Sun for Future II - Ausblick 2050

Erstveröffentlichung am 03. Mai 2019 - Version vom 28. April 2020 - Lesedauer: 10 Minuten

Einleitung

Es wäre sehr wünschenswert, langfristig unterhalb des 2-Grad Zieles zu bleiben. Es könnte aber klug sein, nicht auf nur 1,5 bis 2 Grad Temperaturanstieg zu hoffen, sondern vorsorglich mit 3-4 Grad für die nächsten 40 bis 60 Jahre zu rechnen.


Die Auswirkungen der Klimakrise und die Aussichten von Klimaforschern bieten mir jedenfalls ausreichende Gründe, nicht nur die Energiewende, sondern auch die Nahrungsmittelversorung der Zukunft in den Blick zu nehmen.


Darum plädiere ich für einen Umbau der industriellen Landwirtschaft hin zu extensiv bewirtschafteten Agroforstsystemen mit vielfältigen Kulturpflanzen, um bei zu erwartenden Extremwettern, keine vollständigen Ernteausfälle beklagen zu müssen.

Warum Agroforstsysteme bei steigenden Temperaturen sinnvoll sind, zeigt der Waldmacher Tony Rinaudo in der Sahelzone. Vermutlich wird das aber nicht reichen, um eine sichere Nahrungsmittelversorgung zu gewährleisten. Daher wird die wetterunabhängige Produktion von Nahrung in Vertical-Farms und Gewächshäusern oder anderen geschützten Umgebungen zunehmen. 

Für noch mehr Sicherheit, empfehle ich auch die Produktion von Proteinen, Fetten und Kohlehydraten mit Hilfe von Bakterien in Bioreaktoren.

Landwirtschaft 5.0 im Jahr 2050 in Deutsch­land

So könnte es also im Jahr 2050 aussehen:


Im Jahr 2050 werden ca. 3 Millionen Hektar von ehemals knapp 17 Millionen Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche für sogenannte Biodiversitäts-Agrar-Solarparks genutzt. Dort haben sich vielfältige Offenland-Lebensräume gebildet. In Vertical-Farming-Anlagen werden wetterunabhängig mit Hilfe des Solarparkstroms Lebensmittel erzeugt. Insgesamt sind das ca. 3.000 Terawattstunden Strom pro Jahr. Der gesam­te, sektor­übergreifende Energiebedarf wird kostengünstig und mehr als ausreichend gedeckt.


Damit das riesige fluktuierende, unsichere Angebot mit Sonne-Wolken-Tag-Nacht-Sommer-Winter-Schwankungen den Strombedarf sicher bereitstellen kann, sind alle Solarparks mit Batteriespeichern für den Ausgleich der täglichen Schwankungen und mit Redox-Flow-Speichern zur Lanfgristspeicherung ausgerüstet. Die Solarparks lieferen so kontrollierbar Strom ins Stromnetz und an regional im Land verteilte Power-to-X Anlagen, die E-Wasserstoff, E-Methan, E-Methanol und E-Hitze erzeugen.


Deren Speicherung und Verteilung erfolgt über Gasleitungen, Schiffe, Züge, Lastwagen und Wärmenetze. Die bedarfsgesteuerte Rückverstromung erfolgt mit der Hilfe von Brennstoffzellen, Gaskraftwerken, KWK-Anlagen. Das ist ein Job für Stadtwerke, 
Netzbetreiber, Wohnungsgenossenschaften, Industriebetriebe, DB-Energie. Die bei allen Umwandlungsprozessen entstehende Abwärme wird über Wärmenetze mitgenutzt.


Auch ist die Reduzierung des Kohlendioxidgehaltes der Atmosphäre auf den vorindustriellen Wert von 280 ppm ist ein dringendes Projekt geworden, um den weiteren Anstieg der Temperaturen zu bremsen und irgendwann wieder umzukehren. Dazu wird Kohlendioxid direkt aus der Luft entnommen. CO2 hat sich vom Klimakiller zum wertvollen Rohstoff entwickelt.


In Form von Kohlenstofffaserverbindungen ergänzen und ersetzen sie Holz, Stahl und Beton im Bausektor. Flugbenzin, Treibstoff für Verbrennungsmotoren und Heizungsanlagen von Gebäuden wird daraus erzeugt. Die chemische Industrie freut sich über diese Alternative zum Erdöl .


Diese Projekte wurden in großem Maßstab gestartet, als die Energieversorgung mehrheitlich auf 100 % erneuerbar umgestellt war. Denn es bedarf extrem viel Energie, um mehr als 200 Jahre Verbrennung von fossilem Kohlenstoff innerhalb weniger Jahrzehnte rückgängig zu machen.


In Gewächshäusern, auch auf Dächern, Parkhäusern, Bürogebäuden, Schulen, Messehallen, etc., gedeihen Gemüse, Kräuter und Blumen. Der Strom aus Photovoltaik-Modulen in den Dächern und Wänden der Gewächshäuser treibt die CO2-neutrale Klimatechnik an. Vor allem in den immer heißer gewordenen Städten dienen sie auch als wetterunabhängige Treffpunkte mit gemütlichen Sitzecken und Cafés. Wer dort selber etwas anbauen möchte und keinen grünen Daumen hat, dem helfen Farmbots bei der Arbeit.


Die verbleibende Agrarfläche von ca. 14 Millionen Hektar wird extensiv und nachhaltig mit Agroforstsystemen bewirtschaftet, aufgeforstet oder in Naturschutzgebiete umgewandelt. Sogar ehemals trockengelegte Moore sind wieder das, was sie einmal waren: Viel Wasser und wertvolle CO2-Speicher.


Wenn notwendig, dann könnte man Nahrungsmittel auch in Bioreaktoren erzeugen. Das ist eine alte Idee der NASA zur Versorgung auf langen Weltraumflügen, umgedacht auf das Raumschiff Erde. Bakterien kürzen den Kohlenstoffkreislauf ab und erzeugen direkt aus CO2 Kohlenhydrate, Proteine und Fette. Lebensmittel­technologen ergänzen das mit Mikro­nährstoffen und Spuren­elementen und bringen es in essbare, appetit­liche Formen. Wie so ein "Bio-Food" aussehen könnte, erklärt der bayerische Rundfunk sehr anschaulich.


So könnte es im Jahr 2050 aussehen, wenn wir schrittweise und konstruktiv mit den viel­­fäl­tigen Anfor­derungen des Natur- und Artenschutzes, der En­er­gie­wende, den Folgen der Klima­krise und einer steigenden Weltbe­völk­er­ung umgehen.


Die Projekte Energiewende, Agrarwende, Naturschutz und damit der Erhalt einer lebens­werten Biosphäre stellen die gesamte Menschheit vor eine gewaltige Aufgabe. Diese Transformation ist aber nicht nur für die Natur sondern auch für die Wirtschaft eine lohnende Herausforderung.

Fazit

Meine Gedanken mögen auf den ersten Blick schwer verdaulich erscheinen. Dass wir einen Paradigmenwechsel in vielen Bereichen unseres Lebens benötigen, ist eigentlich keine Frage. Die Biosphäre so zu erhalten, damit alle Bewohner der Erde gut darin leben können, kann nicht gelingen, ohne unsere Lebensweise zu verändern. Global denken, lokal handeln ist am Ende unabdingbar.


Nahrung aus Vertical-Farms, Gewächshäusern oder gar aus Bioreaktoren, erscheint mir vernünftiger, als darauf zu hoffen, dass unsere "alte" Landwirtschaft mit den Folgen des Klimakrise einfach klar kommt.


Photovoltaik ist bei der Ernte von Sonnenlicht effizienter als Photosynthese. Solarstrombetriebenes Vertical-Farming, Gewächshäuser, Agro-Forstsyteme und Bioreaktoren liefern ausreichend und sicher hochwertige Nahrung. Das bedeutet weniger Druck auf die landwirtschaftlichen Nutzflächen und keine Monokulturen auf dem Feld.

Die geschundene Natur (Böden, Pflanzen und Tiere) wird sich bedanken und kann sich erholen. Freiwerdende Flächen nutzen wir für die Aufforstung. Das würde den CO2-Gehalt der Luft zusätzlich reduzieren.


Es könnte also in mehrfacher Hinsicht eine gute Strategie sein, Strom und Nahrungsmittel anders als heute zu erzeugen, denn:

  • Extreme Wetterlagen und weiter steigende Temperaturen werden Landwirtschaft aufwendiger, riskanter und teilweise unmöglich machen. Für die Sicherheit der Nahrungsmittelversorgung bei jedem Wetter dienen Vertical-Farming, Gewächshäuser, Agro-Forst-Systeme und Bioreaktoren.
  • Agroforstsysteme und das Aufforsten sorgen für eine Verringerung des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre. Flora und Fauna erholen sich und bieten Ökosystemdienst­leistungen ohne Ende.
  • Es gibt eine sichere, kostengünstige, sektorübergreifende Energieversorgung.
  • Mit Power-to-X Technologien werden die Brenn- und Basisrohstoffe für die Sektoren Energie, Mobilität, Gebäudeheizung und die Chemische Industrie erzeugt.
  • Zusatznutzen: Wenn wir so mit der Klimakrise umgehen, dann ist es leichter zu verschmerzen, wenn sich das 2-Grad Ziel nicht halten lässt.

Nachtrag 1: Eisenbahn im Jahr 2050

Die Bahn hat in den letzten Jahrzehnten kräftig in die Infrastruktur investiert. Nicht nur Mikroplastik aus Autoreifen hat dazu geführt, dass fast jedes Dorf in Deutschland einen gut angebundenen Bahnhof hat. Auch die Umlage der externen Kosten der Automobilität auf die KFZ-Steuer haben dazu beigetragen, den Bestand an privaten Automobilen radikal zu verkleindern. Zusätzlich sind alle größeren Städte zu nahezu autofreien Gebieten erklärt worden. Die Bahn ist zum Mobilitätsanbieter par excellence geworden.


Zusätzlich ist sie Strom- und Wärmeanbieter für Industrie und Privathaushalte im gesamten Bundesgebiet. Die Bahn hat ihre Bahnstromanlagen ausgebaut und umgerüstet. Solar- und Windparks liefern Strom ins nächstgelegene Unterwerk der Bahn in dort betriebene Speicher. Damit betreibt die Bahn ihre Wasserstoffproduktion per Elektrolyse. Der dabei freiwerdende Sauerstoff wird verkauft, der erzeugte Wasserstoff ins Wasserstoffpipelines (ähnlich dem heutigen Erdgasnetz) eingespeist, in lokalen Langzeitspeichern vorrätig gehalten.


Unter Zugabe von CO2 - in Waggons aus Zementfabriken angeliefert - wird in den Unterwerken zusätzlich mit Bakterien Wasserstoff zu ergasnetztauglichem Methan umgewandelt. Die biologische Methanisierung mit Bakterien funktioniert synchron zum schwankenden Stromangebot aus Solar- und Windparks bei 10 Bar Druck und 65 Grad Celsius. Die dabei anfallende Wärme wird über das Wärmenetz (siehe unten) genutzt. Es entfallen die Sicherheits- und Betriebsanforderungen der technischen Methanisierung, die bei 30 bar Druck und 400 Grad Celsius erfolgt.


Über das Erdgasnetz, an das alle Unterwerke angeschlossen sind, gelangt die Energie aus Sonne und Wind in Haushalte, Industriebetriebe und Gaskraftwerke. An Tankstellen ist E-CNG (komprimiertes erneuerbares Erdgas) der CO2-neutrale Treibstoff für Automobile.

(Anmerkung: CNG- statt Diesel-PKW und LKW wären übrigens die schon jetzt mögliche Lösung des Stickoxid Themas. In 2019 besteht CNG aus fossilem Erdgas und im Jahr 2050 aus E-Methan. CNG wird als sinnvolle Alternative zur Batterietechnik im Mobilitätssektor massiv unterschätzt.)


Aus dem in Batterien gepufferten Solar- und Windstrom in Verbindung  mit der Stromproduktion aus dem gespeicherten Wasserstoff und Methan, erzeugt die Bahn nicht nur den Bahnstrom, sondern liefert auch sicher und bedarfsgerecht Strom in das Mittel- oder Hochspannungsnetz.


Die Abwärme der Stromproduktion - immerhin 30-50 % der im Wasserstoff oder Methan gespeicherten Energie - sowie die Abwärme der biologischen Methansierung, wird über Wärmenetze an große und kleine Abnehmer im Einzugsgebiet verteilt, die damit heizen oder kühlen. Betriebe mit dauerhaftem oder temporärem Wärmeüberschuss können das Wärmenetz zusätzlich nutzen, um ihre Wärme einzuspeisen, anstatt ungenutzt in die Umwelt zu geben.

Nachtrag 2: Energiemix der Zukunft

Die Preisfrage wird ein wichtiges Kriterium für den Energiemix der Zukunft sein. Wenn  folgende, langfristigen Kosten in Eurocent je Kilowattstunde realistisch sind

  • 2 (Solarparks)
  • 4 (Windkraft an Land)
  • 5 (PV-Dach)
  • 6 (Windkraft auf dem Meer)


dann betragen die jährlichen Kosten in Euro für 3.000 Terawattstunden Strom:

  • 60 Milliarden, (Solarparks)
  • 120 Milliarden (Windkraft an Land)
  • 150 Milliarden (PV-Dachanlagen)
  • 180 Milliarden (Windkraft auf dem Meer)


Zum Vergleich: Deutschland importierte 2016 für ca. 52 Mrd. Euro fossile Rohstoffe in Form von Erdgas, Mineralöl und Kohle.


Neben den monetären Kosten sind auch die Belange des Umweltschutz (externe Kosten) und die Akzeptanz  bei den Bürgern (politische Kosten) zu beachten.


Das zeigt besonders die aktuelle Diskussion um die Windkraft, welche im Geo-Heft 8/2019 gut beleuchtet wird. Hier geht es direkt zum Artikel. Ein Akzeptanz-Problem gibt es bekanntermaßen auch Ausbau von Nord-Süd-Stromtrassen, die angeblich alternativlos sind.


Bei einem maximalen Potential von 200 Gigawattpeak Dach- und Fassadenanlagen, werden die insgesamt notwendigen 3.000 Gigawatt-Peak-PV-Leistung aus Preis-, Umweltschutz- und Akzeptanzgründen in der Hauptsache von Solarparks erzeugt werden. Es sei denn, jemand erfindet noch etwas Pfiffigeres.

Nachtrag 3: Energienetz der Zukunft

Derzeit haben wir ca. 100 Gigawatt herkömmliche Stromerzeugungskapazität am Stromnetz und das ist auch die maximale Strommenge, welche die Stromverbraucher als maximalen Momentanverbrauch abnehmen, ohne dass das Netz kollabiert. Es dürfte ein sehr gewagtes Unterfangen sein, das volatile Angebot an erneuerbarer Energie direkt mit dem Verbrauch zu koppeln zu wollen, wenn in 2050  der Großteil der erneuerbaren Energie mit Photovoltaik erzeugt wird.


Konsequent vom Ende her und zu Ende gedacht, wäre es - nicht nur für Dunkelflauten - sinnvoll, erneuerbare Energiequellen und Energieverbrauch zu entkoppeln. Ein weiterer Vorteil einer vollständigen Entkoppelung wäre auch, dass man mit spitzem Bleistift einfach auf die preiswerteste erneuerbare Energiequelle setzen kann.


Die Rolle zwischen Angebot und Nachfrage übernimmt dann das „X“ aus - hoffentlich bald kommenden - Power to X oder X to Power Anlagen.


X kann Wasserstoff, Methangas, Methanol, Wärme, Batterien, usw. sein. Dann könnte man den alten Kraftwerkspark in den nächsten Jahrzehnten gegen einen X2P-tauglichen Kraftwerkspark umbauen. Gerne auch an Standorten von Biogasanlagen. Wenn P2X- und X2P-Anlagen regional über ganz Deutschland verteilt wären, dann benötigt man keine zusätzlichen dicken Stromtrassen, sondern vielmehr Gasleitungen und gut ausgebaute Nah -und Fernwärmenetze. X2P-taugliche Anlagen können sehr gut von Stadtwerken betriebene Blockheizkraftwerke sein, befeuert mit Wasserstoff oder Methangas. Diese sorgen in Dörfern und Stadtquartieren für Strom und Wärme. Die bei allen P2X und X2P Prozessen anfallende Abwärme könnte man auf diese Weise nutzen und nicht nur in die Umwelt blasen.


Das Energienetzdesign der Zukunft verlangt eine gemeinsam Planung von Strom-, Gas- Fern- und Nahwärmenetz.