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Erde+Klima

Öko-Energie: Wo liegen die Grenzen?

Erde
Erde bei Nacht. (Bild: NASA/GSFC)

Erneuerbare Energien gelten als natürliche und umweltschonende Alternativen zu fossilen Brennstoffen. Aber mit der Nutzung von Wind, Sonne und Co greifen wir auch in die natürlichen Energieflüsse der Erde ein. Wie viel Energie wir dem Erdsystem „abzapfen“ dürfen, bevor planetare Belastungsgrenzen überschritten werden, haben nun Forscher ausgerechnet. Zudem haben sie ermittelt, welche Form der erneuerbaren Energien in dieser Beziehung am effektivsten ist.

Die Menschheit verbraucht mehr Ressourcen als die Erde dauerhaft liefern kann. Zudem produziert der Mensch jährlich Millionen Tonnen Plastik, die als Müll in der Umwelt landen. Dadurch gefährden wir bereits einen Großteil der Ökosysteme, das Klima und die Artenvielfalt. Um die Erde zu entlasten, fordern immer mehr Forscher das Konzept der nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. Dabei sollen Materialien möglichst lange genutzt, aufbereitet und wiederverwendet werden, um nicht als Abfall verloren zu gehen. In einer wirklich nachhaltigen Gesellschaft müssen aber nicht nur die Materialflüsse, sondern auch die Energieströme innerhalb der Grenzen bleiben, die unser Heimatplanet uns setzt.

Wie viel Energie kann die Menschheit „abzapfen“?

Eine zentrale Frage lautet demzufolge: Steht global genügend erneuerbare Energie für unser nachhaltiges Wirtschaften zur Verfügung, ohne die planetaren Grenzen zu überschreiten? Das haben Wissenschaftler um Harald Desing von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa untersucht. Dazu betrachteten sie zunächst, wie groß der Anteil an erneuerbaren Energien sein darf, den die Menschen von den natürlichen Energieströmen der Erde abzweigen. Denn die Erde nutzt selbst etwa die Sonnenenergie, um unter anderem die Ozeane, die Atmosphäre und Wälder, aber auch reflektierende Eisflächen damit „in Betrieb zu halten“. Die meisten dieser Teilsysteme wandeln die größtenteils über die Sonneneinstrahlung gelieferte Energie in weitere Energieformen um, zum Beispiel in Wind- und Wasserströmungen oder Biomasseproduktion. Unabhängig von der Nutzung, ob im natürlichen Erdsystem oder der von Menschen erschaffenen Technosphäre, wird die gesamte Energie letztlich wieder ins All abgestrahlt.

Nutzt der Mensch nun die natürlichen Energieströme der Erde mit, reduzieren sich die dem Erdsystem zur Verfügung stehenden Anteile. Solche Störungen kann das Erdsystem nur bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Sind sie zu groß, können sogenannte Kipppunkte überschritten werden. Dadurch kommt es zu schnellen und irreversiblen Veränderungen im Erdsystem, beispielsweise schmelzen die Polkappen, was wiederum den Klimawandel beschleunigt. Um das zu verhindern, darf die Größe der zur Energiegewinnung genutzten Landfläche nicht über der Belastungsgrenze der Erde liegen. Zudem ist entscheidend, auf welche Weise die Fläche genutzt wird: Beispielsweise stört der Bau von Solaranlagen in ehemaligen Waldgebieten unter anderem die Biodiversität, die Verdunstung von Wasser sowie die Rückstrahlung von Wärme ins All. Die gleichen Obergrenzen wie für die solare Nutzung gelten auch für die Nutzung chemischer Energie beispielsweise aus Biomasse.

Um diese Aspekte und Einflussfaktoren untersuchen zu können, hat das Forschungsteam die verschiedenen Potenziale an erneuerbarer Energie in elektrische Energieäquivalente umgerechnet. Dabei legten sie diesen Berechnungen die Wirkungsgrade heute verfügbarer Kraftwerkstechnik zugrunde. Auf diese Weise konnten sie ermitteln, wie viele Energie die Menschheit dem Erdsystem entziehen und für sich nutzen darf und welche erneuerbaren Energien dabei am „sparsamsten“ sind.

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0,04 Prozent dürften wir nutzen

Das Ergebnis: Einen Großteil der zur Verfügung stehenden Energie benötigt das Erdsystem selbst. 99,96 Prozent der aus dem All auf die Erde eintreffende Energie werden demnach für den Antrieb des Erdsystems und die Nahrungsmittelproduktion benötigt. Sollen keine planetaren Grenzen überschritten werden, kann die Menschheit daher nur 0,04 Prozent der Gesamtenergie technisch nutzen – also für Stromerzeugung, Wärmegewinnung und Ähnliches, wie Desing und sein Team ermittelten. Allerdings liegt dieses Potenzial immer noch etwa um das Zehnfache über dem heutigen globalen Energiebedarf.

Die Berechnungen ergaben auch: Am effektivsten wäre eine Energiegewinnung mittels Solarenergie, weil dabei die geringsten Umwandlungsverluste anfallen. Denn fast alle erneuerbaren Energieressourcen – auch Wind- und Wasserkraft sowie die Biomasseproduktion – werden letztlich von der Sonne angetrieben. Nutzt man die Sonnenenergie direkt, geht daher weniger Energie verloren. Alle weiteren Energiepotentiale, beispielsweise aus Wind oder Biomasse, sind um Größenordnungen kleiner als die direkte Nutzung der Sonnenenergie – und sie sind zum Teil bereits übernutzt, wie das Forschungsteam erklärt. Trotzdem können sie lokal eine bedeutende Rolle spielen, insbesondere, weil sie den Bedarf an Speicherkapazitäten verringern können.

Solarenergie: Die Tücke liegt in der Umsetzung

Am günstigsten und schonendsten wäre es nach Angaben des Teams, wenn weltweit alle bereits versiegelten Oberflächen, wie zum Beispiel Gebäudedächer und Fassaden, aber auch Straßen, Schienen und Parkplätze, für die Solarenergie genutzt werden. Allein diese Flächen würden ausreichen, um eine globale Gesellschaft mit mittlerem bis geringem Stromverbrauch zu versorgen, so die Forscher. Bei höherem Bedarf müssten Wüstenflächen mitgenutzt werden. Das ist jedoch technisch und logistisch aufwändig und deshalb nur sinnvoll, wenn wirklich alle anderen Möglichkeiten ausgeschöpft sind.

Allerdings hat auch die Solarenergie-Nutzung ihre Grenzen, wie Desing und seine Kollegen betonen. Zwar bietet sie theoretisch großes Potenzial für die Energiegewinnung in der nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. Die tatsächlich verfügbare Menge an Energie wird aber kleiner sein. Denn es gibt zahlreiche Faktoren, die den praktischen Einsatz solcher Anlagen limitieren. Dazu gehören unter anderem die Verfügbarkeit von Rohstoffen, aber auch Finanzkapital und Arbeitskraft für den Bau der Solaranlagen. Zudem haben Rohstoffgewinnung und Produktion, sowie Betrieb und Entsorgung der Anlagen teils erhebliche Umweltauswirkungen. Hinzu kommen Kosten, Aufwand und Umwelteingriffe für die Infrastruktur, beispielsweise für die Energieverteilung, und -Speicherung.

Quelle: Empa, Fachartikel: Energies, doi: 10.3390/en12244723

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