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Energieforschungskonzept

  1. 1. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND InhaltsvErzEIchnIs Zusammenfassung (Executive Summary) 5 Teil I: Einleitung 9 – Ausgangssituation 9 – Der systemische Ansatz der energieforschung als zentrales element 13 – Notwendige prämissen der energieforschung 14 – Aufbau dieses energieforschungskonzepts 15 Teil II: No Regret-Forschungsschwerpunkte 17 – einleitung 17 – Die energieeffiziente stadt als integrativer forschungsansatz 17 – innovationen und marktdurchdringung 22 – ziele und instrumente 22 – Nutzerverhalten und Konsum 24 Teil III: Forschungspotenziale für eine langfristig gesicherte und nachhaltige Energiezukunft 25 – einleitung 25 – modul 1: erneuerbare energien 26 – modul 2: fossile energien 33 – modul 3: Kernenergie 43 Teil IV: Wissenschaftliche Querschnittsthemen für den Übergang zu einer 48 nachhaltigen Energiegesellschaft – Naturwissenschaftliche grundlagen von energietransferprozessen 48 – szenarienbildung und Krisenmanagement 49 – märkte, staat und zivilgesellschaft (governance) 50 – Technikfolgenabschätzung und risikoanalyse 51 Teil V: Leitlinien für eine integrative Energieforschung 52 – grundsätzliche strukturelle Anforderungen 52 – handlungsempfehlungen 53 – empfehlungen für die staatliche forschungsförderung 54 – Kapazitäten für die Nachwuchsförderung 55 Teil VI: Ausblick 57 Anhang 58 3
  2. 2. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND impressUm: herausgeber: Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina emil-Abderhalden-str. 37 06108 halle/saale acatech – DeUTsche AKADemie Der TechNiKWisseNschAfTeN geschäftsstelle residenz münchen hofgartenstr. 2 80539 münchen hauptstadtbüro e-Werk, Bauteil e mauerstr. 79 10117 Berlin Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften Jägerstr. 22/23 10117 Berlin layout und satz: pm-grafikDesign im alten Weg 7 63607 Wächtersbach Druck: seltersdruck gmbh 65618 selters/Ts. Juni 2009 4
  3. 3. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND zUsammEnFassUng Zusammenfassung (Executive Summary) Die energieforschung in Deutschland muss alle optionen für die zukünftige Energieversorgung im spannungsfeld von Klima- und Umweltschutz und versorgungssicherheit zu wirtschaftlich vertretba- ren Kosten bereitstellen. Nur so eröffnet sie der politik einen langfristigen handlungs- und entscheidungs- spielraum. hierbei liegen schwerpunkte der forschung sowohl auf der Angebotsseite (Bereitstellung und Verteilung) wie auch auf der Nachfrageseite (Anreize für nachhaltige energieversorgung, neue Konsum- modelle und Akzeptanz durch regierungen, Wirtschaft, zivilgesellschaft und individuen). Um den Weg für die Umsetzung zukünftiger Technologieoptionen und maßnahmen offenzuhalten, muss die forschung dabei die Unabhängigkeit besitzen, auch über längere zeiträume Aspekte zu bearbeiten, die gegenwärtig nicht im mittelpunkt der politischen handlungsoptionen liegen. Dies ist besonders drin- gend vor dem hintergrund, dass die politischen, sozioökonomischen, ökologischen und klimatischen randbedingungen und handlungsoptionen der politik für die nächsten 20, 50 oder gar 100 Jahre kaum vorhersehbar sind. Bei der Betrachtung der gegenwärtigen forschungslandschaft wird deutlich, dass häufig – meist rein technologische – einzelaspekte der Bereitstellung, Wandlung, Verteilung, speicherung und Nutzung von energie im zentrum stehen, was den Blick auf das gesamtsystem verstellt. Dreh- und Angelpunkt der energieforschung muss jedoch eine systemische Perspektive sein. Die technischen und organisatori- schen Lösungen für den notwendigen übergang in eine nachhaltige energieversorgung lassen sich nur in dem komplexen Umfeld von technischen, sozialen, politischen, kulturellen und wirtschaftlichen Wechsel- beziehungen beurteilen und effektiv umsetzen. im zeitalter der globalisierung ist die energieforschung dabei auf eine integrative und internationale perspektive angewiesen. folgende Forschungsfelder können diese Leitlinien umsetzen: eine zukünftige energieversorgung muss zwingend Effizienzpotenziale ausschöpfen. Dieses gilt so- wohl für bestehende wie auch für zukünftige systeme entlang der gesamten Prozesskette – von der Bereitstellung über den transport und die speicherung bis hin zur nutzung. Besondere chancen bieten sich in einer vernetzten energieoptimierung in urbanen Ballungszentren unter einbeziehung von stadtplanung, raumordnung, gebäudeauslegung, integrierten mobilitätskonzepten sowie in die- sen systemzusammenhang passenden Technologien wie intelligente Wärme und stromsteuerung in haushalten und integrierte Abwärmenutzung (Energieeffiziente stadt). gleiches gilt für großenergie- verbraucher wie die stahl- und zementindustrie. mittelfristig werden weltweit die fossilen Energieträger bedeutend bleiben. Da bei ihrer Verbren- nung klimarelevantes co2 anfällt, ist eine weitgehende Entkarbonisierung des energiesystems eine schlüsselaufgabe. Wichtig ist dabei, dass alle optionen der entkarbonisierung vergleichend unter- sucht und ihre Nebenwirkungen auf Wirtschaft, Umwelt und gesellschaft abgeschätzt werden. op- tionen wie die Abtrennung und speicherung des Kohlendioxids (ccs: carbondioxide capture and storage) oder die Nutzung von co2-senken müssen dabei auf ihre technische machbarkeit, Langzeit- sicherheit, Wirtschaftlichkeit, Kompatibilität mit dem restlichen energieversorgungssystem und der Vereinbarkeit mit den Werten und präferenzen der Bürgerinnen und Bürger überprüft werden. 5
  4. 4. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND zUsammEnFassUng Bei allem Bemühen um eine effiziente Nutzung der bisher eingesetzten primärenergieträger wer- den innovative technologien der Bereitstellung dringend benötigt. entwicklungslinien mit hohem forschungsbedarf sind photovoltaik, offshore-Windanlagen, grundlastgeeignete Kraftwerke für tiefe geothermie, solarthermische großkraftwerke in südeuropa mit den entsprechenden Konsequenzen für speicherung und Transportnetze sowie Kernkraftwerke der 4. generation. Unabhängig davon, ob Deutschland den pfad der Kernenergienutzung weiter verfolgt, ist die erforschung neuer nuklearer Technologien vor allem auch im hinblick auf die Verbesserung der sicherheit und die endlagerung eine zukunftsaufgabe, an der sich Deutschland aus nationalem und weltweitem interesse wie aus Verantwortung für die globale energieversorgung beteiligen sollte. Bei der erschließung nicht-kon- ventioneller Öl- und gasvorkommen sollte Deutschland auf den forschungsfeldern mitwirken, auf denen ein wissenschaftlicher oder technologischer Vorsprung vor Ländern besteht, die über die entsprechenden Lagerstätten verfügen. eine langfristig besonders vielversprechende option ist die Kernfusion, deren erforschung in den etablierten internationalen Kooperationen weiter vorangetrieben werden sollte. Begleitend ist die erforschung der Bedingungen erforderlich, unter denen innovative Lösungen entstehen und sich im markt etablieren, sowie auch die Barrieren, die innovationen im energiesystem verhindern. Die eignung verschiedener Arten von Biomasse für die energetische Nutzung sollte neu überprüft und die forschung unter Berücksichtigung von skaleneffekten und unter systemischen gesichts- punkten (Nahrungsmittel-Konkurrenz, hoher Wasserbedarf, Umweltverträglichkeit, Logistik, Basis des mobilitätssystems, Biomasse als co2-senke, Bioökonomie) vorangetrieben werden. hierbei soll- te das potenzial moderner Verfahren der Biomasseverwertung (Verfahren der 2. generation) durch intensive forschung eruiert und weiterentwickelt werden. für die in zukunft stärker diversifizierten Bereitstellungstechnologien müssen verlustarme netzkon- zepte entwickelt werden, mit denen auf schwankungen oder auf störungen flexibel reagiert werden kann. hierzu wird eine hoch entwickelte Netzsteuerung mit fortgeschrittenen speichertechnologien zu kombinieren sein. Die speichertechnologien müssen deutlich weiterentwickelt werden, da sowohl direkte elektrische als auch thermische, mechanische sowie stoffliche speicher zukünftig wichtige Bausteine einer integrierten Netzstruktur sein werden. im sinne der systemischen perspektive ist auf eine optimale Auswahl und Kopplung von Netz- und speichertechnologien sowie auf interaktionen mit den markt-, Vertrags- und rechtssystemen der beteiligten staaten besonders zu achten. Bei den verschiedenen Nutzungsformen ist besonders die forschung im Bereich der mobilität gebo- ten, da hier der energieverbrauch weltweit kontinuierlich. zu erwarten ist eine mittelfristige Umstellung des individualverkehrs auf elektroantriebe. im fokus sollte dabei die erforschung der potenziale und der probleme bei einer Umstellung des individualverkehrs auf elektroantriebe stehen. Dabei kommt der Batterieforschung, auch jenseits der Lithium-ionen-Batterie, besondere Bedeutung zu. grund- sätzlich muss eine stärkere Integration technologischer und gesellschaftlicher mobilitätskon- zepte untersucht werden, wozu auch die integration von elektrofahrzeugen in die Netzinfrastruktur gehört. hohe Temperaturen, verbunden mit aggressiven medien oder hohen Neutronenflüssen, erfordern neue materialien für den Einsatz unter extremen Bedingungen (z. B. für effizientere thermische, solarthermische oder nukleare Kraftwerke). Basierend auf der stärke der material- und Werkstoff- forschung in Deutschland sollte dieses fue-gebiet in Deutschland schnell und effizient ausgebaut werden. 6
  5. 5. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND zUsammEnFassUng Unabhängig von der Umsetzung von Technologien besteht aber auch die Notwendigkeit, das grund- legende verständnis von energieübertragenden Prozessen auf molekularer ebene zu verbessern, insbesondere von mehrelektronen-Transferprozessen, auch über phasengrenzen hinweg. ein enges zusammenspiel von chemie, physik und Biologie kann hier die grundlage für die optimierung be- stehender Verfahren und für die entwicklung ganz neuer Technologien bilden. entscheidungen in energiepolitik und energieforschung erfolgen vor dem hintergrund von Annahmen über zukünftige entwicklungen („Energiezukünfte“) Diese Annahmen betreffen z.B. die Verfügbar- keit und sicherung der wirtschaftlichen Versorgung angesichts geopolitischer Verschiebungen, die Wirksamkeit von Anreizsystemen und die Abschätzung von Kosten und folgen im gesamten zy- klus (Vollkostenrechnung), die reichweite von internationalen Vereinbarungen oder die Akzeptanz von Technologien oder Lebensstiländerungen. zur Ausgestaltung des notwendigen übergangs in eine nachhaltige energieversorgung benötigt die energiepolitik deshalb integrierte modelle und szenarien, die in der Lage sind, verschiedene handlungsoptionen, deren voraussichtliche Vor- und Nachteile sowie deren Umsetzungschancen zuverlässig abzuschätzen – und zwar mit allen Unsi- cherheiten, die damit verbunden sind. Die forschungsaktivitäten sind vor allem auf die interaktionen zwischen den Bereichen Technologieentwicklung, Diffusion von innovationen, rechtliche und ethische Bewertungen, staatliche regulierung sowie sozio-politische Anreize und Barrieren auszurichten. Be- sonderes Augenmerk muss dabei auf die globale situation und die möglichkeiten internationaler Ko- operation gelegt werden. Die bisher erreichten einsparungen im energieverbrauch durch Verbesserungen der effizienz wurden weltweit immer wieder durch den mehrkonsum von energiedienstleistungen in nahezu allen Ländern überkompensiert. Dem Thema nachfrage nach Energiedienstleistungen sollte künftig wesent- lich mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden. ein schwerpunkt liegt dabei auf der systematischen und praxisorientierten instrumentenforschung. Bis heute ist weitgehend ungeklärt, welche ökono- mischen, rechtlichen und politischen steuerungsinstrumente die energie- und klimapolitischen ziele effektiv, effizient, rechts- und sozialverträglich erfüllen helfen und wie sich diese in die globalen rechts- und governance-strukturen wirksam einbinden lassen. Dies erfordert die entwicklung völlig neuer integrativer forschungsansätze. Vor allem sind sogenannte second Best-strategien zu erforschen, die dann greifen, wenn beispielsweise ein weltweit geltendes klimapolitisches Abkom- men nicht zustande kommt. Die energiepolitik braucht mehr Wissen darüber, in welcher Wei- Abb. 1: Handlungsfelder der Energieforschung se psychologische, kulturelle und institutionel- le Kontextbedingungen die Nachfrage nach energiedienstleistungen und die Akzeptanz von energietechnologien und energiepoliti- schen maßnahmen beeinflussen. Das zusammenspiel aller angesprochenen – und in Abbildung 1 schematisch dargestellten – for- schungsfelder lässt sich nur durch eine systemi- sche herangehensweise, unter einbeziehung von expertise aus unterschiedlichen Wissenschaftsbe- reichen, adäquat bearbeiten. energieforschung wird in Deutschland an Universi- täten, großforschungszentren, in max-planck- und fraunhofer-instituten und in der industrie durchge- 7
  6. 6. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND zUsammEnFassUng führt. eine solche pluralität an energiebezogenen forschungseinrichtungen im grundlagen- wie Anwen- dungsbereich ist grundsätzlich positiv zu beurteilen. Um die notwendigen forschungsanstrengungen in Deutschland effizient umzusetzen, ist aber eine geeignete Koordinationsstruktur zu schaffen, weil sich sonst die erforderliche systemische sichtweise nicht durchsetzen wird. für eine kontinuierliche, interdisziplinäre und systemische Arbeit auf dem feld der energieforschung ist in Deutschland mindestens ein großes Forschungszentrum erforderlich, das großtechnische Vorhaben breit und multidisziplinär in Kooperation mit industrie, Universitäten und außeruniversitäre forschungsein- richtungen durchführt. in einem solchen zentrum, das idealerweise aus bestehenden strukturen – etwa aus einem oder mehreren helmholtz-zentren – entwickelt würde, sollten alle Aspekte der energiefor- schung, von den Technikwissenschaften über die Naturwissenschaften bis hin zu den sozial- und geis- teswissenschaften, vereint werden. ein derartiges zentrum muss in der Lage sein, Technologien durch forschung und entwicklung bis zur marktreife zu betreuen. Die finanzierung muss langfristig gesichert sein. Wegen der Bedeutung der wissenschaftlichen Ausbildung des Nachwuchses muss Wert auf eine enge Anbindung an universitäre forschung und Lehre gelegt werden. Den Universitäten kommt in einer zukünftigen struktur eine besondere Bedeutung zu, da sie in vielen Be- reichen der energieforschung spitzenleistungen erbringen sowie den wissenschaftlichen nachwuchs für die Energieforschung ausbilden. Um bei den Universitäten den systemischen charakter der for- schung zu stärken, sind einerseits themenspezifische Verbünde und andererseits interdisziplinäre Ex- zellenz-cluster oder Kompetenzzentren dringend zu empfehlen. Auf diese Weise können bestimmte problembereiche der energieversorgung und der energienachfrage interdisziplinär und vernetzt erforscht werden. in der Lehre fehlt es an fundiert, breit und fachübergreifend ausgebildetem Nachwuchs im Be- reich energie. hier sollten vor dem hintergrund des Querschnittcharakters des Themas energie enge Verknüpfungen zwischen Disziplinen wie maschinenbau, material- und Werkstoffwissenschaften, elektro- technik, chemie, physik, Biologie, Volkswirtschaftslehre und sozialwissenschaften hergestellt werden. entsprechende studiengänge sollten etabliert werden. promotionen und promotionskollegs mit einem solchen übergreifenden forschungsansatz sind zur Nachwuchssicherung empfehlenswert. hinsichtlich der notwendigen Kooperation zwischen hochschulen, außeruniversitären forschungseinrich- tungen und der industrie ist die projektförderung in ihrer derzeitigen struktur für die energieforschung meist noch zu diskontinuierlich und für forscherinnen und forscher an den hochschulen oft wissenschaftlich nicht attraktiv genug ausgestaltet. zur Verbesserung dieser situation sollte die förderung verstärkt auf die genannten Verbünde, cluster und zentren konzentriert werden, um den bestmöglichen Wirkungsgrad der fördermittel zu erreichen. Dennoch sollte immer auch raum für innovative einzelansätze bleiben. Die förderung der energieforschung in Deutschland hat in den letzten Jahren schon zunehmend interdis- ziplinäre Aspekte und eine systemische Betrachtung einbezogen. Dennoch ist die systemische sicht in der energieforschung noch zu wenig verbreitet, was sich auch in einer fragmentierung der zuständigkei- ten in der forschungsförderung niederschlägt. effiziente energieforschung bedarf aber klarer zuständig- keiten. Daher sollte ein mit richtlinienkompetenz ausgestatteten gemeinsamen Koordinierungsgremium „energieforschung“ (mit einer struktur wie die BW+ initiative des Landes Baden-Württemberg) etabliert werden, in dem neben den ressorts auch unabhängige Wissenschaftler vertreten sein sollten. ein solches gremium würde die vielfach zu einzelnen förderprogrammen existierenden Beiräte ablösen. Alternativ dazu könnte die zuständigkeit für die energieforschung sogar in einem ressort zusammengeführt wer- den. einem solchen ministerium sollte ein wissenschaftlicher Beirat zur seite gestellt werden. im Aufbau eng gekoppelter und vernetzter strukturen liegt eine der größten chancen für eine effiziente, zielgerichtete und nachhaltige energieforschungspolitik. 8
  7. 7. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND EInlEItUng I I Einleitung Ausgangssituation Die Vereinbarkeit von energieversorgungs- und Klimaschutzzielen gehört zu den zentralen her- innovative forschung ist Deutschlands wichtigs- ausforderungen der gegenwart. Auf dem Kopen- te ressource und Basis für die entwicklung rea- hagen-gipfel im Dezember 2009 dürften die listischer optionen zur gestaltung der künftigen Klimaschutzziele eine weitere Verschärfung er- Energieversorgung im spannungsfeld von Kli- fahren. zunehmend tritt angesichts der globalen ma- und Umweltschutz auf der einen und ver- entwicklung auf den Weltenergiemärkten auch sorgungssicherheit zu vertretbaren Kosten auf das Thema verteilungsgerechtigkeit auf die der anderen seite. Damit dies gelingt, ist eine sys- politische Agenda. Konflikte zwischen diesen zie- temische sichtweise unabdingbar. Diese erfor- len werden nicht nur im hinblick auf unterschied- dert eine enge und vernetzte zusammenarbeit der liche entwicklungen in den oecD-staaten und Wissenschaften über den gesamten zyklus der den schwellenländern oder bei einem zwischen- energieumwandlung von der Bereitstellung über staatlichen Vergleich der industrieländer deutlich, die Verteilung bis zur Nutzung der energie. Da die sondern zeigen sich bereits in den stufen der politischen, sozioökonomischen, ökologischen energieversorgung entlang der prozesskette Be- und klimatischen randbedingungen ebenso wie reitstellung – Verteilung – Nutzung. der wissenschaftlich-technische fortschritt für die nächsten 20, 50 oder gar 100 Jahre kaum vor- Die primärenergieversorgung (Abbildung 2) in hersehbar sind, muss die energieforschung ab- Deutschland wird heute zu etwa 80 % durch fos- sehbare entwicklungen antizipieren und auf über- sile energieträger gedeckt. Auch in den nächsten raschende Änderungen der Bedingungen flexibel zwei Jahrzehnten werden Kohle, gas und Öl die reagieren. Diese Anforderung bedingt, dass Wis- mit Abstand wichtigsten energieträger sein. Die senschaft auch über längere zeiträume unabhän- stromproduktion (Abbildung 3) in Deutschland gig die Aspekte bearbeiten kann, die nicht im fo- wird gegenwärtig zu 60 % durch Kohle und gas kus der tagespolitischen Aufmerksamkeit liegen. gesichert, zu 22 % aus Kernenergie und zu 14 % Abb. 2 und 3: Primärenergieverbrauch (links) und Stromproduktion (rechts) in Deutschland in den Jahren 2007 bzw. 2008 (Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V.) Sonstige Übrige Energieträger 8 % einschl. Außenhandel Strom 0,0 (0,0) % Erneuerbare Energie 7,4 (7,0) % Mineralöl 34,7 (33,4) % Windkraft 6 % Braunkohle 24 % Kernenergie 11,6 (11,1) % Wasserkraft 4 % Mineralölprodukte 2 % Braunkohle 11,1 (11,6) % Erdgas 14 % Steinkohle 13,1 (14,3) % Erdgas 22,1 (22,6) % Steinkohle 19 % Kernenergie 23 % 9
  8. 8. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND I EInlEItUng aus regenerativen energiequellen. gleichzeitig gerungen besonders wichtig. einige der Aktivitä- werden die 2020-Klimaschutzziele mit hohem ten in der energieforschung sind – unabhängig von Druck verfolgt. den Ausgangsbedingungen, energiepolitischen Weichenstellungen und der sozioökonomischen Dies unterstreicht die Notwendigkeit, mittel- und entwicklung – von hoher Bedeutung für zukünf- langfristig nach Wegen zu suchen, die fossilen tige energiesysteme. Diese maßnahmen sollten energieträger sukzessive zu ersetzen und kurzfris- in jedem falle bei der entwicklung von energie- tig maßnahmen der einsparung und effizienzstei- forschungskonzepten berücksichtigt werden. sie gerung vorzunehmen. Diese Ansätze müssen in sind unter dem stichwort No regret-strategien allen Verbrauchssektoren verfolgt werden, weil sie im anschließenden Kapitel näher dargestellt. alle in etwa dem gleichen Ausmaß energiedienst- leistungen in Anspruch nehmen. insbesondere in Der übergang zu einem neuen energiesystem der Umwandlung von energie treten beträchtliche wird nicht frei von zielkonflikten sein. Die energie- Verluste auf (Abbildung 4); hier sind effizienzstei- dichte regenerativer energiequellen ist überwie- Abb. 4: Energieflussdiagramm 2007 für die Bundesrepublik Deutschland. Zahlenangaben in Millionen Tonnen Steinkohleeinheiten (SKE) (Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V.) 10
  9. 9. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND EInlEItUng I gend gering. ihre Nutzung erfordert daher mehr Abfälle für mehrere zehntausend Jahre sicher material, flächen und Aufwand für die Bereitstel- gegen die Biosphäre abzusichern, wird kontro- lung der gewünschten energiedienstleistung. vers diskutiert. Die fusionsforschung verspricht eine günstige Alternative in der zukunft, die ein- im Bereich der mobilität sind flüssige Brennstoffe lösung dieses Versprechens ist jedoch noch nicht mit hoher energiespeicherdichte im hinblick auf gesichert. schließlich sind auch Verbesserungen reichweite, zuverlässigkeit, Komfort und Kosten der effizienz in der Umwandlung und Nutzung im Vorteil, auch wenn Alternativen (stichwort elek- der energie zum Teil mit hohen investitionskosten tromobilität) derzeit intensiv in Betracht gezogen verbunden, die sich nach dem heutigen energie- werden (siehe folgendes Kapitel zu No regret- kostenniveau teilweise nicht oder erst nach lan- strategien). Die Alternative Kernenergie erscheint gen zeiträumen rechnen. gleichwohl besteht hier vielen Ländern wieder attraktiv, ist aber vor allem ein sehr wirkungsvoller hebel, der genutzt werden in Deutschland gesellschaftlich umstritten – und muss. die frage, ob es gelingen kann, die nuklearen Abb. 5 und 6: Projektionen der Zunahme des Primärenergiebedarfs und der energiequellenbezogenen CO2-Emissionen im Referenzszenario des World Energy Outlook 2008 (Quelle: IEA 2008). 11
  10. 10. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND I EInlEItUng Die globale Nachfrage nach energie ist ungebro- rade im Bereich der Klimapolitik ist es unabding- chen. Die projektion des jährlichen Anstiegs des bar, ein global wirksames und von allen staaten primärenergiebedarfs im referenzszenario des mitgetragenes regime einzurichten, das die be- World energy outlook 2008 beläuft sich auf 1,6 %, kannten probleme bei der Nutzung von gemein- und der vorhergesagte Anstieg des co2-Aussto- schaftsgütern (Allmende-Dilemma) überwinden ßes liegt in der gleichen größenordnung, vor allem hilft. für diesen zweck sind zum einen global in den Nicht-oecD-staaten (Abbildung 5 und 6). wirksame instrumente zu entwickeln, zum ande- ren geeignete steuerungsformen aus der erfor- Diese zunahme des energieverbrauchs kann in schung von internationalen institutionen, politiken den meisten oecD-staaten durch effizienzver- und mehrebenensystemen abzuleiten. Nicht zu- besserungen ausgeglichen werden, sodass sich letzt stärkt eine dezidiert internationale Ausrich- der Verbrauch der primärenergie pro einheit ener- tung die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen giedienstleistung verringert, zum Teil allerdings energieforschung. so ist zum Beispiel der inter- schon jetzt zu hohen Kosten. Auf Dauer wird sich nationale rechtsvergleich eine wesentliche Vor- eine ständige steigerung der Nachfrage wegen aussetzung für eine übertragung des deutschen des abnehmenden grenzertrages der effizienz- energierechts oder Teile daraus in internationales erhöhung nicht mehr ohne erheblichen Aufwand recht (inkl. Benchmarking). kompensieren lassen. in den Nicht-oecD-staa- ten eröffnen maßnahmen zur effizienzsteigerung Unabhängig davon, ob man die energiesituation ein enormes energieeinsparpotenzial, das bisher aus einer globalen perspektive oder aus der per- jedoch viel zu wenig genutzt wird. spektive europas oder Deutschlands betrachtet: es schälen sich einige robuste ziele heraus, die zudem sind energieprobleme nicht mehr auf die bei energiepolitischen entscheidungen durchweg nationale ebene begrenzt, geschweige denn im und gleichzeitig angestrebt werden müssen. Dazu nationalen rahmen zu lösen. Antworten auf die gehören vor allem: herausforderungen der zukünftigen energiever- sorgung sind im zeitalter der globalisierung auf die langfristige sicherung von energiedienst- eine internationale, wenn nicht gar globale per- leistungen für eine beständig zunehmende spektive angewiesen. Dies betrifft nahezu alle Weltbevölkerung, die durch die absehbare relevanten energiethemen – angefangen bei der Knappheit der heute dominierenden energie- sicherheit und Transportabhängigkeit, über die träger gefährdet ist, wechselseitige Beziehung von regionalen, natio- nalen, europäischen und internationalen steue- die Bereitstellung von energie zu vernünftigen rungsinstrumenten der energiepolitik und zur finanziellen Konditionen als Basis für den er- Verteilung von chancen und risiken, bis hin zur halt von Wohlstand und Wettbewerbsfähigkeit Versorgungssicherheit für die jeweils betroffenen in Ländern wie Deutschland und für Aufbau regionen (stichwort: energiearmut). Von inter- und entwicklung von lebenswerten Bedin- nationalen Normen und Konventionen, grundent- gungen in den sich entwickelnden Ländern, scheidungen (speziell im Umweltrecht) und von regulierungsstrategien der einzelnen staaten und der schutz von Klima und Umwelt, staatengemeinschaften hängt maßgeblich ab, ob die als richtig anerkannten maßnahmen auch die sicherstellung von Verteilungsgerechtig- weltweit umgesetzt werden. keit in der Versorgung mit energiedienstleis- tungen. Die internationale Wirksamkeit von steuerungs- prozessen zur erreichung von zielen wie Klima- Diese ziele stoßen zwangsläufig auf randbedin- schutz, effizienzerhöhung und weltweiter Ver- gungen, die ihre gleichzeitige erreichung schwie- sorgungssicherheit ist bislang noch zu wenig im rig machen: Ungeachtet vieler Bemühungen seit fokus der energieforschung in Deutschland. ge- den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts, den 12
  11. 11. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND EInlEItUng I Ökonomische, ökologische, rechtliche und soziologische Forschung Enabling Technologies IT Infrastruktur Sensorik & Sensornetze Aktuatorik… Effizienz in der Effizienz in der Effizienz in der Bereitstellung Übertragung Nutzung Biotechnologie Produktionstechnik Messtechnik Verfahrenstechnik Werkstoffwissenschaften… Abb. 7: Integrierte Sichtweise einer zukunftweisenden Energieforschung. Anteil fossiler energieträger stetig zu senken, ist entsprechende strukturierung der anstehenden er weltweit angestiegen. Trotz großer erfolge bei forschungsfragen. der Verbesserung der effizienz übertraf der An- stieg der Nachfrage nach energiedienstleistungen energiedienstleistungen werden über die Kette stets den gewinn durch effizienzsteigerung. Und Bereitstellung-übertragung-Nutzung vom erzeu- trotz der weltweiten einsicht, dass aus gründen ger zum Verbraucher transportiert. Traditionell des Klima- und ressourcenschutzes global wirk- setzt die forschung an einzelnen Technologie- same programme und instrumente für den Um- komponenten dieser Kette an, bestenfalls werden bau der energieversorgung unerlässlich sind, fehlt zusammenhänge innerhalb der Kette berücksich- es bis heute an einem weltweiten, alle Länder ver- tigt. Dieser Ansatz greift aber zu kurz. er verkennt, pflichtenden Abkommen, um eben dieses ziel zu dass die effizienzerhöhung entlang der Kette nur erreichen. dann optimal erreicht werden kann, wenn gleich- zeitig andere Technologien in die forschungsak- Der systemische Ansatz der Energie­ tivitäten eingebunden werden. Weiterhin ist eine forschung als zentrales Element technologische entwicklung immer in ein Umfeld an sozioökonomischen zusammenhängen ein- in dieser situation kommt der energieforschung gebunden, das in der forschung an energietech- zentrale Bedeutung zu. Diese ist in Deutschland nologien ebenfalls berücksichtigt werden muss gegenwärtig durch eine nur schwach ausgepräg- (Abbildung 7). rein technologische forschungs- te Kongruenz von zielsetzung und handeln zwi- ansätze werden in der mehrzahl zum scheitern schen den einzelnen Bundesministerien geprägt. verurteilt sein, wenn etwa die gesellschaftlichen Darüber hinaus trägt die föderale struktur der rahmenbedingungen, die Nachfragesteuerung Bundesrepublik Deutschland mit dazu bei, dass oder die Akzeptanz einer Technologie nicht mit in eine klare, in sich konsistente und zielorientierte die systementwicklung einbezogen werden. zu- Ausrichtung der energiepolitik nur in Ansätzen zu dem ist eine enge Verknüpfung zwischen Techno- erkennen ist. logieentwicklern im akademischen und privatwirt- schaftlichen Bereich und Technologienutzern zu es wäre allerdings falsch, diesen eindruck der in- berücksichtigen. konsistenz allein der politik anzulasten. Vielmehr findet sich auch in der Wissenschafts- und for- schließlich darf gerade bei der einfühung neuer schungslandschaft Deutschlands eine fragmen- energietechnologien die frage der rohstoffver- tierte und wenig koordinierte sicht des Themas fügbarkeit nicht vernachlässigt werden. Beson- energie: eine integrierende, prozessketten- ders in den massenmärkten können knappe roh- orientierte und systemische sichtweise ist je- stoffe, wie etwa indium, Lithium oder gallium, von doch eine unabdingbare Voraussetzung für eine hoher strategischer Bedeutung sein, sowohl in 13
  12. 12. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND I EInlEItUng hinblick auf die gesamte Verfügbarkeit als auch reich nicht denkbar. Dementsprechend muss der hinsichtlich der geographischen Verteilung von stellenwert der Energieforschung in Deutsch- Lagerstätten, die im ungünstigen falle das risiko land erheblich angehoben werden. politischer erpressbarkeit mit sich bringt. zum zweiten wird die forschung nur dann wirk- Das heute durch Natur- und Technikwissenschaf- same Lösungsvorschläge hervorbringen können, ten geprägte Bild der energieforschung bedarf wenn sie nicht disziplinär und abgeschottet Teil- aus dem systemischen Blickwinkel einer engen aspekte des jeweiligen problems angeht, sondern Verknüpfung mit ökonomischen, ökologischen, – wo immer sinnvoll – von vornherein als interdis- rechtlichen und gesellschaftswissenschaftlichen ziplinäre oder sogar transdisziplinäre forschung entwicklungen. es ist daher ein Kernanliegen der angelegt ist. drei an diesem Konzept beteiligten Akademien, mit diesem papier ein integriertes Konzept vorzu- Um die herausforderungen bei der Transforma- legen, das Natur-, Technik- sowie geistes-, Wirt- tion unseres energiesystems effektiv, effizient und schafts- und sozialwissenschaften gleichermaßen gerecht anzugehen, benötigt die gesellschaft einbezieht. Wenn man die Anbieter und die Nutzer Wissen auf vier ebenen: von Technologien im fokus hat, sind fragen der Wirtschaftlichkeit, der institutionellen steuerung grundlagenwissen: hier geht es um die ent- und der Akzeptanz zentral für die innovations- wicklung neuer ideen und um die erforschung und Wandlungsfähigkeit einer gesellschaft. grundlegender zusammenhänge, innovativer materialien und alternativer Verfahren. Detail- Auch in der Lehre, die heute – trotz zahlreicher lierte Kenntnisse naturwissenschaftlicher Vor- Versuche – immer noch stark sektoral geprägt ist, gänge und technischer prozesse ermöglichen besteht erheblicher reformbedarf, um die systemi- eine optimierung bestehender energieum- sche sicht auf die energieforschung zu verankern. wandlungs- und energienutzungstechniken Derzeit wird der wissenschaftliche Nachwuchs nur und eine entdeckung neuer und günstigerer eingeschränkt auf die anstehenden herausforde- Wege. rungen vorbereitet. Neben der Ausstattung mit unverzichtbarem spezialwissen muss die nächste Orientierungswissen: hier geht es um for- generation von Wissenschaftlern an transdiszipli- schung, die für die wichtigen entscheidungen näre und systemische sichtweisen herangeführt in der energiepolitik und energiewirtschaft ref- werden. Nicht nur im wissenschaftlichen, sondern lektives Wissen zur Verfügung stellt. sie trägt auch im technischen und handwerklichen Bereich dazu bei, zielkonflikte zu identifizieren, die ist eine gezielte Nachwuchsförderung unverzicht- unterschiedlichen perspektiven der Akteure bar, wenn Deutschland mittel- und langfristig ein konstruktiv (und partizipativ) einzubinden und produktionsstandort im Bereich der hochtechno- in Abwägung von Wünschbarem und mach- logie bleiben soll. barem tragfähige strategien des übergangs zu entwerfen. Notwendige Prämissen der Energieforschung systemwissen: hier geht es um forschung, welche die vernetzten Ursachen und Wir- Aus der genannten Aufzählung der herausforde- kungen menschlicher interventionen in Natur rungen und ziele lassen sich zwei schlüsse für die und Technik im fokus hat. Am Beispiel der grundlegende Beschaffenheit einer zukünftigen Biomassenutzung ist deutlich zu erkennen, energieforschung ziehen: zum ersten ist eine er- dass die anfängliche euphorie in Bezug auf folgversprechende Lösung der energieprobleme diese energiequelle viele implikationen ihrer ohne die erweiterung der Wissensbasis sowohl verstärkten Nutzung, von der gefährdung im technologisch-grundlagenwissenschaftlichen der Biodiversität bis hin zum starken Anstieg als auch im gesellschaftswissenschaftlichen Be- eines Teils der Lebensmittelpreise, nicht hin- 14
  13. 13. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND EInlEItUng I reichend berücksichtigt hatte. Wissen, das Aufbau dieses Energieforschungs­ entscheidungsträgern hilft, die erwünschten konzepts Leistungen zu erbringen, ist ebenso not- wendig wie Wissen um nicht beabsichtigte im folgenden Kapitel werden zunächst die Be- Nebenwirkungen, risiken wie chancen. reiche der energieforschung beschrieben, die in jedem falle prioritär angegangen werden sollen, transformationswissen: hier geht es um die entweder weil sie von überragender Bedeutung Umsetzung als sinnvoll erkannter ziele in die sind oder weil sie – unabhängig von Verände- realität. in erster Linie handelt es sich dabei rungen der randbedingungen – in jeder wahr- um angewandte forschung und entwicklung, scheinlichen Energiezukunft entscheidende vor allem im naturwissenschaftlichen und Komponenten bilden werden. sie sind hier als technischen Bereich, mit dem ziel, neue pri- „no regret-maßnahmen“ bezeichnet. märenergieträger zu erschließen, die effizienz der Umwandlung und Nutzung zu verbessern, Das dritte Kapitel entwickelt anschließend spe- die Anforderungen an die infrastruktur festzu- zifische forschungsmodule (regenerative ener- legen und die systemischen Voraussetzungen giequellen, kohlenstoffbasierte energieträger, für neue energiepfade zu erkunden. in zweiter Kernenergie), die auf der Basis eines forcierten Linie geht es aber auch um die politische und Ausbaus einer Klasse von Bereitstellungstechno- soziale Umsetzung: Vieles was technisch und logien optionen im sinne von Wenn-Dann-Be- ökonomisch sinnvoll sein mag, wird dennoch ziehungen beschreiben. Durch die Diskussion nicht realität, sei es weil falsche oder unwirk- der drei module werden die über die No regret- same instrumente eingesetzt werden, sei es maßnahmen hinausgehenden handlungsmög- weil eine Diskrepanz zwischen der rationali- lichkeiten unter variablen Ausgangsbedingungen tät der einzelnen Akteure und dem gemein- aufgezeigt und deren Vor- und Nachteile für ihre wohl aller Akteure besteht (Allmende-prob- notwendige politische Bewertung charakterisiert. lem) oder weil bestimmte maßnahmen oder in Verbindung mit dieser Bewertung stellen sich Technologien nicht akzeptiert werden. hier fragen wie: sind die Kulturwissenschaften gefragt. Was wäre zu tun, wenn der Klimawandel Diese vier miteinander verwobenen ebenen des noch dramatischer ausfallen würde als jetzt Wissens machen einmal mehr die systemische berechnet? Natur der energieforschung deutlich. ein Kon- zept, das nur eine oder wenige dieser Dimensio- Was müsste man erforschen, wenn alle Be- nen adressiert, wird zu kurz greifen und dadurch mühungen um ein internationales Abkommen Lösungen hervorbringen, die nur bis zu einem scheitern oder in ein scheinabkommen mün- gewissen grade tragfähig sind. Das folgende den (second Best-szenarien)? energieforschungskonzept, das die Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina, acatech Was würde es für die forschung bedeuten, – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften wenn sich die internationale gemeinschaft und die Berlin-Brandenburgische Akademie der auf einen forcierten Ausbau der Kernenergie Wissenschaften gemeinsam erstellt haben, trägt einigen würde? der systemischen Natur des problems rechnung und versucht, eine integrierende sichtweise zu Welche Art von forschung ist prioritär, wenn vermitteln, ohne auf klare empfehlungen bezüg- trotz aller Bemühungen die fossilen energie- lich der forschung an konkreten problemen zu träger weiterhin die energielandschaft domi- verzichten. nieren? Naturgemäß können hier nicht alle denkbaren Wenn-Dann-Beziehungen berücksichtigt werden, 15
  14. 14. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND I EInlEItUng aber es erscheint sinnvoll, drei module aufzuzei- gieforschung wesentlich breiter angelegt sein gen, mit denen durch Kombination von elementen muss als die jeweilige Energiepolitik, um mög- in unterschiedlicher Art und Weise auf eine große lichst viele Optionen für die zukunft offenzu- Bandbreite veränderter rahmenbedingungen re- halten. agiert werden könnte. im vierten Kapitel werden wissenschaftliche Der zweck dieser extremszenarien (regenera- Querschnittsthemen beschrieben, die bearbeitet tiv, fossil, nuklear) besteht darin, den möglichen werden müssen, um den übergang zu einer ge- handlungsspielraum in den jeweiligen feldern sellschaft mit langfristig gesicherter, nachhaltiger bis hin zu extremen Anforderungen abzudecken energiewirtschaft vorzubereiten. Aus den Ausfüh- und die damit verbundenen forschungsanforde- rungen der Kernkapitel zwei, drei und vier werden rungen möglichst genau herauszuarbeiten. es ist in Kapitel fünf strukturelle empfehlungen zu fra- dann die Aufgabe der politik festzulegen, wie viel gen der infrastruktur, der forschungsförderung, davon umgesetzt werden soll, um über die ohne- der forschungsorganisation und der Nachwuchs- hin notwendigen maßnahmen (No regret-) hinaus förderung gegeben. flexibel auf Änderungen der rahmenbedingungen und Annahmen reagieren zu können. Nochmals es schließt sich ein Ausblick als sechstes Kapitel sei an dieser stelle allerdings betont, dass Ener- an. 16
  15. 15. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND nO rEgrEt-FOrschUngsschWErPUnKtE II II No Regret-Forschungsschwerpunkte Einleitung ren hilfe aus elektrischer energie unmittelbar die jeweils benötigte Nutzenergie gewonnen wird. eine reihe von energieforschungsfeldern muss unabhängig von den gewählten Technologie- Die energieeffiziente Stadt als integrativer schwerpunkten in jedem falle – und im Wortsinn Forschungsansatz „ohne Bedauern“ – aus den weiter oben skizzier- ten gründen mit höchster priorität verfolgt werden. Die hälfte der Weltbevölkerung lebt in städten, und dieser Anteil wird in den nächsten Jahr- effizienzmaßnahmen bergen ein großes potenzial zehnten weiter stark wachsen. es ist daher von und sind durch einen hohen grad an Kompati- zentraler Bedeutung, Visionen einer nachhaltigen bilität gekennzeichnet, da sie für alle Bereitstel- stadtinfrastruktur zu entwickeln, welche die Be- lungsoptionen gelten bzw. neue ermöglichen. ef- völkerungskonzentration zu einer steigerung der fizienzoptionen decken bereits heute einen weiten energieeffizienz zu nutzen helfen. für die for- Bereich der energieforschung ab. sie reichen von schung stellen sich dazu zahlreiche fragen: Wie der Wirkungsgradsteigerung bei der Wandlung kann die raumanordnung nachhaltiger städte von primärenergie in nutzbare energie – z. B. bei aussehen und was ist ihre optimale größe? Wel- gasturbinen oder photovoltaischen elementen – chen Beitrag können sie zur Verringerung des über die Absenkung von Verteilungsverlusten bei energieverbrauchs und des Treibhausgasaus- der übertragung von elektrischer energie durch stoßes beitragen? Auf welche Weise kann dies etablierung von hochspannungs-gleichstrom- geschehen? Welche Technologien benötigen wir leitungen für längere Transportentfernungen bis dazu? in welchem maß können städte als inno- zur Anwendung durch Nutzer in industrie und pri- vationszentren und Labors einer nachhaltigen zu- vaten haushalten oder zu der energieeffizienten kunft fungieren? sanierung von gebäuden. Wenn diese fragen beantwortet werden sollen, Die energienutzung wird sich in zukunft zuneh- treten zwei sektoren besonders in der Vorder- mend in richtung der elektrischen energie ver- schieben, da die meisten Bereitstellungstechnolo- gien, die fossile energiequellen ersetzen können, primär elektrische energie liefern und weitere Um- wandlungen grundsätzlich mit Verlusten verbun- den sind. Die elektrische energie kann insofern als höchstwertige form betrachtet werden, als sie in ihrer Anwendung die größte flexibilität bietet. Aus ihr kann ohne großen Aufwand und mit hoher effektivität jede andere energieform bereitgestellt werden (Wärme, Licht, Bewegung usw.). man spricht deshalb bereits heute vom ziel einer All electrical society, einer weitgehend elektrifizierten gesellschaft – ein ziel, das auch für Deutschland von relevanz ist. Als Konsequenz ergibt sich da- raus zwangsläufig, dass ein zukünftiges energie- system sich auf elektrische Netze, speicher und © fotolia.de, fotoflash Umwandlungstechnologien stützen wird, mit de- 17
  16. 16. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND II nO rEgrEt-FOrschUngsschWErPUnKtE grund: die gebäude und der Verkehr. mit 33,5 % fordert neben ökonomischen insbesondere ver- gesamtanteil verbraucht der gebäudebereich für haltenswissenschaftliche ansätze. fassaden die energiedienstleistungen raumwärme, Warm- könnten besser isoliert werden; anstelle veralteter wasser und Beleuchtung den größten einzelnen heizungsanlagen könnten moderne, energiespa- Anteil der endenergie in Deutschland. Wenn man rende systeme eingebaut werden, energiespar- bedenkt, dass 80 % aller haushalte nicht auf dem lampen könnten weitgehend die bisherigen glüh- neuesten stand der Technik sind, besteht offen- lampen ersetzen, Kraft-Wärme-Kopplung unter sichtlich ein hohes energiesparpotenzial. Der ge- einsatz von Nah- und fernwärmenetzen würden samte Verkehrssektor benötigt einen ähnlichen die gesamteffizienz der systeme verbessern. Anteil der endenergie wie der private sektor (sie- Viele dieser maßnahmen sind auf längere sicht he oben, Abbildung 4); allerdings liegt in diesem unter ökonomischen gesichtspunkten besonders Bereich das rein technologische sparpotenzial sinnvoll. Technologische Weiterentwicklungen er- vermutlich niedriger. Verbunden mit diesen beiden scheinen hier zum Teil nicht unmittelbar vordring- sektoren, die für die erhöhung der energieeffi- lich, doch gibt es erheblichen forschungsbedarf zienz von städten besonders wichtig sind, müs- zur frage einer besseren Umsetzung. Was sind sen auch die Versorgungsnetze und – wo nötig die richtigen Anreizsysteme? Welche ökonomi- – speicher so weiterentwickelt werden, dass sie schen, rechtlichen und politischen steuerungsins- neue Angebots- und Nachfragestrukturen bedie- trumente können dafür sorgen, die technischen nen können. Diese drei forschungsthemen ent- möglichkeiten auch auszureizen? in welcher Wei- falten ihre größte Wirkung zwar in der Anwendung se beeinflussen psychologische, kulturelle und auf Ballungsräume, sie sind aber vielfach auch für institutionelle Kontextbedingungen die geschwin- ländliche regionen relevant. digkeit, mit der innovationen umgesetzt werden? Diese ziel- und Instrumentenwirkungsfor- Gebäude schung ist auch über das problemfeld „energie- effiziente stadt“ hinaus ein Thema, das dringend im gebäudesektor könnten bereits heute ohne intensiver bearbeitet werden muss. weitere Technologieentwicklung große einspar- potenziale realisiert werden; vielfach scheitert dies gleichzeitig gibt es auch im Bereich der energie- aber an der Umsetzung. ihre erforschung er- effizienten gebäude weiterhin technologisch ge- prägten forschungsbedarf. es müssen architek- tonische und gebäudetechnische Konzepte entwickelt werden, die den heizwärmebedarf – und zunehmend auch den Kühlungsbedarf – von Wohngebäuden stark zurückdrängen und vom Verbraucher akzeptiert werden. Bei gebäuden mit niedrigem Wärmebedarf könnten sich andere als die jetzigen heizkonzepte durchsetzen, um den dann noch vorhandenen restenergiebedarf zu de- cken, insbesondere in Verbindung mit leistungs- fähiger sensorik. hier ist über Lebenszyklusana- lysen zu untersuchen, welche heiztechnologien am günstigsten sind. in einer zunehmend elekt- rifizierten energieinfrastruktur könnten dies Wär- mepumpen oder die dynamische flächenheizung auf elektrobasis ein. Derartige systeme sollten besonders in den schwerpunkt von forschungs- © passivhaus institut, germany / bearb. Thomas Langer aktivitäten zur effizienzverbesserung rücken. heu- te ist die Bereitstellung von elektrischer Energie Schematische Darstellung eines Passivhauses für heizungsanwendungen zwar aufgrund des 18
  17. 17. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND nO rEgrEt-FOrschUngsschWErPUnKtE II niedrigen durchschnittlichen Wirkungsgrades des von Bio-Kraftstoffen (allerdings nur der 2. und 3. Kraftwerkparks mit relativ hohen Verlusten verbun- generation) möglich, mit dem damit verbundenen den. fortschritte bei der Kraft-Wärme-Kopplung forschungsbedarf hinsichtlich der Technologie- und zunehmende Anteile regenerativer energien entwicklung und der systemischen Aspekte, wie bei der Bereitstellung elektrischer energie werden etwa der Nutzungskonkurrenz zu anderen ener- dieses Verhältnis jedoch verbessern, sodass die gie- und rohstofftechnologien, die auf Biomasse Nutzung elektrischer energie für die Bereitstellung zugreifen. forschung zu Veränderungen des Ver- des restwärmebedarfs akzeptabel oder sogar braucherverhaltens (etwa Verzicht auf fahrzeuge systemisch vorteilhaft werden kann. mit hoher Beschleunigungsleistung oder benzin- sparendes fahrverhalten) können die Aktivitäten Straßengebundene Mobilität zur effizienzverbesserung auf der Angebotsseite auch von der Nachfrageseite unterstützen. Der Verkehr wird in Deutschland – und weltweit – in den nächsten Jahren deutlich ansteigen. Von Angesichts der oben erwähnten entwicklung hin diesem Anstieg sind insbesondere die Ballungs- zu einer weitgehend elektrifizierten gesellschaft räume als Kerne der Wirtschaftsentwicklung und und der erwartung, dass unabhängig von der der individuellen mobilität betroffen. ein konzer- energiebereitstellungstechnologie, die mobili- tierter forschungsansatz zur Verkehrsproblema- tät zunehmend elektrisch gewährleistet werden tik ist also für die realisierung energieeffizienter muss, ist forschung zu Konzepten zur realisie- städte wichtig. Dazu kommt die forderung, co2- rung von E-mobilität (elektrohybrid bis e-fahr- emissionen in die Atmosphäre zu senken. Wäh- zeug) und zur sicherstellung einer entsprechen- rend in Kraftwerken und anderen konzentrierten den Versorgungsinfrastruktur von besonderer co2-Quellen die Abscheidung an der Quelle zu- Bedeutung. Dass sich energieeffiziente städte als mindest grundsätzlich möglich scheint, ist dies bei primäre zielrichtung solcher Konzepte besonders verteilten, jeweils kleinen Quellen wie Autos kaum gut eignen, liegt auf der hand. Da die Umwand- vorstellbar. hier sind dringend Lösungen erforder- lung von elektrischer energie in einen stofflichen lich. speicher und dann wieder zurück in elektrische Beim straßengebundenen Verkehr besteht die besondere herausforderung darin, dass dieser momentan und vermutlich auch für die nächsten zwei bis drei Dekaden überwiegend auf den ein- satz flüssiger energieträger in Verbrennungs- motoren angewiesen sein wird. gleichwohl gibt es zu einer weitgehenden entkarbonisierung dieses Teils des Transportsektors keine klima- freundliche Alternative. Klassische Verbrennungs- motoren weisen nach wie vor große verbrauchs- optimierungspotenziale auf (pKW-otto: ca. 35 %; pKW-Diesel: ca. 20 %), wobei zukünftige mo- torentwicklungen auch zu einer Konvergenz der Diesel- und otto-Technologie führen können. hier ist auch ein enges zusammenwirken entlang der prozesskette Kraftstoffherstellung – verbren- nung im motor – abgasbehandlung ein un- verzichtbares element. eine nachhaltige Lösung bezüglich des co2-problems für Verbrennungs- motoren erscheint nur durch zunehmende Kraft- stoffdiversifizierung insbesondere zugunsten Elektroauto Chevrolet Volt (Bildquelle: General Motors) 19
  18. 18. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND II nO rEgrEt-FOrschUngsschWErPUnKtE energie mit erheblichen Verlusten über die gesam- Netze und Speicher te prozesskette hinweg belastet ist (derzeit muss mit 75 % Verlust gerechnet werden), sollten sich Die entwicklungen im Bereich der energetischen forschungsanstrengungen primär auf Batterie- gebäudeversorgung und der elektrifizierten mobi- konzepte zur realisierung von elektrofahrzeugen lität sind im zusammenhang mit dem zunehmen- richten. Diese Technologie wird unabhängig von den Anteil erneuerbarer energien, insbesondere den randbedingungen benötigt und eignet sich – der Windenergie, in der strombereitstellung zu aufgrund der limitierten reichweiten, die für Batte- sehen. sie bedingen intensive forschungsan- riefahrzeuge auf absehbare frist erwartet werden strengungen im Bereich der elektrischen netze – besonders für Ballungsräume. forschungskon- und von speichertechnologien. Auch hier han- zepte sollten nicht bei der derzeit diskutierten Lit- delt es sich eindeutig um No regret-maßnahmen, hium-ionenbatterie stehen bleiben, sondern auch da die erwartete verstärkte elektrifizierung eine systeme zukünftiger Batteriegenerationen ein- Anpassung, wahrscheinlich aber eine umfassen- schließen. schließlich besteht großer forschungs- de Neukonstruktion unserer Netzinfrastruktur un- bedarf zur frage integrierter mobilitätskonzep- abdingbar macht. te. Dabei geht es beispielsweise um die optimale Kombination von privaten und öffentlichen Trans- Daher muss die energieforschung auf alle op- portmitteln und die gemeinschaftliche Nutzung tionen gerichtet werden, die die speicherbarkeit von fahrzeugen (car sharing, fahrgemeinschaf- oder die stoffliche Nutzung von elektrischer ener- ten, car pools). Auch städtebauliche Aspekte wie gie massiv verbessern und die dazu beitragen die „stadt der kurzen Wege“ können Bestandteil können, die bisherigen netzstrukturen in einem integrierter mobilitätskonzepte sein. Dabei sind wesentlich komplexeren und dynamischen technische, organisatorische und psychologische Umfang zu verstehen und zu beherrschen. Die Aspekte eng miteinander verbunden. zu schaffenden Netzstrukturen müssen künftig 20
  19. 19. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND nO rEgrEt-FOrschUngsschWErPUnKtE II nicht nur die Abnehmer mit den standorten der Um die möglichkeiten eines smart grid voll aus- Kraftwerke und der großen Windenergieparks in zunutzen, müssen auch die verbraucher einbe- Norddeutschland, bzw. off-shore und mit einer zu- zogen werden, d.h. über geeignete software- nehmenden elektrizitätserzeugung durch photo- konzepte müssen in zeiten knappen Angebots voltaik oder solarthermie, schwerpunktmäßig in beispielsweise geräte und Anlagen, bei denen südlichen gegenden, verbinden. in ganz europa dies unkritisch ist, abgeschaltet werden können werden zunehmend regionen planerisch erfasst, (e-energy). Dazu muss zum einen das Verbrau- die besondere standortvorteile für unterschied- cherverhalten intensiv untersucht werden, zum liche Arten regenerativer erzeugung haben und anderen sind aber auch Untersuchungen dazu er- die netztechnisch erschlossen werden müssen. forderlich, in welchem maße einzelne Verbraucher Die übertragung großer energiemengen über dies als unzulässigen eingriff in ihre privatsphäre weite strecken – etwa von solarthermischen An- empfinden würden und wie entsprechende Bar- lagen in Nordafrika zu Nutzern in Deutschland rieren abgebaut werden können. Da Konzepte – ist technisch aufwendig und stellt besondere zur elektromobilität und zur Neuauslegung der Anforderungen an die Belastbarkeit der Netze. Netze voraussichtlich zeitgleich entwickelt wer- zudem stellen sich hier fragen der Versorgungs- den, muss bereits frühzeitig eine enge Verbindung und importsicherheit. zwischen den entwicklungen gewährleistet sein. Während in der Vergangenheit die Ausgestaltung es besteht zwar die hoffnung, dass intelligent elektrischer Netze meist im Bereich von Teilnet- geregelte Netze unter einbeziehung sowohl der zen auf der Basis quasistationärer Berechnungs- erzeuger als auch der Verbraucher einen erheb- modelle erfolgte, wird in zukunft eine ganzheit- lichen Teil der schwankenden einspeisung und liche und hochdynamische Untersuchung des Nachfrage ausgleichen können. Dennoch wird es Übertragungssystems unter einbeziehung aller unabdingbar sein, für alle zeitskalen – von minu- erzeuger, der Lastentwicklung und auch des ad- ten bis Tagen – und auf verschiedenen größen- äquaten speichereinsatzes erforderlich werden. skalen speichertechnologien zu entwickeln. hierzu sind modellierungswerkzeuge zu ent- hierzu kommen unterschiedlichste speicher- wickeln, die sowohl hinsichtlich größe als auch konzepte in frage, für die unterschiedlich hoher Dynamik den zukünftigen Anforderungen gerecht forschungsbedarf besteht. Auf systemebene ist werden. Außerdem wird der einsatz schneller zu- dazu zunächst zu untersuchen, welche speicher- standsbeobachtungen durch Netzinformations- technologien in welcher form untereinander und systeme erforderlich werden, um aus einer zu- mit dem Netz optimal kombiniert werden können. standsbestimmung eine stabilitätsanalyse bzw. fast alle speichertechnologien benötigen noch er- Netzsicherheitsanalyse online durchführen zu heblichen forschungs- und entwicklungsbedarf. können. für Druckgasspeicher (z.B. Kavernen in salzstö- cken) ist eine Verbesserung des Wirkungsgrades zwar laufen viele Aktivitäten in die richtung, eng- durch entwicklung der adiabatischen Betriebs- pässe im europäischen 400 kV-Verbundsystem weise erforderlich. für elektrische speicher – zu beseitigen. Da aber in der zukünftigen er- wie redox-flow-systeme oder konventionelle zeugungsstruktur deutlich größere entfernungen Batterien – muss die speicherdichte verbessert zwischen erzeugung und Verbrauch verlustarm werden; viele systeme verfügen über nicht aus- zu überbrücken sein werden, ist die schrittweise reichende zyklenstabilität, auch die schnelllade- etablierung einer überlagerten spannungsebe- und schnellentladefähigkeit müssen in der regel ne in europa unumgänglich, unabhängig davon, deutlich verbessert werden. latentwärmespei- ob dies in Drehstrom- oder gleichstromtechnik cher werden bereits technisch eingesetzt, wie der ausgeführt werden wird. Die Verknüpfung dieses NaNo3/KNo3-schmelzspeicher zur pufferung der European super grid mit den bestehenden 400 Tag/Nacht-Differenz im solarthermischen Kraft- kV-Verbundnetzstrukturen wird ein hohes maß an werk Andasol in spanien. Allerdings müssen hier begleitender forschung erfordern. viele weitere systeme identifiziert und entwickelt 21
  20. 20. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND II nO rEgrEt-FOrschUngsschWErPUnKtE werden, die sowohl Niedertemperaturwärme für Technik und wirtschaftlicher Wettbewerbsfähig- den gebäudesektor als auch hochtemperatur- keit ab, sondern ebenso von ihren kulturellen, so- wärme für solarthermische Kraftwerke unter- zialen und rechtlichen rahmenbedingungen. ins- schiedlicher Bauart effizient speichern können. besondere muss der zusammenhang zwischen Technologiewahl und -entwicklung auf der einen, für größere energiemengen wird eine stoffliche und marktstruktur, rechtlichen Bedingungen und speicherung unvermeidbar sein. Dazu bietet sich geeigneten institutions- und organisationsformen zunächst die herstellung von Wasserstoff durch auf der anderen seite besser verstanden werden. elektrolyse an. Diese ist allerdings weit von der zu untersuchen ist beispielsweise, was private maximal möglichen effizienz entfernt. Bei großska- und was staatliche Akteure dazu beitragen kön- liger Anwendung ist daher dringend die Effizienz nen, um innovative Technologien zu entwickeln von Elektrolyseeinheiten zu verbessern. zu und ihre marktdurchdringung zu verbessern. untersuchen ist dann auch, wie der Wasserstoff solche fragen können allerdings nur beantwor- wieder – möglicherweise unter einkopplung von tet werden, wenn die klassischen innovations- Biogas – optimal rückverstromt werden könnte. konzepte des Technology push und market pull Allerdings sollte hier auch auf der systemebene durch Netzwerkansätze ergänzt oder sogar abge- untersucht werden, ob nicht ein alternativer zu- löst werden. gerade für die politikberatung sollten gang zu großen, strategisch gespeicherten ener- diese Untersuchungen, wo immer möglich, quan- giemengen über andere Wege, etwa Biomasse, titativ modelliert werden. möglich ist. prioritäre forschungslinien sind hier die analyse maßnahmen zur Verbesserung der effizienz kön- kultureller und interkultureller Faktoren in der nen interessante marktpotenziale haben. gerade verbreitung von Energietechnologien, auch im Bereich der energieeffizienz könnten weltwei- hinsichtlich globaler entwicklungen und rahmen- te märkte entstehen, auf denen Technologien zur bedingungen. Weiterhin müssen strukturelle In- co2-armen energie-Bereitstellung, Umwandlung novationshemmnisse identifiziert und analysiert und Nutzung von energie miteinander konkurrieren. werden. Das reicht von rechtlichen Bedingungen Aber auch für den heimischen markt eröffnen sich (aus den Bereichen zulassungs- oder patent- chancen, wenn man etwa die gebäudesanierun- recht), über wirtschaftliche rahmenbedingungen gen nach der einführung der energieeinsparver- (z.B. flexibilitätsmargen oder unterschiedliche ef- ordnungen betrachtet. Aus diesem grunde sind fizienzanforderungen an Technologien mit unter- forschungsanstrengungen sowohl im Bereich der schiedlicher marktreife) bis hin zu sozialen oder technologien als auch bei den maßnahmen zu institutionellen faktoren (wie präferenzen, Tech- ihrer Implementierung (information, finanzierung, nikleitbildern, organisationsformen oder Arrange- rechtliche fragen) von besonderer Bedeutung. ments der Wissensgenerierung). Darüber hinaus sollten normative grundlagen und regeln zur Innovationen und Marktdurchdringung gewährleistung von Innovationsverantwor- tung (insbesondere bei einführung neuer Tech- Die Umstellung auf eine nachhaltige energiever- nologien, wie der ccs-Technologie) entwickelt sorgung wird nur gelingen, wenn die Vorausset- werden. schließlich gilt es, die problemlösungs- zungen für innovationen und deren marktdurch- kapazität innovativer deliberativer und partizi- dringung verbessert werden. Dies erfordert ein pativer verfahren (z.B. im rahmen von demo- gründliches Verständnis der gesellschaftlichen, kratischer Technikentwicklung) zu analysieren und ökonomischen, politischen und rechtlichen Be- deren praxistauglichkeit zu verbessern. dingungen der entstehung und markteinführung von innovativen Lösungen bei der gewinnung, Ziele und Instrumente Umwandlung, speicherung, Verteilung und Nut- zung von energie. Denn das gelingen von inno- Die realisierung auch von No regret-maßnah- vationsprozessen hängt nicht nur von exzellenter men ist in einer pluralen und von interessens- 22
  21. 21. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND nO rEgrEt-FOrschUngsschWErPUnKtE II und Wertkonflikten bestimmten gesellschaft an ziele durch technologische Verbesserungen (sie- die Wirksamkeit von politischen und rechtlichen he z.B. clean coal-Technologien) zu erreichen. steuerungsprozessen gebunden. ein umfassen- Die Akzeptanz und die Durchsetzbarkeit techni- des Verständnis der Wirkungen – und Nebenwir- scher entwicklungen sind eng an Wirkungsweise kungen – von energiepolitischen instrumenten ist und effizienz ökonomischer instrumente und ihre daher für die gestaltung einer nachhaltigen und rechtlichen und institutionellen rahmenbedingun- verantwortlichen energiepolitik unabdingbar. eine gen gekoppelt. wirksame energie- und insbesondere Klimapolitik ist auf der globalen ebene auf die freiwillige Ko- operation von 203 souveränen staaten angewie- sen. es zeigt sich aber, dass die bestehenden An- reizsysteme nicht ausreichen, um beispielsweise die Bildung global verbindlicher regelwerke zur Vermeidung von Kohlendioxidemissionen zu för- dern. zu fragen ist also, mit welchen spezifischen Anreizen wichtige entwicklungs- und schwellen- länder und die staaten der opec in ein effektives Klimaabkommen eingebunden werden können. ein weiteres problem besteht in der Abhängigkeit von energieimporten aus unsicheren gebieten. mit welchem instrumenten- und institutionen-portfo- lio lässt sich diese auf möglichst wirtschafts- und sozialverträgliche Weise verringern? insbesondere sollte untersucht werden, welche Bedeutung die gestaltung internationaler Verträge bei der gewin- nung, Lieferung und Durchleitung von energie und energierohstoffen für die gewährleistung der Ver- sorgungssicherheit und für das Nutzen- und risi- © fotolia.de, Boguslaw mazur koverhältnis zwischen den Akteuren haben kann. Neben staatlichen spielen private Akteure eine eine systematische, praxisbezogene und dis- entscheidende rolle in der energiepolitik. hier ist ziplinenübergreifende ziel-, Instrumenten- und von interesse, welche Anreize Unternehmen dazu Wirkungsforschung sollte deshalb einen hohen motivieren, externe effekte zu internalisieren und stellenwert in der energieforschung erhalten. Da- durch ihr unternehmerisches handeln übergrei- bei sollten nicht nur ideale, sondern auch real fende energiepolitische ziele zu unterstützen. für World-Voraussetzungen zugrunde gelegt werden. die Klimapolitik besonders relevant ist eine bes- folgende schwerpunkte bieten sich an: zum ers- sere einschätzung der Wirkungen und Neben- ten sollten die Effektivität und Effizienz einzelner wirkungen von alternativen steuerungsoptionen Instrumente (der direkten steuerung ebenso wie (wie cap and Trade systeme oder instrumente der indirekten Anreize) und deren zusammenspiel des Kapitalmarkts) oder neuen Technologien (wie untersucht werden. Neben den wirtschaftlichen solarzellen, clean coal Technologien oder geo- und sozialen, sollten dabei auch die juristischen engineering zur erhöhung der senkenkapazität und institutionellen rahmenbedingungen auf na- für die Aufnahme von co2). Dabei stehen die Ab- tionaler, europäischer und internationaler ebene hängigkeiten zwischen erzeugungstechnologien, berücksichtigt werden. zum zweiten sollten die Verteilungsinfrastruktur und strategischem Verhal- erfahrungen im Bereich zwischen regulierung ten von Akteuren im Vordergrund. erforderlich ist und selbstregulierung genauer analysiert und diese forschung nicht zuletzt für die Bewertung bewertet werden. zum dritten sind organisatori- derzeit viel diskutierter Ansätze, die Klimaschutz- sche, institutionelle und rechtliche Arrangements 23
  22. 22. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND II nO rEgrEt-FOrschUngsschWErPUnKtE in internationalen, europäischen und nationa- kultureller Bedingungen der energienachfrage len mehrebenensystemen auf ihre Wirksamkeit (Lebensstil, milieu) sowie für das Verhalten der und Nebenwirkungen zu untersuchen. Verbraucher in entwicklungs- und schwellenlän- dern. Nutzerverhalten und Konsum Daher sollten folgende schwerpunkte einer inte- Neben der Notwendigkeit, innovative prozesse grativen Konsumverhaltens- und akzeptanz- zeit- und bedarfsgerecht einzuleiten, spielt die forschung gefördert werden: zum ersten geht es Untersuchung der Nachfrage nach energiedienst- um die erforschung der Präferenzen und Werte leistungen eine wichtige rolle, weil der Umgang der abnehmer von energiedienstleistungen und mit energiedienstleistungen und die Aufgeschlos- die Art und Weise, wie sich diese Vorlieben durch senheit gegenüber verschiedenen energiequellen demographische, kulturelle und soziale Wand- von strukturellen, institutionellen und kulturellen lungsprozesse verändern. zum zweiten gilt es, die faktoren maßgeblich bestimmt wird. zwar hat forschung zu den anreizen für private Akteure, sich die Lebensstilforschung als eine vielver- organisationen und staatliche institutionen zu in- sprechende forschungsrichtung erwiesen, wenn tensivieren, welche geeignet wären, die Nachfrage aussagekräftige und differenzierte ergebnisse nach energiedienstleitungen in richtung auf einen zur Akzeptanz von maßnahmen zur nachhaltigen nachhaltigen Umgang mit energie zu lenken. Nutzung von energie gefragt sind. es fehlen aber zum dritten sollte die frage untersucht werden, Querbezüge zwischen empirischen Untersuchun- welche faktoren die akzeptanz von energie- gen und allgemeinen zeitgeschichtlichen Trends, sparmaßnahmen und von energietechnologien in die langfristige Konsum- und Nachfragemuster haushalten, Betrieben oder Verwaltungen beein- bestimmen und sich oft auch gegenüber kurzfris- flussen und welche möglichkeiten bestehen, die tigen steuerungsimpulsen durchsetzen. Dies ist Akzeptanz durch modifikation von Technologien, gegenstand geisteswissenschaftlicher, insbeson- einführungsstrategien oder verbesserte Kommu- dere historischer forschung. Die umweltpsycho- nikationsformen zu beeinflussen. ein viertes for- logische interventionsforschung hat Techniken zur schungsfeld sind die situativen und strukturel- unmittelbaren Verhaltensänderung und methoden len Kontextfaktoren, die auf das Verhalten von zur Bewertung ihrer Wirksamkeit entwickelt. Ver- individuen und organisationen einfluss haben, gleichsweise wenig ist allerdings über das Kon- sowie die möglichkeiten, diese im sinne einer auf sumverhalten nicht-individueller Verbraucher, wie Nachhaltigkeit orientierten energiepolitik zu be- handel, handwerk und Kleingewerbe bekannt. einflussen. schließlich sollte die Konsumverhal- gleiches gilt für den indirekten energieverbrauch tens- und Akzeptanzforschung stärker mit rechts- durch Konsumgüter (etwa im Bereich der Unter- wissenschaftlichen fragen, beispielsweise zum haltungselektronik, der freizeitgestaltung oder der Auftrag (und den grenzen) staatlicher informations- elektronischen Kommunikation), für den einfluss tätigkeit in der energiepolitik, verknüpft werden. 24
  23. 23. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND FOrschUngsPOtEnzIalE III III Forschungspotenziale für eine langfristig gesicherte und nachhaltige Energiezukunft Einleitung der Nutzung fossiler energiequellen untrennbar verbunden sind, unabdingbar. Die im folgenden im vorigen Kapitel wurden forschungsfelder iden- diskutierten module erlauben eine schlüssige Dar- tifiziert, deren Bearbeitung unabhängig von poli- stellung systemischer implikationen, und in allen tischen, gesellschaftlichen, ökonomischen und drei modulen zusammengenommen werden alle sonstigen randbedingungen unabweisbar ist, wesentlichen handlungsfelder der energiefor- da sie entweder von so überragender Bedeutung schung angesprochen. einige modulübergrei- sind, dass sie in jedem fall bearbeitet werden fende Querschnittsthemen werden im Anschluss müssen, oder weil sie unabhängig von politischen diskutiert. schwerpunktsetzungen in jeder „energiezukunft“ relevant werden. Viele andere forschungsfelder zukünftige energielösungen werden nicht mono- in der energieforschung sind ebenfalls sehr wich- lithisch gestaltet sein, sondern sich vermutlich als tig; ihre relative Bedeutung hängt allerdings von Kombination verschiedener Energiequellen zahlreichen faktoren und politischen Weichen- erweisen. Die zusammensetzung dieses energie- stellungen ab. Außerdem ist zu berücksichtigen, mixes kann jedoch heute weder für Deutschland dass entscheidungen für bestimmte energiequel- noch für ein anderes Land vorhergesagt werden. len – unter der Voraussetzung, dass grundsätzlich Abhängig von der erwartung, wie dieser mix aus- so viel energie zur Verfügung steht, dass man frei sehen könnte, wird auch die energiepolitik priori- auswählen kann – Konsequenzen für die energie- täten setzen, die wiederum Auswirkungen auf die infrastruktur und die energienutzung haben, mit forschungspolitik haben können. eine weise und denen wiederum erfordernisse für die energiefor- vorausschauende energiepolitik wird sich nicht schung verbunden sind. ausschließlich auf eine energiequelle oder eine Klasse von energiequellen verlassen, sondern im folgenden werden die Komponenten eines Forschungspolitik so offen gestalten, dass bei energieforschungsprogramms daher für drei sich verändernden rahmenbedingungen jeweils unterschiedliche Klassen von primärenergiequel- tragfähige Lösungen vorbereitet sind. Bei der len diskutiert. Diese Darstellung sollte jedoch kei- festlegung der mischung sollen die folgenden nesfalls im sinne von alternativen szenarien ver- Ausführungen eine hilfestellung geben, No reg- standen werden, sondern sie dient zur schärfung ret-Aktivitäten sollten in jedem falle und möglichst des Blicks auf die systemischen Implikationen, schnell begonnen werden. wenn bestimmte Weichenstellungen bezüglich der Quelle der primärenergie getroffen werden. schon heute lässt sich aus diesen überlegungen so wird beispielsweise klar werden, dass, wenn ein entscheidender schluss ziehen, der in gewis- sich die politik für eine primär auf erneuerbaren ser Weise einen paradigmenwechsel illustriert: Quellen beruhende Versorgungsstruktur entschei- Langfristig müssen wir uns darauf einstellen, fle- den sollte, in der forschung mit höchster priorität xible, der kurzfristigen Änderung der weltweiten an einer Verbesserung der zum einsatz kommen- ökonomischen, sozialen und technologischen den Netze und an neuen methoden der energie- rahmenbedingungen angepasste strategien be- speicherung gearbeitet werden muss. Bei einer reitzuhalten. insofern werden wir uns stärker als im Wesentlichen auf fossilen Quellen beruhenden bislang auf permanente Transformationsprozesse struktur ist eine Konzentration auf Technologien einzustellen haben und lernen müssen, eine reihe zur Beherrschung der co2-emissionen, die mit von Brückentechnologien und Krisenüberbrü- 25
  24. 24. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND III FOrschUngsPOtEnzIalE ckungsstrategien bis zur einsatzfähigkeit zu ent- terium und Tritium – den erneuerbaren energien wickeln, selbst wenn – je nach veränderten rah- gleichzustellen. menbedingungen – nicht alle von ihnen benötigt werden. in einigen Ländern (z. B. in Deutschland, spanien, den UsA, aber auch china) nimmt die regenerativ Modul 1: Erneuerbare Energien gewonnene energiemenge derzeit rasch zu. ein weltweites Wachstum wird jedoch noch durch – erneuerbare energien, auch regenerative energien im Vergleich zu konventionellen energieträgern genannt, stammen aus nachhaltigen Quellen. sie – teilweise relativ hohe Kosten erschwert. Außer- bleiben − nach menschlichen zeiträumen gemes- dem sind einige der eingesetzten Technologien, sen − kontinuierlich verfügbar und stehen hier- wie etwa die Kernfusion oder photovoltaische mit im gegensatz zu fossilen energieträgern und großkraftwerke, noch nicht in einem genügend Kernbrennstoffen, deren Vorkommen bei kontinu- fortgeschrittenen entwicklungsstadium, als dass ierlicher entnahme stetig abnimmt. erneuerbare sie umfassend großtechnisch eingesetzt werden energien (aus Biomasse, sonne, Wind, Wasser- könnten. kraft und geothermie) werden fossile energien und Kernenergie langfristig ersetzen, da letztere ein energiesystem, das langfristig auf erneuerbare nur in begrenztem Umfang zur Verfügung stehen Quellen setzt, wird zumindest auf absehbare zeit und ihr einsatz ökologisch zunehmend problema- ein szenario des eher knappen energieangebots tisch wird. insbesondere tragen erneuerbare ener- sein. Dies würde sich vermutlich erst bei einem gien wesentlich geringer zur globalen erwärmung Durchbruch in der einführung von fusionskraft- bei als die fossilen energien. Die Kernfusion ist werken ändern. Daher ist höchste Effizienz in aufgrund der faktisch unbegrenzten Verfügbarkeit allen Bereichen auch bei vollständiger implemen- ihres Brennstoffs – der Wasserstoff-isotope Deu- tierung erfolgskritisch. Der übergang zu einer auf 26
  25. 25. KoNzepT für eiN iNTegrierTes eNergieforschUNgsprogrAmm für DeUTschLAND FOrschUngsPOtEnzIalE III erneuerbaren energiequellen beruhenden ener- sungen anzustreben, die allerdings die parallele gieversorgung kann unter anderem auch aus die- entwicklung und implementierung von leistungs- sem grund nur langfristig erfolgen. fossile und fähigen regionalen, nationalen und internatio- möglicherweise nukleare energiequellen werden nalen transportnetzen notwendig machen. in deshalb mittelfristig noch eine wesentliche rolle einem derartig ausgleichenden Verbund könnten spielen. speicher für die verschiedenen energieformen nicht mehr so wichtig sein wie in einem regio- im Bereich der erneuerbaren energien ist die nalen Versorgungssystem; nichtsdestoweniger Windenergienutzung technologisch am weitesten sind auch im Bereich der speicher forschungs- entwickelt. Allerdings sind zumindest in Deutsch- anstrengungen notwendig. Darüber hinaus sind land die besten standorte an Land weitgehend die internationalen rechtsbeziehungen so zu ausgenutzt. mittlerweile sind aber Anlagen mit gestalten, dass ein solches system reibungs- deutlich höherer Leistung als die meisten instal- frei etabliert werden kann, und ökonomische lierten systeme verfügbar, so dass durch ersatz modelle zu entwickeln, die für alle beteiligten alter Windkraftanlagen zusätzliche Kapazitäten partner (erzeugerländer, stromtransitländer, Ver- auch an Land geschaffen werden können. Durch braucherländer sowie die beteiligten nationalen höhere Anlagen werden auch früher wenig nutz- und internationalen Unternehmen) akzeptable bare Waldgebiete mögliche standorte für weitere Konditionen bieten. Auch besteht sowohl techno- Anlagen. erhebliche potenziale werden off-shore logisch als auch politisch-soziologisch erheblicher gesehen, allerdings besteht hier noch erheblicher forschungsbedarf zur Analyse der Anfälligkeit sol- forschungsbedarf in hinblick auf die robustheit cher systeme gegen terroristische Angriffe und zu der Anlagen, deren Wartungsarmut und Langzeit- deren prävention. Von ähnlicher Bedeutung und betriebsfähigkeit. Da Windenergie als unstetig daher ebenfalls forschungsthema ist die anfäl- anfallende Quelle nur in einem stabilen integrier- ligkeit gegen politische Erpressung. schließlich ten gesamtsystem mit ausreichender speicher- wird man damit rechnen müssen, dass es gegen kapazität ihre volle Leistungsfähigkeit entwickeln höchst- und hochspannungstrassen zunehmen- kann, sind intensive forschungsanstrengungen de Widerstände von Anwohnern geben wird. hier im Bereich intelligenter Datenverarbeitungsmo- ist frühzeitig zu untersuchen, wie diesen begegnet delle und Kommunikationssysteme notwendig, werden kann. die eine vernetzung von Windkraftwerken und anderen erzeugereinheiten national und grenz- Wissenschaftlich und technologisch nimmt überschreitend entscheidend verbessern. Um den Deutschland derzeit eine spitzenstellung in der Ausgleich unstetig anfallender energie europaweit solartechnologie – Photovoltaik und solarther- zu ermöglichen, müssen möglichkeiten zum ver- mie – ein. sowohl in Bezug auf die energieerzeu- lustarmen transport von elektrischer Energie gung als auch den wirtschaftlichen erfolg durch erschlossen werden. hier bieten sich hochspan- export von spitzentechnologie erscheint daher nungs-gleichstromleitungen an. Weitere Ver- die solartechnologie als ein prioritäres hand- besserungen könnten durch supraleitende ver- lungsfeld. Um diese Technologien zunehmend im bindungen möglich werden. Vergleich mit fossilen und nuklearen Bereitstellung von elektrischer energie wettbewerbsfähig zu zeitlich häufig komplementär zur Windenergie gestalten, sind in der forschung zahlreiche pro- fällt direkte sonneneinstrahlung an. Aufgrund blemfelder der grundlagenforschung bis hin zur der in Deutschland im Vergleich z. B. zu Ländern Anwendungsorientierung anzugehen. Dabei ist für des mittelmeerraums schwächeren sonnenein- ein verständnis von Photovoltaiksystemen be- strahlung werden die Kosten für die erzeugung deutend, den Transport von Ladungsträgern und elektrischer energie in solarthermischen Kraft- – damit verbunden – die elektronischen und struk- werken oder photovoltaikanlagen in Deutschland turellen eigenschaften der grenzflächen in solchen immer deutlich höher sein als in südeuropa oder systemen besser zu verstehen. ein bedeutendes Nordafrika. Daher sind europaweite systemlö- Querschnittsthema ist auch die entwicklung von 27

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