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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




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impressUm:
herausgeber:
Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina
emil-Abderhalden-str. 37
06108 halle/saale

acatech – DeUTsche AKADemie
Der TechNiKWisseNschAfTeN
geschäftsstelle
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hauptstadtbüro
e-Werk, Bauteil e
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layout und satz:
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Druck:
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Juni 2009


                                                 4
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       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.




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  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.




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    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-


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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.



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                    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
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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
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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
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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
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  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
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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-


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    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,


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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.




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                                             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-


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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
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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
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




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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


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     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
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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
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
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
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
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
Energieforschungskonzept
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Energieforschungskonzept

  • 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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