöhnisch betrachteten „dezentralen Energiesysteme“.

Wie fatal ist dezentral?

Natürlich gibt es in unserer Energiewirtschaft nicht nur Großkraftwerke. Schon seit vielen Jahren werden auch kleine, dezentrale Stromerzeugungskraftwerke gebaut: Blockheizkraftwerke, die typischerweise größere Wohnblocks mit Strom und Wärme versorgen. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) nennen wir das.

Die Wärmeversorgung ist ohnehin schon immer dezentral. Wärme wird meistens in ganz kleinen Heizungsanlagen im Heizungskeller – oder für größere Gebäude mit etwas größeren Heizungsanlagen in Heizzentralen – erzeugt. Eine zentral organisierte Wärmeversorgung bleibt bis heute eher die Ausnahme. Effizient ist eine zentralisierte Wärmeerzeugung nur in Großstädten, Ballungszentren oder großen Industriekomplexen. Ansonsten sind die Wärmeverluste zu hoch. Die Wärme wird mit langen Rohrleitungssystemen zu den Einzelverbrauchern geleitet. Auf die Idee dazu kam man bereits Ende des 19. Jahrhunderts in New York. Seit 1882 transportieren dort Dampfleitungen Heizdampf von zentralen Dampfkesselanlagen in die großen Wolkenkratzer. Sie kennen alle die düsteren Dampfschwaden, die überall aus den finsteren Straßen New Yorks traten, als Highlander im Kino antrat, die Welt zu retten. Das Dampfnetz ist mittlerweile marode, und ständig brechen die uralten Rohre. Dies freut die Heiznetzbetreiber, weil sie dann wieder wissen, an welcher Stelle die Rohre verlaufen. Die alten Amerikaner kamen im 19. Jahrhundert ihren Dokumentationspflichten nämlich nur unzureichend nach, und heute weiß niemand mehr, wo genau die Dampfleitungen liegen.

Auch in vielen europäischen Großstädten gibt es große Fernwärmenetze. Das sind auch oft noch Dampfnetze. Die Älteren unter uns kennen vielleicht noch die im Winter extrem heißen Dampfheizkörper, die so schön knackten, wenn die kleinen Dampfblasen im Heizkörper kondensierten. Unsere Dampfnetze unterscheiden sich vom New Yorker Dampfnetz immerhin dadurch, dass es auch Rücklaufleitungen gibt, mit der der zu Wasser kondensierte Dampf zum Heizwerk zurückgeführt wird. Schließlich ist das aufbereitete Wasser teuer. Aus dem Grund werden Dampfnetze heute auch auf Warmwassernetze umgestellt. Denn die Wasserverluste sind in Warmwassernetzen geringer als in Dampfnetzen.

Der große Vorteil dieser Fernwärmenetze ist, dass der Dampf in den meisten Fällen aus der Kraft-Wärme-Kopplung stammt. Stadtwerke betreiben Kraftwerke, deren Abwärme nicht über einen Kühlturm an die Umgebung abgegeben wird, sondern in den städtischen Heizkörpern und von Warmduschern genutzt wird. Die heute so moderne „Sektorenkopplung“, also die Kopplung von Strom-, Wärme und Mobilitätssektor, ist also eigentlich ein recht alter Hut. Die auch von der Politik so favorisierte Kraft-Wärme-Kopplung ist nichts anderes. Auf der Website des Umweltbundesamtes ist über die Kraft-Wärme-Kopplung zu lesen „Der Einsatz der KWK mindert den Energieeinsatz und Kohlendioxid-Emissionen.“ Das ist allerdings so nicht richtig. Richtig müsste es heißen: „Der Einsatz der KWK mindert manchmal den Energieeinsatz und Kohlendioxid-Emissionen.“ Genauer klären wir das später.

Wie auch immer, die bundesdeutsche Gesetzgebung fördert die KWK mit einem KWK-Gesetz, die EEG-Vergütung für die Stromerzeugung in Biogasanlagen setzt heute eine Abwärmenutzung voraus, und ein Marktanreizprogram fördert die Errichtung ganz kleiner, dezentraler KWK-Anlagen – der Mikro-BHKWs.

Dezentrale Energiesysteme gibt es also tatsächlich schon in großer Zahl. Heizungsanlagen sind klein, werden dezentral eingesetzt und werden in großen Stückzahlen kostengünstig gefertigt.

Aggregate mit kleineren Leistungen, etwa Motoren-Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellen für die Stromerzeugung, spielen dagegen bisher eine ganz untergeordnete Rolle. Für die Brennstoffzelle liegt dies daran, dass die technische Reife bis heute nicht erreicht ist. Die notwendige technische Entwicklung hat bis heute nicht mit der erforderlichen Konsequenz stattgefunden, da eine Notwendigkeit für kleine dezentrale Stromerzeugungstechnologien bis heute nicht wirklich gegeben war – und das, obwohl das Prinzip der Brennstoffzelle nahezu ähnlich alt ist wie die Watt’sche Dampfmaschine. Bereits 1838 wiesen unabhängig voneinander der deutsch-schweizerische Physiker Christian Schönbein und der britische Erfinder William Groove das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle nach. Eine Vielzahl neuer Brennstoffzellenkonzepte und Prototypen wurde seither entwickelt. Dennoch spielt die Brennstoffzelle bis heute in der Energieversorgung keine Rolle.

Ähnlich erging es in der Energiewirtschaft dem Verbrennungsmotor. Obwohl die technische Reife von Otto- und Dieselmotoren allerhöchstes Niveau erreicht hatte, wurde die Technologie nur in wenigen Nischenanwendungen wie der Verbrennung von Deponie-, Gruben- oder Klärgas oder für Notstromaggregate eingesetzt. Erst mit Ende des letzten Jahrhunderts entstanden in größerer Zahl Blockheizkraftwerke für die KWK auf der Basis von Erdgas. Hinzu kamen einige Tausend Gasmotoren für Biogasanlagen. An die Bedeutung der Gas- oder Dampfturbinen reicht der Gasmotor aber trotz exzellenter elektrischer Wirkungsgrade bis heute nicht heran.

Gemeinsam ist allen kleinen Energiesystemen für die Stromerzeugung, dass sie jahrzehntelang trotz vielversprechender Ideen in der Energiewirtschaft keine nennenswerte Bedeutung erlangten. Während Strom in einzelnen Kraftwerken mit Leistungen von mehreren Hundert Megawatt – das sind mehrere Hunderttausend Kilowatt – erzeugt wurde, rangen Brennstoffzellensysteme mit der Leistung von nur ein oder drei Kilowatt einem echten Kraftwerker nur ein mitleidiges Lächeln ab. Der ein oder andere Ökonom erkannte zwar die mögliche Bedeutung kleiner, dezentraler Systeme – falls sich durch höhere Stückzahlen nennenswerte Kostenreduktionen realisieren würden. Aber ein Bedarf für kleine, dezentrale Erzeugungseinheiten war einfach nicht gegeben. Nicht einmal ein schwaches Bedürfnis, aus dem ein Bedarf hätte resultieren können.

Das Problem gründet tief. Die wenigen, dazu sündteuren Brennstoffzellenheizgeräte oder Mini-BHKWs, die einen überdurchschnittlich interessierten und motivierten Häuslebauer als Käufer fanden, standen im Heizungskeller. Nicht gut sichtbar vor der Garage wie das ähnlich teure und neueste Modell eines bayerischen oder schwäbischen Automobilbauers. Das Mini-BHKW blieb damit gänzlich unsichtbar für die Blicke möglicherweise neidischer Nachbarn. Denkbar schlechteste Voraussetzungen, um Bedürfnisse dieser möglicherweise neidischen Nachbarn zu wecken und nachhaltig einen Bedarf für dezentrale Energiesysteme zu generieren. Dies änderte sich grundlegend in nur wenigen Jahren mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz – dem EEG. Ein dezentrales Energiesystem war plötzlich landauf, landab weithin und für jedermann sichtbar. Die Photovoltaik-Anlage Ihres Nachbarn …

Ein bisschen von den theoretischen Grundlagen

Bevor wir diskutieren, welche Technologie denn für die Zukunft die richtige ist und warum sich eine Technologie durchsetzt oder auch nicht, lohnt es sich, ein paar prinzipielle physikalische Randbedingungen der Stromerzeugung kennenzulernen.

Der wichtigste Grundsatz für die Umwandlung unterschiedlicher Energieformen ineinander ist die Energieerhaltung. Innerhalb eines Bilanzkreises kann Energie nicht entstehen, sondern nur von der einen in die andere Energieform überführt werden. Thermodynamikern ist der Begriff „Energieerzeugung“ daher ein echtes Gräuel. Die Energieerhaltung gilt im Besonderen für den Bilanzkreis Erde. Dem glücklichen Umstand, dass diesem Bilanzkreis kontinuierlich Energie von außen, Energie von der Sonne, zugeführt wird, verdanken wir unsere Existenz.

Innerhalb des Bilanzkreises Erde lassen sich unterschiedliche Energieformen also ineinander überführen, ohne dass dabei Energie verloren ginge. Diesen Umstand bezeichnet die Wissenschaft der Energiewirtschaft – die Thermodynamik – grundlegend, unwiderruflich und allgemeingültig als den ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Wird Brennstoff im Verbrennungsmotor zunächst in Wärme und dann in Arbeit umgewandelt und diese Arbeit schließlich genutzt, um ein Fahrzeug anzutreiben, dann ist die Energie des Brennstoffes für den Bilanzkreis Erde anschließend nicht verloren. In Form von Abwärme ist die gesamte Energiemenge noch vorhanden – im Abgas und als Abwärme in der Atmosphäre, in der Wärme der Reifen, in der sogenannten kinetischen Energie, der Bewegungsenergie des fahrenden Fahrzeugs, aus der beim Bremsen wieder Wärme wird.

Allerdings wird an diesem Beispiel deutlich, dass sich die Qualität der Energie bei der Wandlung grundlegend geändert hat. Mit der Abwärme der Reifen kann kein Verbrennungsmotor betrieben werden. Die an die Atmosphäre abgegebene Abgaswärme kann nicht wieder getankt werden, um wieder beliebig in Wärme, Arbeit oder Bewegung umgewandelt zu werden. Diese Beobachtung – die Wahrnehmung der unterschiedlichen Qualität von Energie – führte im 19. Jahrhundert zur Begründung der Thermodynamik.

Dies geschah ausgerechnet beim Militär. Nicht, weil diese Beobachtung damals schon als kriegswichtig eingeschätzt worden wäre, sondern weil beim Militär jenseits kriegerischer Auseinandersetzung manchmal doch eher wenig los ist. Die Playstation war noch nicht erfunden, und so blieb dem militärischen Personal in Friedenszeiten offensichtlich genug Zeit, sich auch scheinbar kriegsunwichtigen Dingen zu widmen – den Dampfmaschinen zum Beispiel.

So beobachtete zu Beginn des 19. Jahrhunderts ein junger Franzose und Offizier – Nicolas Léonard Sadi Carnot –, dass Leistung und Brennstoffverbrauch der Watt’schen Dampfmaschinen stark davon abhingen, bei welchen Temperaturniveaus dem Prozess Wärme zugeführt wurde. Er beobachtete auch, dass sich Wärme nie vollständig in Arbeit umwandeln ließ. Wesentliches Prinzip der Dampfmaschine war eben, dass der Maschine nicht nur Wärme zugeführt werden musste, um Wasser zu verdampfen, sondern dass der Dampf auch wieder durch Kühlung kondensiert werden musste, um durch das so erzeugte Vakuum den Kolben in Bewegung zu setzen. Es musste der Maschine also nicht nur Wärme zugeführt werden, Wärme musste auch in hohem Maße abgeführt werden. Aus diesem Umstand leitete Carnot ab, dass Wärme nie vollständig, also zu hundert Prozent, in Arbeit umgewandelt werden kann. Wie viel der Wärme in Arbeit umgewandelt werden kann, hängt vom Temperaturgefälle zwischen Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr ab. Carnots Beobachtung war einfach: je größer das Gefälle – desto mehr bewegte sich die Maschine.

Je größer das Gefälle, desto mehr bewegt sich

Dieser Grundsatz gilt übrigens nicht nur in der Thermodynamik. Sollten Sie für den Nobelpreis für Wirtschaftswissenschaften kandidieren wollen, lohnt sich die Beschäftigung mit den Prinzipien der Thermodynamik. Die lassen sich recht oft auch auf Volkswirtschaften übertragen. Beispielsweise das Carnot’sche Prinzip: je größer das Gefälle – desto mehr Bewegung. Ein Beispiel: Das soziale Gefälle in der kapitalistischen Bundesrepublik Deutschland war stets größer als das soziale Gefälle in der sozialistischen Deutschen Demokratischen Republik. Deshalb hat sich im Westen wirtschaftlich immer auch mehr bewegt als im Osten. Die Triebkraft des volkswirtschaftlichen Motors ist also immer das soziale und wirtschaftliche Gefälle zwischen Arm und Reich, was bekanntermaßen vieles in Bewegung setzt. Besonders viel beispielsweise während der Französischen Revolution im Jahre 1789. In Frankreich im Zeitalter der Aufklärung war das soziale Gefälle besonders groß. Vielleicht stand doch auch die volkswirtschaftliche Analogie Pate für Carnots Überlegungen? Das ist nicht grundsätzlich abwegig. Schließlich war Carnots Vater als hochrangiger Offizier und Politiker maßgeblich an den Geschehnissen der Französischen Revolution beteiligt.

Jedenfalls fand Carnots einziger Aufsatz „Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance“ („Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten Maschinen“) große Beachtung und begründete die noch heute gültige Lehre von der Nutzung der Wärme – die Thermodynamik. Bemerkenswert an diesem Aufsatz ist vor allem, dass Carnot schon damals erkannte, dass seine Beobachtung, wonach die aus Wärme erzeugbare Leistung vom angebotenen Temperaturgefälle abhängt, nicht nur für die Dampfmaschine Gültigkeit hat, sondern allgemeingültig ist und somit für jede denkbare Wärmekraftmaschine gilt.

Carnot verstarb jung, 1832, im Alter von nur 36 Jahren. Gerade einmal zehn Jahre alt war zu diesem Zeitpunkt der Sohn eines Pfarrers in Schlesien. Rudolf Clausius sollte später einen scheinbaren Widerspruch in Carnots Lehre zum von Julius Mayer und James Joule formulierten 1. Hauptsatz – dem Energieerhaltungssatz – aufklären. Der Energieerhaltungssatz würde zunächst erlauben, dass nicht nur Arbeit vollständig in Wärme, sondern auch Wärme vollständig in Arbeit gewandelt werden kann. Dies wurde ja von Carnot ausgeschlossen. Bei der Erzeugung von Arbeit muss immer auch Abwärme abgeführt werden, Wärme kann also nie vollständig in Arbeit umgewandelt werden.

Clausius beschrieb später, dass sich die Güte oder die Qualität einer Energie mit jeder Energiewandlung reduziere. Mit dem Begriff „Entropie“ bezeichnet Clausius den Qualitätsverlust einer vorangegangene „Wandlung“ der Energie (griech.: entrepein = umwandeln). Mit zunehmender Entropie verpufft die Qualität einer Energie gleichsam ins Bedeutungslose. Vermischt sich das heiße Rauchgas einer Verbrennung mit der Atmosphäre, ist die Energie nicht verloren, gleichsam ist allerdings ihre Qualität durch die Wandlung bei der Vermischung mit der Umgebungsluft so weit reduziert, dass eine weitere Nutzung oder Wandlung nicht mehr möglich ist.

Die Erkenntnis, wonach Energie eine unterschiedliche Qualität haben kann, ist für die Energietechnik fundamental, erklärt sie doch auch das Wesen des Dampfkraftprozesses, der so stark von Temperatur und Druckniveaus abhängt. Der Dampfkraftprozess wird deshalb heute nach Rudolf Clausius und seinem britischen Kollegen William John Macquorn Rankine als Clausius-Rankine-Prozess bezeichnet und ist der am weitesten verbreitete Prozess zur Erzeugung von Strom aus Wärme.

Um die unterschiedliche Qualität der Energie zu bewerten, führt die Thermodynamik eine neue Zustandsgröße ein, die sich unmittelbar aus der Entropie ableitet – die Exergie. Anschaulich wird diese Zustandsgröße durch die Bezeichnung „maximale Arbeit“ oder „maximale Arbeitsfähigkeit“ eines Energiestroms oder eines Systems. Die „maximale Arbeit“, die beispielsweise aus einem heißen Abgasstrom gewonnen werden kann, hängt einzig von der Temperatur des Abgasstromes – genauer: von der Differenz seiner Temperatur gegenüber der Temperatur der Umgebung – ab, also wie schon von Carnot beobachtet: vom treibenden Temperaturgefälle. Durch eine einfache Ableitung lässt sich nachweisen, dass der Anteil der Wärme, der sich maximal in Arbeit umwandeln lässt, vom Temperaturgefälle abhängt. Aus diesem Temperaturgefälle leitet sich also der maximale Wirkungsgrad der Gewinnung von Arbeit aus Wärme ab – der Carnot-Wirkungsgrad:

Wie sich aus der Herleitung dieses Wirkungsgrades erkennen lässt, gilt dieser Wirkungsgrad – wie schon von Carnot postuliert – prinzipiell ohne Unterschied für jede Wärmekraftmaschine. Die Art der Wärmekraftmaschine spielt in der Herleitung keine Rolle, betrachtet werden nur Entropieänderungen der zu- und abgeführten Wärmeströme. Die resultierende Gleichung dieses maximal möglichen Wirkungsgrades ist einfach. Zu berücksichtigen sind nur die absoluten Temperaturen der zugeführten Wärme und der abgeführten Wärme, allerdings in Grad Kelvin, nicht in Celsius.

Warum sollte uns das alles nun eigentlich interessieren? Die Begeisterung für die beschriebene Herleitung teilen nicht mal viele der angehenden Ingenieure unserer Universitäten, die den „ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik“ meist mit großer Begeisterung in der Vorlesung „Thermodynamik“ des Grundstudiums vorgetragen bekommen und dem meist mit einigem Unverständnis (für die Begeisterung des Dozenten und manchmal auch für die daraus resultierenden Zusammenhänge) begegnen. Wir sollten daher noch am konkreten Beispiel die fundamentale Bedeutung der Gleichung erläutern:

Das Wirken des Carnot’schen Wirkungsgrades

Der Carnot-Wirkungsgrad bestimmt den theoretisch maximal möglichen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine.

Ein Wirkungsgrad von 100 % kann nie erreicht werden, wenn die Umgebungstemperatur Tab einen Wert größer null, beispielsweise 20 °C oder 293 K, annimmt.

Für ein modernes Dampfkraftwerk, dem Wärme im Mittel bei 400 °C oder 673 K zugeführt wird, gilt für den maximal erreichbaren Wirkungsgrad dann das theoretische Limit von

Für die Watt’sche Dampfmaschine mit einer Wärmezufuhr bei 100 °C gilt dagegen ein theoretisches Limit von nur

Wenn man darüber nachdenken würde, beispielsweise die solare Wärme von Flachkollektoren mit 70 °C zu nutzen, läge der theoretische maximale Wirkungsgrad nur noch bei gerade eben 14,6 %.

Sie sind von der bahnbrechenden Tragweite der Carnot’schen Erkenntnis noch immer nicht überzeugt?

Sicher hatten Sie schon im Fernsehen oder sonst wo gehört, welche ungeheuerliche Verschwendung unsere Energiewirtschaft mit ihren Großkraftwerken betreibt. Fast zwei Drittel der eingesetzten Energie werden über riesige Kühltürme an die Umgebung verschleudert oder heizen Rhein und Isar auf. Wussten Sie, dass der Rhein, an dessen Ufern seit 1975 bis 1980 die Kernkraftwerke Phillipsburg I, Biblis A und B und am Neckar das Kernkraftwerk Neckarwestheim 1 in Betrieb gingen, nie wieder zugefroren war? Erst nachdem diese Kernkraftwerke in Folge der Katastrophe von Fukushima zum 6. August 2011 endgültig außer Betrieb genommen worden waren, trieben im zugegebenermaßen außergewöhnlich kalten Februar des Winters 2012 erstmals wieder Eisschollen durch das winterliche Köln, und der Binnenschiffsverkehr am Rhein musste eingestellt werden. Und wenn Sie von nicht besonders gut informierten Wissenschaftsjournalisten lernen, dass Großkraftwerke fast zwei Drittel der eingesetzten Energie einfach in Deutschlands Wasserwege oder an die Atmosphäre verschwenden, fragen Sie sich natürlich: „Muss das denn sein?“

Die Antwort ist einfach: Ja, es muss. Das geht nicht anders. Schuld daran ist eben dieser junge Franzose Nicolas Carnot, der sich vor diesem Hintergrund als junger Offizier vielleicht lieber kriegswichtigen Zusammenhängen hätte widmen sollen. Tatsächlich ist es aber so, dass das an den erstmals von Carnot erkannten physikalischen Grundgesetzen nicht viel geändert hätte. Die Erzeugung von Strom aus Wärme funktioniert dann und nur dann, wenn einem System Wärme nicht nur zu-, sondern von diesem auch abgeführt wird. Und bei großen Kraftwerken ist es eben ordentlich viel Energie, die zugeführt werden muss, und ordentlich viel Energie, die abgeführt werden muss.

An dieser Stelle stellt sich heraus, wie gut Sie dem weniger gut informierten Fernsehjournalisten zugehört hatten. Ja, richtig. Der hatte Ihnen ja auch den Ausweg aus diesem Dilemma erklärt – die Kraft-Wärme-Kopplung. Anstatt den Forellen in Rhein und Isar die Flossen zu wärmen, ist’s natürlich viel sinnvoller, die Abwärme eines Kraftwerks zum Heizen von Wohnhäusern zu nutzen. Man spart dadurch nicht nur teures Heizöl, Erdgas und CO₂-Emissionen, sondern auch lästige Besuche des Kaminkehrers, der mindestens einmal im Jahr morgens um halb sieben vor ihrer Haustüre steht, um im absolut unpassendsten Moment, legitimiert durch die erste Bundes-Immissionsschutz-Verordnung, Ihre hauseigene Feuerungsstätte zu überprüfen. Kraft-Wärme-Kopplung und Fernwärme sind offensichtlich die ideale und ultimative Methode, Nicolas Carnot und dem Bezirkskaminkehrer ein Schnäppchen zu schlagen.

Kraft-Wärme-Kopplung oder entkoppelte Erzeugung?

Wenn über Effizienz und Wirkungsgrade diskutiert wird, werden meist die auf dem ersten Hauptsatz der Energieerhaltung basierenden Gesamtwirkungsgrade herangezogen. Die Gesamtwirkungsgrade der Energiewandlung sind bei der KWK offensichtlich erst einmal höher, als wenn in einem Kraftwerk ausschließlich Strom erzeugt wird. Daraus resultiert die starke Förderung der KWK durch Politik und Öffentlichkeit. Tatsächlich ist die KWK ein überaus sinnvolles und wichtiges Konzept, um Energie ressourcenschonend zu nutzen. Kann die Abwärme eines Kraftwerkes im Einzelfall genutzt werden, um für Wohngebäude oder Industrieprozesse Wärme bereitzustellen, führt dies unmittelbar zur Brennstoffeinsparung und ist uneingeschränkt zu begrüßen.

Allerdings ist eine pauschale Bevorzugung der Kraft-Wärme-Kopplung gegenüber einer getrennten Erzeugung von Strom und Wärme aus energetischer Sicht falsch: Wandlungsverluste bei der Wandlung von Wärme in Strom treten gleichermaßen bei der Stromerzeugung in Großkraftwerken und in Heizkraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung auf. Entscheidend für den Gesamtwirkungsgrad ist die Frage, inwieweit diese Wandlungsverluste insgesamt minimiert werden könnten. Hier kommt wieder der Carnot-Wirkungsgrad ins Spiel: Der elektrische Wirkungsgrad hängt von den Temperaturniveaus von Wärmezu- und -abfuhr ab. Ein Kraftwerk, das seine Abwärme bei 20 °C in die winterlich kalte Isar abführt, hat einen bedeutend höheren elektrischen Wirkungsgrad als ein Kraftwerk, dessen Abwärme bei 120 °C in ein Fernwärmenetz geleitet wird. Die Wärme wird bei deutlich höheren Temperaturen abgeführt, das Temperaturgefälle wird kleiner, der elektrische Wirkungsgrad sinkt.

Leider reduziert sich also bei der Kraft-Wärme-Kopplung nach Carnot maßgeblich der Wirkungsgrad der Stromerzeugung. Unterm Strich kann der Gesamtwirkungsgrad tatsächlich höher sein, wenn Strom und Wärme getrennt erzeugt werden. Vor allem gilt dies, weil hochspezialisierte Anlagen, Strom oder Wärme viel besser – also effizienter – erzeugen, als dies bei Anlagen für die Kraft-Wärme-Kopplung der Fall ist. Möglicherweise ist das selbst unserer physikalisch doch so vorbildlich vorgebildeten Bundeskanzlerin bisher gar nicht so recht bewusst. Da es sich bei Heizkraftwerken für die Kraft-Wärme-Kopplung immer um vergleichsweise kleine Anlagen handelt, wird es schnell unrentabel, Verluste zu minimieren. Gesamt-Wirkungsgrade um 70 % sind über das Jahr gemittelt mit der Kraft-Wärme-Kopplung nur selten zu erreichen. Die Kraft-Wärme-Kopplung wird dennoch in der Bundesrepublik Deutschland umfassend steuerlich und durch die Gesetzgebung gefördert.

Demgegenüber sind Gesamtwirkungsgrade um 70 % mit einer getrennten Erzeugung von Strom und Wärme vergleichsweise einfach zu realisieren:

Der Gesamtwirkungsgrad der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme

Spezialisierte Heizkessel erreichen mit Brennwerttechnologie Wirkungsgrade von 105 %, spezialisierte Kraftwerke erreichen mit Kohle über 40 % und mit Erdgas 60 % elektrischen Wirkungsgrad. Die Sektoren Industrie, private Haushalte und Gewerbe verbrauchen knapp ein Drittel ihrer Endenergie als Strom und etwas mehr als zwei Drittel als Wärme.

Würden Wärme und Strom künftig nur noch getrennt mit hocheffizienten GuD-Kraftwerken (Wirkungsgrad: 60 %) und Brennwertkesseln (Wirkungsgrad: 105 %) erzeugt werden, müsste man den Gesamtwirkungsgrad nach der Gleichung

berechnen. Warum das so berechnet wird und warum der Wirkungsgrad eines Brennwertkessels höher als 100 % sein kann, erklär ich Ihnen bei Gelegenheit in meiner Vorlesung. Sie können’s aber auch gern erst mal glauben. Wichtig ist: Die getrennte Erzeugung hätte also einen Gesamt-Wirkungsgrad von 84 %.

Auch mit einfacheren Technologien ist die getrennte Erzeugung nicht schlechter als die KWK: Im Mittel erreichten die deutschen konventionellen Kraftwerke im Jahr 2009 einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 41 %. Selbst mit den existierenden Kraftwerken (Wirkungsgrad: 41 %) und Heizkesseln (Wirkungsgrad: 90 %) betrug der mittlere Gesamtwirkungsgrad der getrennten Erzeugung 2009 noch ca. 67 % – deutlich mehr, als viele KWK-Anlagen übers Jahr im Mittel erreichen.

Berücksichtigt man zudem, dass die meisten KWK-Anlagen ihre Wärme über Wärmenetze verteilen, die teilweise Verluste von über 20 % verursachen, wird schnell deutlich, dass in vielen Fällen die KWK eben nicht effizienter ist als die getrennte Erzeugung.

Aus energetischer Sicht ist es also nicht richtig, der Kraft-Wärme-Kopplung uneingeschränkt Vorrang zu gewähren, wie dies Gesetzgeber und öffentliche Meinung derzeit pauschal fordern und fördern. Zu betrachten ist immer der Einzelfall.

Dass also, wie durch Carnot und Clausius schon seit fast 200 Jahren bekannt ist, Arbeit und Wärme unterschiedlich bewertet werden müssen, ist in der öffentlichen Diskussion zu wenig präsent. Beim Vergleich des Gesamtwirkungsgrade eines Heizkraftwerks mit KWK mit dem elektrischen Wirkungsgrad eines konventionellen Kraftwerks ohne Abwärmenutzung vergleicht man also die sprichwörtlichen Äpfel mit Birnen. Führt man die Diskussion auf Grundlage des Gesamtwirkungsgrades zu Ende, dürfte man konsequenterweise gar keinen Strom mehr erzeugen, da die Wärmeerzeugung generell die besseren Wirkungsgrade aufweist und demzufolge der Wärmeerzeugung auch gesetzlicher Vorrang vor der KWK und der alleinigen Stromerzeugung eingeräumt werden müsste.

Bis heute werden Dampfkraftwerke verurteilt, die zur Kühlung bis zu zwei Drittel der zugeführten Energie an die Umgebung abgeben. Dass die Qualität der zugeführten Energie – die „Exergie“ – durch die Umwandlung von Wärme in Strom schon weitgehend genutzt ist und in der Abwärme typischerweise bei einem Temperaturniveau von 30 °C nahezu keine wandelbare „Exergie“ – oder „Arbeitsfähigkeit“ – mehr enthalten ist, wird nicht beachtet.

Um Energiesysteme und Szenarien zur Energieversorgung physikalisch und thermodynamisch zu bewerten, ist es also unerlässlich, nicht nur einfache Energiebilanzen zu betrachten, sondern auch die Qualität der Energie mitzubilanzieren. Formal richtig gelingt dies über eine Exergiebilanz. Weitaus anschaulicher und nahezu ähnlich schlüssig gelingt dies aber auch mit einer Kostenbilanz, die im nächsten Kapitel vorgestellt wird. Große Vorteile bietet die Kraft-Wärme-Kopplung tatsächlich für die Einführung neuer Technologien und erneuerbarer Energien. Aber auch dafür ist vor allem die Wirtschaftlichkeit zu betrachten.

Bleibt festzuhalten: Die Begeisterung jedes Thermodynamik-Professors über die Erkenntnisse der Herren Carnot und Clausius ist durchaus angemessen. Der theoretische Exkurs hierzu war notwendig, und, wenn Sie bis zu dieser Stelle des Buches vorgedrungen sind – was mich sehr freut –, offensichtlich eigentlich auch nicht ganz uninteressant. Die Tragweite der hier gewonnenen Erkenntnis ist jedenfalls fundamental. Die Erkenntnis könnte darauf hindeuten, dass die Energiewirtschaft bisher doch vieles richtig gemacht hat.

Die Economy of Downscale

Abschließend ist kurz zu betrachten, wie sich unsere Strom- und Wärmeerzeugungskosten eigentlich errechnen. Das ist nicht allzu kompliziert, wir müssen nur verstehen, dass sich Stromerzeugungskosten immer aus drei Teilen zusammensetzen: den kapitalgebundenen Kosten, den verbrauchsgebundenen Kosten und den betriebsgebundenen Kosten. Klingt kompliziert, ist es aber nicht.

Wichtig ist, dass zwei dieser Kostenanteile Fixkosten sind, die anfallen, egal ob das Kraftwerk betrieben wird oder nicht. Das wären eben die kapitalgebundenen und die betriebsgebundenen Kosten.

Die kapitalgebundenen Kosten entstehen einfach daraus, dass ein Kraftwerk erst einmal bezahlt werden muss. Im Normalfall geschieht dies über einen Bankkredit, der in regelmäßigen Raten – den Annuitäten – jahraus, jahrein bezahlt werden muss, egal ob das Kraftwerk läuft oder nur dumm herumsteht. Den Betreibern des Kraftwerks geht es an dieser Stelle genau wie Ihnen als Eigenheimbesitzer. Die Darlehensraten für Ihr Wohneigentum fallen immer an, egal ob Sie gerade zu Hause sind oder im Urlaub. Ähnlich ist es mit den betriebsgebundenen Kosten. Das sind vor allem Personalkosten. Auch das fest angestellte Personal müssen die Kraftwerksbetreiber jeden Monat bezahlen, egal ob das Kraftwerk gerade Strom erzeugt oder nicht.

Ganz anders die verbrauchsgebundenen Kosten – das sind in erster Linie die Brennstoffkosten. Brennstoff wird nur gebraucht, wenn das Kraftwerk auch läuft. Man spricht deshalb auch von variablen Kosten.

So weit, so einfach. Etwas kompliziert wird die Berechnung, weil wir unsere Stromkosten ja in Cent pro Kilowattstunde angeben wollen – alleine schon, um die Stromerzeugungskosten unterschiedlicher Anbieter und Technologien vergleichen zu können. Wir müssen die Stromerzeugungskosten also durch die Anzahl der erzeugten Kilowattstunden teilen. Wir erläutern das am besten an einem Beispiel:

Die Stromerzeugungskosten eines Großkraftwerks

Wir nehmen wieder unser großes Kohlekraftwerk mit 500 Megawatt. Das sind 500.000 Kilowatt. Für ein solches Kohlekraftwerk müssten wir 1 Milliarden Euro aufbringen. Der „Kapitaldienst“, also Zins und Tilgung für den Bankkredit, den wir für den Bau des Kraftwerks aufgenommen hatten, kostet uns ungefähr 10 % der Investition pro Jahr. Das sind

Stromerzeugungskosten werden in Cent pro Kilowattstunde angegeben. Je mehr Kilowattstunden ein Kraftwerk erzeugt, desto billiger wird der Strom. Läuft das Kraftwerk 5.000 Stunden im Jahr, erzeugt es

Die „kapitalgebunden Kosten“ betragen also

bzw. 4 Cent pro Kilowattstunde.

Im Kraftwerk sind 75 Mitarbeiter/-innen mit einem durchschnittlichen Jahresgehalt von 60.000 € beschäftigt, die jedes Jahr

kosten. Die betriebsgebundenen Kosten betragen also

oder 0,2 Cent pro Kilowattstunde.

Das Kraftwerk verbraucht etwa 200 Tonnen Kohle pro Stunde. Die Kohle kostet 80 Euro pro Tonne. Übers Jahr fallen also Brennstoffkosten in Höhe von

an. Daraus errechnen sich verbrauchsgebundene Kosten von

oder 3,2 Cent pro Kilowattstunde.

Addiert man alle drei Kostenarten, betragen die Stromerzeugungskosten des Kohlekraftwerks also 7,4 ct/kWh. Ist das Kraftwerk schon alt und der Kredit bezahlt – bzw. richtiger: ist das Kraftwerk „abgeschrieben“, fallen die kapitalgebundenen Kosten weg, und die Stromerzeugungskosten betragen nur noch 3,4 ct/kWh.

Die Stromerzeugungskosten werden also dann niedrig, wenn das Kraftwerk alt und abgeschrieben ist. Deshalb wünschen sich die Stromversorger möglichst lange Restlaufzeiten ihrer Kohle- und Kernkraftwerke. Sie sehen jedenfalls: Betriebswirtschaft klingt erst mal kompliziert, ist am Ende aber doch gar nicht so schwierig. Natürlich ist unser Beispiel etwas vereinfacht, aber solange keine steuerlichen Aspekte in die Wirtschaftlichkeitsrechnung einfließen müssen, reicht Grundschulmathematik für jeden Betriebswirt eigentlich vollkommen aus. Stellen wir dieselben Überlegungen nun für ein kleines Kraftwerk an. Wir betrachten in diesem Fall ein kleines Biomasse-Kraftwerk. Da berechnen sich die einzelnen Kostenanteile ganz genauso:

Die Stromerzeugungskosten eines Kleinkraftwerks

Ein Biomassekraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 5 Megawatt bzw. 5.000 Kilowatt kostet 20 Mio. Euro und wird von 20 Mitarbeiter(inne)n insgesamt 7.500 Stunden im Jahr betrieben. Das durchschnittliche Jahresgehalt der Mitarbeiter/-innen beträgt wieder 60.000 €. Die kapitalgebundenen und betriebsgebundenen Kosten betragen entsprechend

und

Das sind also 5,3 ct/kWh und 3,2 ct/kWh. Das Kraftwerk hat einen Holzverbrauch von etwa 8 Tonnen Holzhackschnitzel pro Stunde. Die kosten 70 Euro pro Tonne. Damit betragen die verbrauchsgebundenen Stromerzeugungskosten

im Beispiel 11,2 ct/kWh.

Die gesamten Stromerzeugungskosten belaufen sich also auf 19,7 ct/kWh.

Das ist also mehr als das Doppelte der Stromerzeugungskosten des Großkraftwerks. Damit wären kleine Biomassekraftwerke nicht konkurrenzfähig. Sie sind es auch tatsächlich nicht. Dass die kleinen Anlagen in jeder Hinsicht gegenüber Großanlagen wirtschaftlich benachteiligt sind, hatten wir schon diskutiert. Daraus resultiert ja genau das Credo der Energiewirtschaft – das Postulat der Economy of Scale: Ein Kraftwerk muss groß sein, um günstigen Strom zu erzeugen.

Aber mit einer kleinen Korrektur der Nomenklatur sieht alles gleich viel besser aus. Im nächsten Schritt machen wir aus dem Biomassekraftwerk ein Biomasseheizkraftwerk. Wir betreiben das Kraftwerk als KWK-Anlage und können uns die Wärmeerlöse auf den Strompreis gutschreiben:

Die Wärmeerlöse eines Kleinkraftwerks mit Kraft-Wärme-Kopplung

Mit dem 5-MW-Biomasse-Kraftwerk können 12 MW Nutzwärme erzeugt werden. Wird die Abwärme des Biomassekraftwerks über 7.500 Stunden im Jahr für 60 Euro pro MWh verkauft, können die Erlöse auch wieder auf die erzeugte Strommenge umgerechnet werden:

Die Erlöse aus dem Wärmeverkauf betragen also 14,4 Cent für jede verkaufte (elektrische) Kilowattstunde.

Die Stromerzeugungskosten des Biomasseheizkraftwerks sinken nach dieser Gutschrift auf nur noch 5,3 ct/kWh.

Damit ist das Kleinkraftwerk plötzlich günstiger als das Großkraftwerk. Das Postulat der Economy of Scale gilt offensichtlich nicht mehr. Sie werden sich fragen, warum nicht einfach auch das Kohlekraftwerk Abwärme verkaufe. Die Antwort ist einfach: Die braucht niemand! Sie werden in ganz Deutschland keinen Standort finden, der die Abwärme eines 500-MW-Kraftwerks abnehmen könnte. Hinzu kommt, dass ein solcher Abnehmer nie und nimmer 60 Euro für die Megawattstunde bezahlen würde. Großabnehmer bekommen ja immer deutlich bessere Preise. Das Großkraftwerk müsste mit Wärmeerlösen von 10 bis 20 Euro pro Megawattstunde schon hochzufrieden sein.

Standorte für Biomassekraftwerke, die 12 Megawatt abnehmen können, gibt es dagegen gar nicht so wenige. Um Kraft-Wärme-Kopplung anwenden zu können, sind kleinere Anlagen also viel vorteilhafter. Nun ist es sicher ein Glücksfall, heute noch einen Standort zu finden, der die 12 MW des Beispiels das ganze Jahr über, also 7000 oder 8000 Stunden, abnehmen würde. Für solche Standorte sind 60 Euro pro Megawattstunde Wärme heute auch nicht üblich. Aber je kleiner die Anlage, desto einfacher ist es, gute Wärmeabnehmer zu finden, die auch gute Wärmepreise bezahlen. Die zahlen dann übrigens auch gern mal mehr als 5 ct/kWh für den gleichzeitig erzeugten Strom. Die Alternative wäre ja, den Strom ansonsten beim Stromversorger für 20 oder 30 ct/kWh zu beziehen.

Alles in allem verbessern sich durch die Kraft-Wärme-Kopplung und die Nähe zu Kleinabnehmern also die Erlösaussichten für kleine, dezentrale Anlagen enorm. Die Anlagen werden zu Doppelverdienern: Sie verdienen Geld nicht nur durch den Verkauf von Strom, sondern auch durch den Verkauf von Wärme. Und das ist genau der wahre Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung. Durch die Double-Income-Situation werden dezentrale Technologien wirtschaftlich. Aus dem Credo der Energiewirtschaft, der Economy of Scale, wird durch die Kraft-Wärme-Kopplung die Economy of Downscale.

2. Kapitel:
Worum es für uns geht

Von der Jahrtausendwende in die Energiewende

Achthunderttausend Jahre nach der ersten Nutzung des Feuers hat sich die Energiewirtschaft überaus komplex entfaltet. Energie in den unterschiedlichsten Formen bildet die Basis unserer Volkswirtschaft. Mehr denn je konkurrieren Wärme, Strom, Mobilität und Nahrung um preiswerte Primärenergie.

Und an der Stelle beginnt das Dilemma. Preiswert ist Primärenergie nur dann, wenn sie im Überfluss dauerhaft und überall verfügbar ist. Bis zu Beginn des Mittelalters traf dies nahezu uneingeschränkt auf den Primärenergieträger Holz zu. Vom 18. Jahrhundert bis in die 70er-Jahre des letzten Jahrhunderts galt dies auch für Kohle, Erdöl und später, als man begann, ein Kontinente umspannendes Pipelinenetz aufzubauen, auch für Erdgas. Erst mit der Ölkrise der 70er-Jahre trat die Erkenntnis ins öffentliche Bewusstsein, dass selbst fossile Energien irgendwann zu Neige gehen könnten. Doch dann kam die Kernenergie. Ganz neu errichtete Ölkraftwerke wurden eingemottet und dienen seither nur in Ausnahmefällen als Reservekraftwerke. Auch wenn die weltweiten Uranreserven mit herkömmlicher Kernkraftwerkstechnologie nicht länger reichen als die Kohle, so versprach die Technologie des schnellen Brüters Reichweiten von zigtausend Jahren. Einfach weil aus der gleichen Menge Uran durch das „Erbrüten“ von Plutonium so viel mehr Kernspaltungsenergie freigesetzt werden kann als durch eine einfache Kernspaltung des nur in geringen Konzentrationen natürlich vorkommenden Uranisotops ²³⁵U. Um die energetische Zukunft unserer Kinder, Enkel und sogar Urenkel mussten wir uns also erst mal keine Sorgen machen.

Brennpunkt Umweltschutz

Doch just in der Zeit der Ölkrise, zu Beginn der 70er-Jahre, formierte sich neues Ungemach. Irgendwo in Boston, in den engen, aber traditionsreichen Büros des Massachusetts Instituts of Technology, des MIT, experimentierten die Eheleute Dennis und Donella Meadows mit einem der ersten Supercomputer ihrer Zeit. Ihre Arbeiten waren – verglichen mit dem, was heute jeder Mathematik- oder Informatik-Student der ersten Semester zu leisten hat – nichts Besonderes. Dennis und Donella Meadows lösten Differenzialgleichungen. Genauer: Differentialgleichungssysteme erster Ordnung – sogenannte Räuber-Beute-Modelle.

Die funktionieren ungefähr so: In einem Meer gibt es zum Zeitpunkt t = 0 eine bestimmte Anzahl x₀ Haifische. Und eine Anzahl y₀ an Heringen. Zum Zeitpunkt t = 0 beginnen die Haifische, Heringe zu fressen. Den Haifischen geht es gut dabei, und die Anzahl x(t) der Haie beginnt zu steigen, die Zahl y(t) der Heringe sinkt. Irgendwann gibt es zu wenige Heringe, den Haien geht’s schlecht, und die Zahl der Haie x(t) sinkt, und zwar so lange, bis sich die Zahl der Heringe wieder so weit erholt hat, dass die Haie es sich wieder gut gehen lassen können.

Mit der Lösung der Differenzialgleichungen weiß man dann, wie viele Haie und wie viele Heringe es zu jedem Zeitpunkt genau gibt. Die numerische Lösung dieser mathematischen Modelle war für die Supercomputer der damaligen Zeit eine echte Herausforderung. Heute genügt zur Lösung des Problems ein Taschenrechner oder Microsofts Excel. Wirklich revolutionär war an der Arbeit der Meadows auch damals schon eigentlich nur der Anwendungsfall. Anstelle von Hai- und Heringspopulationen modellierten sie die Menschheit und deren Ressourcen für Energieerzeugung und Nahrung. Die Menschen waren gewissermaßen die Haie und die Heringe das Erdöl.

An dieser Stelle zeichnet sich der vielleicht gar nicht so überraschende Ausgang dieser Studie schon ab. Erdölvorkommen wachsen deutlich langsamer nach als Heringe. Zu allem Überfluss führten die Meadows noch den Parameter „Umweltverschmutzung“ ein. Die Umweltverschmutzung hatte Rückkopplungen auf die Produktivität der Landwirtschaft,

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