Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV)

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vom 27.04.2018, aktualisiert am 06.08.2018, Wolf von Fabeck:

Unsere letzte Chance - Wir brauchen mehr als 100 Prozent Erneuerbare Energien

Kohlenstoff aus der Atmosphäre holen und jedes technisch anfallende CO2 recyceln

Vorwort:

Die Menschheit befindet sich - betrachtet man es naturwissenschaftlich nüchtern - auf dem direkten Weg in die finale Klimakatastrophe.

  • Denjenigen, die an den Steuerhebeln der Macht sitzen, fehlen die naturwissenschaftlichen Kenntnisse um die Gefahr in vollem Umfang zu erkennen und den Untergang abzuwenden.
  • Diejenigen die noch Rettungswege sehen, finden kein Gehör. So wird es möglicherweise auch diesem Beitrag hier ergehen, denn er beginnt mit zwei radikalen Forderungen:

Die Menschheit muss zukünftig ihren Kohlenstoffbedarf aus der Atmosphäre decken und sie wird jedes technisch erzeugte CO2 vollständig recyceln müssen, anstatt es in die Atmosphäre zu emittieren.

Manche Autoren, die Wert darauf legen, dass ihr Beitrag überhaupt noch gelesen wird, verfallen auf den Ausweg, derartige Forderungen so weit abzuschwächen, dass sie leichter durchführbar erscheinen. Doch halbe Entscheidungen helfen nicht mehr, wie sich gleich zeigen wird. Wir rasen ungebremst ins Feuer, wenn wir nicht sofort anhalten und umkehren.

Inhalt

Zunächst ein Rückblick

Im Altertum gab es über Jahrtausende eine klima-bekömmliche nur wenig schwankende Mengenverteilung zwischen einer sehr großen Menge fossilen Kohlenstoffs im Boden, und einer kleinen Menge in den Ozeanen und einer noch kleineren CO2-Menge in der Atmosphäre. Was Tiere und verrottende Pflanzen und gelegentliche Waldbrände an CO2 in die Atmosphäre abgaben, konnten die dichten Wälder, aber auch Savannen und Steppen durch Photosynthese wieder aus der Atmosphäre zurückholen.

Doch dann begann die Menschheit die Wälder immer weiter abzuholzen und andererseits immer gründlicher und systematischer fossile Stoffe (Kohle, Erdöl und Erdgas) aus dem Erdboden herauszuholen und sie zur Energiegewinnung zu verbrennen. Das entstehende Klimagas CO2 wurde achtlos in die Atmosphäre emittiert. Mit der Zunahme der Weltbevölkerung nahmen auch die Folgen dieser Aktivitäten zu.

Bei Wikipedia findet sich eine grafische Darstellung der technisch bedingten CO2-Emissionen seit 1800:
Emissionen von CO2 insgesamt; Erdöl; Kohle; Erdgas; Zementproduktion; Abfackeln von Gas; (In dieser Grafik fehlen noch die Emissionen aus der Stahlproduktion).

An Warnungen hat es nicht gefehlt. Wir greifen hier willkürlich Drei von Hunderten heraus:

Charles David Keeling nahm. Im Jahre 1957 auf dem Mauna Loa auf Hawaii die erste permanente Kohlenstoffdioxid-Messung der Welt auf, um den von ihm vermuteten stetigen Anstieg dieses Treibhausgases aufzuzeigen.

Am 23. Juni 1988 warnte Professor James E. Hansen - Direktor des Goddard Institute for Space Studies der NASA und Professor für Erd- und Umweltwissenschaften an der Columbia University - im US-Senat vor den Folgen des Treibhausgasanstieges. Hansen wurde sogar verhaftet, als er 2011 vor dem Weißen Haus gegen den weiteren CO2-Ausstoß protestierte. Unter https://www.flickr.com/photos/tarsandsaction/6093530895/ findet sich ein Foto von der Verhaftung Hansens anlässlich einer Demonstration vor dem Weißen Haus 2011

Als Hansen zum erstenmal die uns drohende Gefahr erkannte (weit vor seiner Warnung im US Senat), betrug die Öl-, Erdgas- und Kohleförderung grob geschätzt erst ein Viertel der heutigen Emissionsmenge und dennoch nahm die CO2-Konzentration der Atmosphäre bereits zu. Würde man also heutzutage die CO2-Emissionen auf den viel zu hohen damaligen Wert begrenzen, so würde der CO2-Anstieg keineswegs aufhören. Bereits damals (also 1988) gab es ja einen bedenklichen Treibhausgasanstieg. Inzwischen sind außerdem zusätzlich die von Hansen und anderen Wissenschaftlern bereits damals vorhergesagten 'positiven Rückkopplungen' hinzugekommen. Je wärmer es wird, desto mehr CO2 oder Methan wird auch ohne menschliches Zutun durch die bekannten 'Kippelemente' emittiert. Bekanntes Beispiel ist das Auftauen des Permafrostbodens, der das dort eingefrorene klimaschädliche Methangas freigibt.

Inzwischen ist mit dem Anstieg der Waldbrände eine weitere beängstigende positive Rückkopplung hinzugekommen: Je mehr Wälder verbrennen, desto mehr CO2 entsteht bei dem Brand. und desto mehr Chlorophyll wird vernichtet. Desto schneller steigt die Temperatur an, desto mehr trocknen die verbliebenen Wälder aus, desto mehr steigt auch dort die Waldbrandgefahr an. Bis vor kurzem hatte man beim Potsdam Institut für Klimafolgen-Forschung (PIK) noch gehofft, in den nördlichen Wäldern durch Zunahme der Niederschläge dort eine der Brandgefahr gegenläufige Entwicklung zu erleben, doch die überraschende Zunahme der Waldbrände in Schweden spricht eine andere Sprache. Es wird noch schlimmer als zuvor:

Von Professor Joachim Schellnhuber, dem Gründer und Direktor des Potsdam Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) stammt der prophetische Satz: "...das Raumschiff Erde steuert dann geradewegs ins Feuer hinein..." In seinem Buch Selbstverbrennung, (S. 349)".

Je wärmer es wird, desto schneller wird es wärmer!

Betrachtet man die Zunahme der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre, die auf dem Mauna Loa in Hawaii gemessen wird, die sogenannte "Keeling Kurve", so findet man die Bestätigung. ihr Anstieg ist in den letzten Jahren nicht geringer geworden, sondern nimmt weiter zu. Die Kurve ist nach oben hin gekrümmt! Das ist die physikalische Realität. Alles andere ist Träumerei und Wunschdenken.

https://www.energiezukunft.eu/klimawandel/co2-konzentration-ueberschreitet-weiteren-schwellenwert/

Radikale Lösung als letzter Ausweg

Die einzige erkennbare Lösung ist somit einfach zu formulieren aber extrem schwer umzusetzen: So schnell wie möglich mit dem klimazerstörenden Treiben vollständig aufhören. Und zusätzlich CO2 aus der Atmosphäre zurückholen - so viel und so schnell wie möglich und hoffen und beten, dass es noch gerade einmal gut geht.

Konkret also:

  • Schluss mit dem Verbrennen kohlenstoffhaltiger Brenn- oder Treibstoffe. Wir brauchen den sofortigen Umstieg auf 100 Prozent Erneuerbare Energien.
  • Wir brauchen Langzeitspeicher, damit wir ausschließlich mit Wind-, Sonnen- und Wasserkraft auch lange WetterCyclen mit wenig Wind, wenig Sonnenschein und austrocknenden Fließgewässern.
  • Aufhören mit dem Herausholen der fossilen Stoffe aus der schützenden Umhüllung durch das Erdreich.
  • Wenn wir Kohlenstoff als Grundstoff für den riesigen Wirtschaftszweig der organischen Chemie brauchen, dann müssen wir ihn aus der Atmosphäre zurückholen
  • Soviel und so schnell wie möglich CO2 und andere Klimagase aus der Atmosphäre zurückholen und sicher verwahren. Auch die fossilen Energien haben ein Endlageproblem.

In dieser Aufzählung kommt zweimal die Forderung nach Rückholen von CO2 aus der Atmosphäre vor. Die dazu notwendige Energie können uns Sonne und Wind liefern.

Die eben noch erwähnten 100% Erneuerbare Energien genügen somit nicht. Wir brauchen erheblich mehr als 100 Prozent !

Notwendige technische Informationen

Niemand zweifelt daran, dass bei einem Kohlefeuer unsichtbares CO2 - Gas entsteht und Wärmenergie frei wird. Es handelt sich um einen exothermen Prozess:

Kohle plus Sauerstoff => CO2 und Energie

Zur Umkehrung dieses bekannten und klimaschädlichen Prozesses muss Energie hinzugeführt werden. Es handelt sich dann also um einen endothermen Prozess. Diese sind in der Regel geräte-technisch komplizierter in Gang zu bringen:

Bereits 1999 haben Dr. Michael Specht et al unter der Überschrift CO2-Recycling zur Herstellung von Methanol Endbericht Juli 2000 im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Stuttgart in der Praxis ein Verfahren zur Herstellung von Methanol aus dem CO2 der Atmosphäre vorgeführt. Wir gehen weiter unten noch ausführlicher darauf ein.

  • Methanol ist in der chemischen Industrie ein begehrter Grundstoff für kohlenstoffhaltige Produkte
  • Methanol ist eine energiehaltige Flüssigkeit, aus der mit Hilfe von Brennstoffzellen oder mit Hilfe von Wärmekraftmaschinen und Generatoren Strom erzeugt werden kann (sogar in Kraft-Wärmekopplung). Methanol ist somit ein idealer Energielieferant für Langzeitspeicher
  • Methanol kann in Tankwagen, Tankschiffen und Rohrleitungen unabhängig vom Erdgasnetz leicht transportiert werden
  • Methanol ist ein Medium, in dem Kohlenstoffatome klima-unschädlich und ohne zusätzliche Kompression endgelagert werden können. An unterirdische Methanolspeicher werden nur leicht erfüllbare Sicherheitsforderungen gestellt.

Umstellung der Stromversorgung auf Sonne und Wind benötigt Langzeitspeicher

Vom Vizepräsidenten des Deutschen Wetterdienstes Dr. Paul Becker, stammt der nachdenkliche Satz: „Da das Wetter aber macht was es will, können wir niemals ausschließen, dass eine extreme Windflaute zusammen mit einer sonnenarmen Phase über Europa auftritt. Eine verantwortungsvolle Energiepolitik muss sich deshalb nicht nur um den Ausbau von Windkraft und Photovoltaik kümmern, sondern zugleich für ausreichend Reservekapazitäten sorgen.“
Wir sind Herrn Becker dankbar, dass er hier ein drängendes Problem anspricht. Wer sich in der Wettergeschichte der vergangenen Jahrhunderte umsieht, stößt schnell auf Beispiele, bei denen es z.B. durch Vulkanausbrüche nicht nur über Wochen, sondern über Monate hinweg zu erheblich verminderter Solareinstrahlung gekommen ist. Inzwischen kommt es zusätzlich auch noch durch die Erderwärmung selbst zu Abweichungen vom üblichen Wetterverlauf. Die Extremwindstärken nehmen zu, aber für die Windstärken in den Zeiten dazwischen muss das nicht ebenfalls gelten. Die Dauer einer Wind- oder Sonnenschwäche lässt sich insbesondere im Zeichen des Klimawandels noch weniger als früher vorhersehen. Paul Becker spricht deshalb zu Recht nicht von notwendiger „Reserve-Leistung“, sondern von „Reserve-Kapazität“. Es geht ihm also nicht nur um möglicherweise fehlende Leistung, sondern auch um ihre langdauernde Verfügbarkeit.
Die Stromwirtschaft spricht von gesicherter Leistung - und denkt dabei an Fossilkraftwerke in Sicherheitsbereitschaft. Wir, die Umwelt- und Klimaschutzverbände, sprechen von Langzeitspeichern - aber woran denken wir dabei konkret?

Stromversorgung ist kein Selbstzweck, sondern soll den Strombedarf decken. Derzeit gibt es einen jährlichen Bedarf in Deutschland von etwa 600 Terawattstunden. Wenn zukünftig auch der Verkehr und die Wärmeversorgung auf elektrische Energie umgestellt werden, wird sich der Bedarf erheblich erhöhen. Den erhöhten Bedarf bezeichnen wir hier mit 600+ TWh, ohne ihn genauer zu beziffern. Wir gehen natürlich nicht davon aus, dass nach Umstellung der Energieversorgung auf Sonne und Wind ein Jahr lang keine Sonne scheinen und kein Wind wehen werden, so dass wir diese 600+ TWh aus Langzeitspeichern tatsächlich zur Verfügung stellen müssten, ohne zwischendurch Gelegenheit zum Wiederaufladen der Speicher zu haben. Die Frage lautet allerdings, welche Speicherkapazität wir denn statt dessen für notwendig halten. Wenn bei dieser Abwägung auf der einen Seite nur die Kosten der Langzeitspeicher und auf der anderen Seite ihr Nutzen stehen, dürfen wir nicht vergessen, wie abhängig das Überleben einer technisierten Gesellschaft von einer ununterbrochenen Stromversorgung ist. In dem spannenden Krimi "Blackout" von Marc Elsberg wird dies realitätsnah dargestellt. Wir können auch auf den Bericht des Büros für Technikfolgen-Abschätzung des Deutschen --Bundestages verweisen, in dem mehrfach von einer "sehr hohen Anzahl von Todesopfern" im Fall eines langdauernden, weiträumigen Stromausfalls die Rede ist. Wer hätte zum Beispiel daran gedacht, dass sämtliche Haftanstalten geöffnet werden müssen oder dass sämtliche Geschäfte und Tankstellen geschlossen werden, dass kein Wasser mehr aus dem Wasserhahn kommt und auch die Smartphones nach kurzer Zeit nicht mehr funktionieren?

Welche Technik bietet sich für Langzeitspeicher an?

Pumpspeicherkraftwerke sind als Langzeitspeicher nicht geeignet, weil ihre Kapazität bereits nach einer Leistungsabgabe von wenigen Stunden erschöpft ist. Mit aufladbaren Batterien - auch mit Redox-Flow Batterien - erreicht man Speicherdauern von einigen Tagen, doch immer noch ist die Energiedichte zu gering, bzw. das benötigte Volumen zu hoch. Es ist zwar nicht auszuschließen, dass weitere Speichertechniken ins Spiel kommen, doch können wir verantwortlich nur mit den Techniken planen, die derzeit bekannt sind.

Die ungewöhnlich langen Zeiten (mehrere Wochen), die überbrückt werden sollen, können nach jetzigem Wissensstand nur mit chemischen Langzeitspeichern überbrückt werden, die aus mehreren eigenständigen Komponenten bestehen

  • einem Speichermedium, d.h. einer energiehaltigen Flüssigkeit, z.B. Methanol oder einem energiehaltigen Gas, z.B. Methan oder Wasserstoff
  • dezentralen Anlagen zur Produktion des Speichermediums mit Hilfe elektrischer Sonnen- und Wind-Überschuss-Energie.
  • Transportleitungen oder Tankwagen oder Tankschiffe,
  • Tanks bzw. Kavernen zur Aufbewahrung des Speichermediums,
  • sowie Kraftwerken oder Brennstoffzellen oder KWK-Anlagen, die aus dem Speichermedium elektrischen Strom erzeugen können

Informationen zum Speichermedium Wasserstoff

Bei der Auswahl unter den genannten Speichermedien ist Wasserstoff am einfachsten herzustellen. Bereits zwei Elektroden in leicht angesäuertem Wasser genügen zur Demonstration. An der negativen Elektrode (Kathode) steigen Wasserstoffbläschen auf. An der positiven Elektrode steigen Sauerstoffbläschen auf.
Mit Wasserstoff aus Windenergie werden bereits Fähren, Eisenbahntriebwagen und Wasserstoffautos angetrieben. Dort kommen Brennstoffzellen zum Einsatz. Und aus dem Auspuff kommt Wasserdampf.
In Neunburg vorm Wald gab es dazu ein größeres Versuchsobjekt
Ein Rückblick
Das Projekt wurde im Jahr 2000 beendet. Mehrheitsgesellschafter des Solar-Wasserstoffprojekts war das Bayernwerk. Sein Rechtsnachfolger (EON) scheint kein Interesse an der Auswertung des großangelegten Versuchs zu haben.

Informationen zu kohlenstoffhaltigen Speichermedien - Methan oder Methanol?

Eine Besonderheit sind Speichermedien, die Kohlenstoff enthalten. Hier kommt ein neuer Gesichtspunkt ins Spiel, weil dieser Kohlenstoff der Atmosphäre entnommen werden kann und damit die oben geforderte technische Rückholung von CO2 aus der Atmosphäre begonnen werden kann. Hierfür sind besonders Methanol und Methan im Gespräch. Man spricht dabei von Power to Liquid (PtL) oder Power to Gas (PtG).

  • Methanol ist eine alkoholische Flüssigkeit, die sich sowohl zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen als auch als Treibstoff für Verbrennungsmotoren eignet.
  • Methan ist ein Gas, das mit einem hohen Prozentanteil von ca. 80 bis 99 Vol-% auch im Erdgas enthalten ist

Zur Rückholung von CO2 aus der Atmosphäre ist Power to Gas mit Methan problematisch.

Damit das hergestellte Methangas volumenmäßig überhaupt untergebracht werden kann, wird es entweder unter hohem Druck gespeichert und transportiert. Oder es wird auf unter -161°C tiefgekühlt und damit verflüssigt. Besonders im erstgenannten Fall besteht immer auch die Gefahr, dass Methangas aus Lecks entweicht. Leider hat Methangas eine erhebliche Treibhauswirkung. Gemäß Umweltbundesamt ist die Klimawirkung von Methan 25 mal so stark wie die von CO2. Dann wäre, wenn auch nur 5 Prozent des rückgeholten CO2 in Form von Methangas wieder entweichen, die Klimawirkung schlimmer, als wenn man das CO2 in der Atmosphäre belassen hätte, anstatt es in noch klimaschädlicheres Methan zu verwandeln..


"Noch ist die Frage der Langzeitspeicherung nicht befriedigend gelöst, da kommt schon eine weitere Forderung Rückholung von CO2 aus der Atmosphäre dazu", so werden sicher einige Leser denken. Doch so neu ist diese Forderung nicht, man hat sie früher nur etwas anders formuliert - etwa so: Die Zunahme der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre könne nur gestoppt werden, wenn die Menschheit nicht weiter ihren Kohlenstoffbedarf aus den kohlenstoffhaltigen Bodenschätzen deckt. Immerhin werden zur Zeit noch an Millionen von Orten Kohle, Erdöl, Erdgas industriell gewonnen und verwertet. Den Kohlenstoffbedarf sollte die Menschheit zukünftig dort decken, wo sich inzwischen zu viel Kohlenstoff befindet - nämlich in der Atmosphäre. Und zur Erzeugung von Zement wird Kalkstein ( (CaCO3) abgebaut, ebenfalls ein kohlenstoffhaltiger Bodenschatz, bei dessen Verwertung sehr große Mengen an CO2 in die Atmosphäre gehen. Es wird höchste Zeit, dass die Deckung des Kohlenstoffbedarfs durch Abbau der sogenannten "Bodenschätze" international geächtet wird.
Und noch eine Schlussfolgerung: Bei allen technischen Verfahren, die nur unter CO2-Abgabe vonstatten gehen, z.B. auch bei der Stahlherstellung müssen die Verfahren, die zur CO2-Rückholung entwickelt wurden, natürlich vorrangig eingesetzt werden.

CO2-Recycling nach Dr. Michael Specht

Unter den verschiedenen öffentlich diskutierten Verfahren zur Rückholung von CO2 aus der Atmosphäre hat eines einen besonderen Vorzug. Es kann nicht nur CO2 rückholen, sondern es erzeugt aus dem rückgeholten CO2 ein energiehaltiges Speichermedium. Gemeint ist die Rückholung von CO2 aus der Atmosphäre und seine Umwandlung in flüssiges Methanol.

Bereits 1999 haben Dr. Michael Specht et al unter der Überschrift CO2-Recycling zur Herstellung von Methanol Endbericht Juli 2000 im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Stuttgart in der Praxis ein Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen aus atmosphärischem CO2 erfolgreich vorgeführt.

"Herstellung von synthetischen Kraftstoffen" war jedoch anscheinend das falsche Stichwort, denn für elektrischen Fahrzeugantriebe kommen vermutlich aufladbare Batterien eher in Frage, weil sie einen erheblich besseren Wirkungsgrad haben.

Vielleicht wäre die Methanolsynthese aus rückgeholten CO2 fortgesetzt worden, wenn bereits in der Überschrift darauf hingewiesen worden wäre, dass hier die Produktion eines idealen Speichermediums für dezentrale Langzeitspeicher vorgeführt wurde. So schlief jedoch die Angelegenheit ein und die Synergie zwischen den zwei Verwendungszwecken CO2-Rückholung und Langzeitspeicherung gelangte nicht ins öffentliche Bewusstsein.
Es kann aber auch sein, dass die Alternative Power to Gas als willkommene Begründung für den Fortbestand der großen zentralen Gaskraftwerke weiteres Nachdenken blockierte.
Die Vorteile des Methanolverfahrens: die Unabhängigkeit vom Gasleitungsnetz, Transportmöglichkeiten mit Tankwagen und Tankschiffen, die dezentrale Lagermöglickeit in einfachen Methanol-Tanks, seine Dezentralisierbarkeit, seine wirtschaftliche Unabhängigkeit vom Verband Europäischer Fernleitungsnetzbetreiber für Gas (ENTSO-G European Network of Transmission System Operators for Gas) wurden jedenfalls bislang kaum diskutiert.

Drei Fliegen mit einer Klappe erschlagen

Zwei Fliegen mit einer Klappe erschlagen, galt schon immer als elegante Lösung. Synergieeffekte beim Rückholen von CO2 und beim Anlegen eines dezentralen strategischen Speicher-Vorrats mit Methanol, diese Chance gilt es zu nutzen.

Mit der fortlaufend gesteigerten Rückholung von CO2 aus der Atmosphäre und seiner Umwandlung zu Methanol würde eine dringende Klimaschutzforderung erfüllt. Die engagierte Rückholung von CO2 führt gleichzeitig zu einem hohen Sicherheitspolster an Speichermedien. Je mehr CO2 wir aus der Atmosphäre rückholen, desto größer wird das Sicherheitspolster gegen einen Langzeit-Blackout.

Schließlich kann man daran denken, dass das angesammelte Methanol auch als Grundstoff für langlebige kohlenstoffhaltige chemische Produkte Verwendung finden kann z.B. für Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe (das wäre dann die dritte Fliege, die wir mit einer Klappe erlegen). Wir sollten schon jetzt diese Möglichkeit nicht aus dem Auge verlieren. Aber jetzt müssen wir überhaupt erst einmal mit der CO2-Rückholung beginnen und dezentral die notwendige Hardware schaffen.

Notwendigkeit wirksamer Anreizprogramme

Was zu tun ist, ist hiermit im Prinzip erklärt, doch fehlen noch griffige Anreizprogramme.

  • Anreizprogramme zum Bau von dezentralen Anlagen zur Methanolsynthese aus dem CO2 der Atmosphäre
  • Anreizprogramm zum Errichten von dezentralen Methanoltanks für die Langzeitspeicherung und ihrer Befüllung mit synthetisch erzeugtem Methanol
  • zusätzliche Anreize für die weitere Errichtung von Methanoltanks als Kohlenstoffreserve für die Kohlenstoffchemie
  • und last not least, Anreizprogramme für mehr dezentrale Solar- und Windanlagen.

Das Grundprinzip dieser unterschiedlichen Anreizprogramme zu erarbeiten, ist derzeit eine der wichtigsten Aufgaben der Klimaschutz- und Energiewende-Vereine.




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