Die Begriffe „theoretisches Potenzial“, „technisches Potenzial“ und „wirtschaftliches Potenzial“ der erneuerbaren Energien sind seit langem etabliert. Planetare Grenzen spielten bisher kaum eine Rolle für die Berechnung der Potenziale für die Energienutzung aus erneuerbaren Quellen. Ein Empa-Team rund um Harald Desing aus der Abteilung „Technologie und Gesellschaft“ geht nun dieser Frage nach.

Energiebilanz des Erdsystems berücksichtigen

Der weitaus größte Teil der ins Erdsystem eingebrachten Energie ist Sonnenstrahlung. Hinzu kommen geringe Anteile planetarer Bewegungsenergie und Erdwärme. Diese Energieströme halten die Funktionen der Erde und ihrer Teilsysteme in Betrieb. Sonnenlicht geht dabei in andere Energieformen über – Bewegungsenergie in Form von Wind oder Meeresströmungen, oder chemisch gespeicherte Energie in Biomasse. Hierfür wird aus den eingehenden Energieströmen die arbeitsfähige Energie, die sogenannte Exergie, entzogen. Unabhängig davon, wie viele Umwandlungen die Energie durchläuft, wird am Ende die gleiche Menge, die aufgenommen wurde, wieder ins All abgegeben – zumindest, wenn man den Klimwandel erst einmal außen vor lässt. Dadurch bleibt das System im Gleichgewicht. Indem Menschen wachsende Anteile der erneuerbaren Energieströme für ihre Aktivitäten abzweigen, reduziert sich die dem Erdsystem zur Verfügung stehende Exergie.

Planetare Grenzen der Energienutzung

Die Untersuchungen des Empa-Teams ergaben, dass 99.96% Prozent der aus dem All auf die Erde eintreffende Energie für den Antrieb des Erdsystems und der Nahrungsmittelproduktion benötigt werden. Lediglich 0,04 Prozent stehen also überhaupt für die technische Nutzung zur Verfügung. Das ist etwa das zehnfache des heutigen Energiebedarfs.

Hinzu kommen die 2009 definierten „Planetaren Grenzen“ des Erdsystems. Eine davon ist die Änderung von Landnutzungen – zum Beispiel für Äcker, Siedlungen oder eben Photovoltaikanlagen und Bioenergie. Daneben haben Solarparks auch Auswirkungen auf das Regionalklima: Sie verändern im Vergleich zu Vegetationsflächen die Rückstrahlung von Wärme ins All, die Verdunstung und somit den Wasserkreislauf und die Biodiversität. Ähnliches gilt für Bioenergiepflanzen. Ziel muss es also sein, die Energieform zu nutzen, die sich am wenigsten auf die Planetaren Grenzen auswirkt.

Solarenergie auf versiegelten Flächen ist am effizientesten

Die Forscher haben das aus den Planetaren Grenzen resultierenden Potenzial erneuerbarer Energien in elektrische Energieäquivalente umgerechnet. Wenig überraschend kommen sie zu dem Schluss, dass Photovoltaik wegen der geringen Umwandlungsverluste die effizienteste Nutzungsform ist. Fast alle erneuerbaren Energieressourcen – auch Wind- und Wasserkraft und die Biomasseproduktion – werden schließlich von der Sonne angetrieben.

Um die planetaren Grenzen nicht weiter zu strapazieren, sollten zunächst alle bereits versiegelten Oberflächen für Solarenergie genutzt werden. Das sind Gebäudedächer und Fassaden, aber auch Straßen, Schienenwege und Parkplätze. Diese Fläche würde genügen, um eine globale 2000-Watt-Gesellschaft zu versorgen. Nimmt man elektrischen Strom als Maßstab, ist die Photovoltaik dabei die effizienteste Technologie.

Wüstenregionen als Reserve

Steigt der globale Pro-Kopf-Bedarf an Energie auf das Niveau der Schweiz, reichen die versiegelten Flächen nicht mehr aus. Dann könnten Wüstenflächen als Reserve dienen. Ein kleiner Teil von deren Fläche würde genügen. Technisch und logistisch ist diese Energiegewinnung jedoch aufwändig.

Andere Potenziale, z.B. aus Wind und Biomasse, bieten keinen grundsätzlichen Ausweg. Sie sind um Größenordnungen kleiner das Solarpotenzial und zum Teil bereits übernutzt. Trotzdem können sie lokal eine bedeutende Rolle spielen. So ließe sich auch der Bedarf an Energiespeichern reduzieren. Dieser wurde in der Studie allerdings nicht untersucht.

Im nächsten Schritt sind natürlich auch bei den Empa-Ergebnissen die technischen und wirtschaftlichen Faktoren zu berücksichtigen. Das sind zum Beispiel die Verfügbarkeit von Rohstoffen, Finanzkapital und Arbeitskraft. Hinzu kommen die planetarischen Grenzen der Lieferkette, also die Umweltauswirkungen bei der Rohstoffgewinnung, Produktion, Betrieb und Entsorgung der Erzeugungsanlagen und Infrastruktur.

12.5.2021 | Quelle: Empa | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH.com