Kitabı oku: «Alternative Kraftstoffe»
Alternative Kraftstoffe
Sven Geitmann
Alternative
Kraftstoffe
Erdgas & Flüssiggas – Biodiesel & Pflanzenöl – Wasserstoff & Strom Womit fahre ich am besten?
Sven Geitmann
Sachbuch
mit 51 Abbildungen und 30 Tabellen
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2. komplett überarbeitete und aktualisierte Auflage
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Satz: Einsdreiundsiebzig, Tobias Trost, Berlin
Lektorat: Dione Gutzmer, Berlin, www.korrekturleserin.de Alle Rechte vorbehalten! Druck auf holzfreiem Papier, voll recyclingfähig
MOTIVATION
Dieses Buch ist aus der Absicht heraus entstanden, eine fundierte Zusammenfassung herauszubringen, in der sowohl innovative Antriebstechniken als auch alternative Energiespeicher vorgestellt und allgemein verständlich erläutert werden. Leserinnen und Leser sollen angesichts der Vielzahl unterschiedlicher Antriebskonzepte in die Lage versetzt werden, selbständig über Alternativen zu den konventionellen Kraftstoffen Benzin und Diesel entscheiden zu können.
Erdgas, Flüssiggas, Biodiesel, Pflanzenöl, Ethanol, Wasserstoff, Elektrizität – Für jeden dieser so genannten Alternativkraftstoffe gibt es eine eigene Lobby, die jeweils den eigenen Stoff anpreist und die anderen mit Kritik überhäuft. Eine objektive Meinungsbildung ist somit äußerst schwierig. Es stellt sich daher die Frage: Welche Antriebsvariante ist für den jeweiligen Individualfall am besten geeignet? Welchen Kraftstoff sollte ich wählen, wenn ich mir einen Neuwagen anschaffen oder mein Gebrauchtauto umrüsten möchte?
Ehrliche Antworten darauf sind nur schwer zu bekommen. Dieses Buch soll Abhilfe schaffen, indem es das notwendige Hintergrundwissen liefert, so dass sich ein jeder Fahrzeughalter eine eigene Meinung darüber bilden kann, welche Antriebstechnik mit welchem Kraftstoff am besten zu ihm passt.
Das vorliegende Buch ist hervorgegangen aus dem Buch Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe (erstmals erschienen: 2004), in dem sowohl der gesamte Kraftstoffsektor als auch der große Bereich der erneuerbaren Energien (Solarenergie, Windkraft, Bioenergie, Geothermie, Wasserkraft) behandelt wurde. Mittlerweile sind jedoch beide Bereiche, sowohl die Erneuerbare-Energien-Branche als auch der Alternative-Kraftstoffe-Sektor, so weit gediehen, dass sie problemlos jeweils ein ganzes Buch füllen können.
Das Originalmanuskript wurde daher zweigeteilt. Der hier nicht mehr enthaltene Strom- und Wärme-Bereich ist nun zu finden in dem Buch Erneuerbare Energien – Mit neuer Energie in die Zukunft. Das vorliegende Buch widmet sich ganz den alternativen Kraftstoffen, wobei es sich hierbei mittlerweile schon um die zweite, komplett überarbeitete und aktualisierte Auflage handelt.
Viel Spaß beim Lesen wünscht
Sven Geitmann
INHALT
1 Einleitung
2 Energieversorgung
2.1 Energiebedarf
2.2 Energieverbrauch
2.2.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland
2.2.2 Weltweite Energieversorgung
2.3 Zeitliche Verfügbarkeit
2.4 Umweltbelastung
2.4.1 Limitierte Emissionen
2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen
2.4.3 CO2-Problematik
2.4.4 Schadstofffreisetzung
2.5 Förderung & Besteuerung
2.6 Entwicklung
2.6.1 Wirtschaftliche Betrachtung
2.6.2 Technische Betrachtung
2.6.3 Thermodynamische Betrachtung
3 Diesel-Alternativen
3.1 Biodiesel
3.1.1 Eigenschaften
3.1.2 Herstellung
3.1.3 Absatz
3.1.4 Kosten
3.1.5 Technik
3.1.6 Umwelt
3.2 Pflanzenöl
3.2.1 Eigenschaften
3.2.2 Herstellung
3.2.3 Absatz
3.2.4 Kosten
3.2.5 Technik
3.2.6 Umwelt
3.2.7 Andere Pflanzenöle
4 Benzin-Alternativen
4.1 Bioethanol
4.1.1 Eigenschaften
4.1.2 Herstellung
4.1.3 Technik
4.1.4 Umwelt
4.1.5 Kosten
4.2 Biogas
4.2.1 Eigenschaften
4.2.2 Herstellung
4.2.3 Technik
4.2.4 Umwelt
4.2.5 Kosten
4.3 Flüssiggas
4.3.1 Eigenschaften
4.3.2 Herstellung
4.3.3 Technik
4.3.4 Speicherung
4.3.5 Umrüstsysteme
4.3.6 Umrüstung
4.3.7 Kosten
4.3.8 Fahrzeuge
4.3.9 Sicherheit
4.3.10 Umwelt
4.4 Erdgas
4.4.1 Eigenschaften
4.4.2 Technik
4.4.3 Speicherung
4.4.4 Betankung
4.4.5 Umrüstung
4.4.6 Fahrzeuge
4.4.7 Kosten
4.4.8 Umwelt
4.5 Wasserstoff – Ottomotor
4.5.1 Eigenschaften
4.5.2 Herstellung
4.5.3 Kosten
4.5.4 Technik
5 Synthetische Alternativen
5.1 Biomass to Liquid (BtL)
5.2 Gas to Liquid (GtL)
5.3 Coal to Liquid (CtL)
6 Elektrische Alternativen
6.1 Strom
6.1.1 Batteriebetrieb
6.1.2 Hybridbetrieb
6.2 Wasserstoff – Brennstoffzelle
6.3 Methanol
7 Energie sparen
8 Zusammenfassung
9 Anhang
9.1 Erfahrungen
9.1.1 Fahrbericht Rapsöl
9.1.2 Fahrbericht Flüssiggas
9.1.3 Fahrbericht Erdgas
9.1.4 Fahrbericht Wasserstoff
9.2 Tabellen
9.3 Abkürzungen
9.4 Einheiten
9.5 Elemente
Literatur
Index
Autor
Verlagsprogramm
1 EINLEITUNG
1 EINLEITUNG
Der Energiesektor befindet sich in einem Wandlungsprozess. Die bestehenden Strukturen, basierend auf einer zentralistischen Energieversorgung mit fossilen Energieträgern, werden nicht nur von wissenschaftlicher Seite in Frage gestellt. Mittlerweile meldet sich auch verstärkt die politische Seite zu Wort, und sogar die Verbraucher mischen sich zunehmend in die Diskussion mit ein. Grundlegende Veränderungen in der Energiewirtschaft zeichnen sich ab: Mineralölkonzerne engagieren sich mehr denn je im Bereich alternativer Kraftstoffe, Energieversorger werben offensiv mit Energiesparmaßnahmen, und selbst die Autokonzerne, die lange gebremst haben, müssen sich mit Kohlendioxidreduzierung und Hybridlösungen auseinander setzen und angesichts der weltweiten Automobilkrise ihren gesamten Fuhrpark auf sparsamere Modelle umstellen. Auch auf der Verbraucherseite reift das Bewusstsein, dass ein nachhaltiger Umgang mit Energie nicht nur die Umwelt, sondern auch den eigenen Geldbeutel schont.
Dieser Umorientierungsprozess betrifft nicht nur Deutschland. Weltweit ist in den vergangenen Jahren die Erkenntnis gereift, dass die Energiepolitik der führenden Industrienationen aus unterschiedlichen Gründen nicht zukunftsfähig ist und daher abgelöst werden muss von einer auf Nachhaltigkeit basierenden Politik. Der zunehmende weltweite Energiebedarf, hervorgerufen durch Bevölkerungswachstum, Industrialisierung und Globalisierung, kann allein mit Mineralöl langfristig nicht gedeckt werden. Die Ausbeutung der natürlichen Erdöl- und Erdgas-Vorkommen verursacht erhebliche Umweltprobleme, während die fossilen Ressourcen immer weiter dahinschmelzen. Hinzu kommt, dass die Abhängigkeit der ölimportierenden Länder von den Fördernationen ein zunehmendes politisches Konfliktpotential birgt.
Eine Abkehr von diesen Strukturen ist daher unvermeidlich. An ihre Stelle treten zunehmend neue Strukturen basierend auf erneuerbaren Energieträgern und alternativen Techniken. Das Schlagwort für diese neue energiepolitische Ära lautet: Nachhaltigkeit.
Eine nachhaltige Politik verlangt einen im Hinblick auf kommende Generationen verantwortungsbewussten Umgang mit Energie und Umwelt. Es geht um den effizienten Einsatz erneuerbarer Energieressourcen, die innerhalb der Nutzungsdauer wieder regeneriert werden können und bei der Verbrennung nur so viel Kohlendioxid freisetzen, wie zuvor bei der Erzeugung gebunden wurde.
Eine Ablösung der heutigen konventionellen Energiepolitik, die auf fossilen Primärenergieträgern und Kernbrennstoffen basiert, durch eine nachhaltige Politik ist jedoch nicht ohne weiteres von heut auf morgen realisierbar. Das Potential der erneuerbaren Energien ist zwar beträchtlich, steht aber nicht sofort in vollem Umfang zur Verfügung. Umso wichtiger ist es daher, den Anteil alternativer Energietechniken zügig zu vergrößern und umweltschonendere Antriebstechniken dort einzusetzen, wo es heute bereits möglich ist.
Einen wesentlichen Teil der Übergangsstrategie vom fossilen zum regenerativen Energiemanagement bildet – neben der zukünftig zunehmenden Nutzung von Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen – der verstärkte Einsatz von alternativen Kraftstoffen wie zum Beispiel Biodiesel, Pflanzenöl und Ethanol. Diese Energieträger können entscheidend dazu beitragen, dass die Mineralölreserven geschont werden, die Autarkie gefördert und gleichzeitig die Umweltbelastung durch Schadstoffemissionen vermindert wird. Auch Flüssiggas und Erdgas werden zu diesen Alternativlösungen gerechnet, obwohl es sich bei ihnen um fossile Energieträger handelt, deren Nutzung Umweltprobleme verursacht und die Ressourcen dezimiert. Als kurz- und mittelfristige Übergangslösung sind sie aber dennoch durchaus geeignet, vorausgesetzt, dass ihr Einsatz zeitlich befristet bleibt. Langfristig muss jedoch nach anderen Alternativen gesucht werden.
Im Fokus einer nachhaltigen Energiepolitik stehen derzeit die biogenen Kraftstoffe der ersten (Biodiesel, Pflanzenöl, Bioethanol) sowie der zweiten Generation (synthetische Kraftstoffe), obwohl auch hier noch einige Fragen offen sind. Hat der Anbau von Bioenergiepflanzen Sinn, wenn dafür riesige Urwaldflächen gerodet werden müssen? Ist es wirklich zielführend, große Mengen an Raps und Mais mit viel Dünger- und Pestizideinsatz erwirtschaften zu wollen, nur um anschließend einen „sauberen Kraftstoff“ einsetzen zu können? Lässt es sich verantworten, Getreide in Form von Bioethanol zu verbrennen, wenn in vielen Regionen der Welt Hunger herrscht? Nein. Hier muss sehr genau auf die gesamte Umwandlungskette der jeweiligen Kraftstoffe geachtet werden, von der Aussaat bis zum Abgas, und darauf, welcher Weg wirklich sinnvoll ist. Nicht alles, was die Vorsilbe „Bio“ trägt, ist auch wirklich nachhaltig.
Außerdem haben Maßnahmen zum Umweltschutz beziehungsweise zur Ressourcenschonung nur dann wirklich Sinn, wenn damit eine Energiesparpolitik einhergeht. Eine merkliche Effizienzsteigerung ist insbesondere vor dem Hintergrund des rasant steigenden Energiebedarfs in China, Indien und etlichen weiteren ehemaligen Entwicklungsländern von überaus großer Bedeutung.
Der derzeitige Gesamtwirkungsgrad bei der Energienutzung innerhalb Deutschlands liegt bei nur 30 %, weltweit liegt er lediglich bei 10 %. Eine derartige Verschwendung von insgesamt rund 90 % der nutzbaren Energie kann sich die Menschheit nicht länger leisten. Hier ist noch sehr großes Optimierungspotential vorhanden, um den Gesamtenergieverbrauch mit sinnvollen Einsparmaßnahmen zu reduzieren und die Effizienz signifikant zu erhöhen.
Dieses Buch soll dabei helfen, auf derartige energiewirtschaftliche Probleme hinzuweisen. Etwaige Verständnislücken sowohl bei Verbrauchern als auch bei Entscheidungsträgern können damit hoffentlich beseitigt werden, um einen bewussten Umgang mit Energien und eine nachhaltige Handlungsweise zu ermöglichen.
Um dies zu erreichen, wird im Folgenden zunächst über die derzeitige Situation im Energiesektor aufgeklärt. Es werden verschiedene alternative Kraftstoffe mit ihren Eigenschaften sowie Vor- und Nachteilen vorgestellt. Dies umfasst sowohl ihre chemischen und physikalischen Merkmale als auch ihre unterschiedlichen Herstellungsverfahren und Einsatzgebiete. Im Mittelpunkt steht dabei die Fahrzeugumrüstung, bei der aus ineffizienten Benzinmotoren relativ sauberere Gasmotoren und aus rußenden Dieselfahrzeugen biologische Allesbrenner gemacht werden. Beide Wege können heute schon auf Verbraucherseite merklich zur Kostensenkung beitragen.
Es werden zudem zahlreiche der bereits verfügbaren Pkw-Serienmodelle präsentiert, die bereits ab Werk mit alternativer Antriebstechnik ausgestattet sind. Darüber hinaus wirft dieser Ratgeber einen Blick auf die Frage, inwieweit synthetische Kraftstoffe beziehungsweise Wasserstoff als Kraftstoffe der Zukunft geeignet sind. Es folgen abschließend eine Auflistung zahlreicher Möglichkeiten der Energieeinsparung im Automobilsektor sowie mehrere Fahrberichte mit unterschiedlichen Fahrzeugtypen.
Nach der Lektüre dieses Buches sollten Sie in der Lage sein, sich ein eigenes, fundiertes Bild von der aktuellen Situation im Kfz-Bereich zu machen. Es sei an dieser Stelle nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Sie hier vergeblich nach allgemein gültigen Tipps zur Auswahl Ihres Traumwagens suchen werden. Bei der Kraftstoff- und Fahrzeugauswahl spielen derart viele verschiedene Faktoren eine Rolle, dass jeweils ganz individuell nach der besten Lösung gesucht werden muss. Sie werden bei Ihrer Suche aber feststellen, dass es gar nicht so schwierig ist, nachhaltig unterwegs zu sein, und dass die Zukunft schon längst begonnen hat. Nachhaltigkeit ist längst keine utopische Vision mehr.
2 ENERGIE-VERSORGUNG
2.1 Energiebedarf
2.2 Energieverbrauch
2.2.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland
2.2.2 Weltweite Energieversorgung
2.3 Zeitliche Verfügbarkeit
2.4 Umweltbelastung
2.4.1 Limitierte Emissionen
2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen
2.4.3 CO2-Problematik
2.4.4 Schadstofffreisetzung
2.5 Förderung & Besteuerung
2.6 Entwicklung
2.6.1 Wirtschaftliche Betrachtung
2.6.2 Technische Betrachtung
2.6.3 Thermodynamische Betrachtung
2 ENERGIEVERSORGUNG
Im Laufe von Jahrhunderten und Jahrtausenden haben sich die Energiequellen der Menschheit in immer kürzeren Abständen gewandelt. In den Frühzeiten der Entwicklung wurde über zig Jahrtausende hinweg Holz als Brennstoff verwendet. Dann in der Alt-Steinzeit wurde aus Holz die höherwertige Holzkohle hergestellt. Im Altertum entdeckte man dann Braun- und Steinkohle und machte diese nutzbar.
Der Vorteil der Kohle lag gegenüber dem Holz in ihrem höheren Brennwert bedingt durch die höhere Energiedichte, die wiederum ihre Ursache in der Entstehungsgeschichte findet. Bei den Ausgangsprodukten von Kohle handelt es sich um ein komprimiertes Gemisch aus tierischen und pflanzlichen Substanzen. Die Bestandteile sind verschiedenartige Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die über einen sehr langen Zeitraum unter der Erdoberfläche eingelagert waren und von den darüber befindlichen Erdschichten zusammengedrückt wurden, weshalb neben der Stoffdichte auch die Energiedichte besonders hoch ist.
Ähnlich sind die Entstehungsgeschichten beim Erdöl und beim Erdgas. Auch diese so genannten fossilen Primärenergieträger bedurften für ihre Entstehung besonderer Voraussetzungen hinsichtlich Temperatur, Druck und katalytischer Wirkungsmechanismen. Erdgas entstand vor ungefähr 600 Mio. Jahren aus abgestorbenen Kleinorganismen, Plankton und Algen, die sich auf dem Grund der Ozeane ablagerten und im Laufe der Zeit von Gesteins- und Erdschichten überdeckt wurden. Unter Luftabschluss und bei hohem Druck bildeten sich durch einen chemischen Prozess aus diesen organischen Substanzen Kohlenwasserstoffe.
Die Nutzung dieser fossilen Stoffe begann in den Jahren 1858/59 fast zeitgleich in Celle, Deutschland, und in Pennsylvania, USA. Einen Ölboom, wie er in Nordamerika in den Folgejahren ausbrach, konnte Deutschland allerdings nicht verzeichnen. Damals wie heute förderten die Deutschen nur ungefähr drei Prozent ihres Ölbedarfs selbst. 80 % des in Deutschland geförderten Öls kamen in der Zeit von 1910 bis 1963 aus Wietze, seit 1964 auch aus der Nordsee.
Die Förderung von Erdgas begann erst in den 1970er Jahren. Bis dahin wurde das Gas als störend empfunden und einfach verbrannt (abgefackelt).
ABB. 1: ÖLPLATTFORM IM GOLF VON MEXIKO
Alle fossilen Energieträger entstammen längst vergangenen Zeiten und haben Jahrmillionen bis zu ihrer Entstehung in der heute vorliegenden Form benötigt. Der ursprünglich in der Atmosphäre vorhandene Kohlenstoff wurde zunächst in Pflanzen und Tieren gebunden und im Laufe der Zeit in tiefer gelegenen Erdschichten eingeschlossen. Ursprünglich ist der atmosphärische Kohlenstoffanteil um einiges höher als heute gewesen, aber da mehr und mehr Kohlenstoffverbindungen unter Tage weggesperrt wurden, verringerte sich der CO2-Anteil in der Atmosphäre, da Kohlenstoff zunehmend dem oberirdischen Kreislauf entzogen wurde. Da dieser Prozess nur sehr langsam ablief, hatte die Natur damals Zeit genug, um sich auf diese Veränderung einzustellen.
Seit der industriellen Revolution Ende des 18. Jahrhunderts werden diese Kohlenwasserstoffverbindungen wieder aus ihren Verstecken hervorgeholt und durch ihre Verbrennung zurück in die Atmosphäre entlassen. Im ursprünglichen Sinne ist dieser Vorgang also ganz natürlich. Das Problem ist allerdings, dass sich die heutigen Lebensformen auf der Erde nicht in einem angemessenen Zeitraum an die veränderten Lebensbedingungen mit einem höheren Kohlenstoffanteil anpassen können, weil diese Rückführung zu schnell abläuft. Dass es tatsächlich zu Veränderungen kommt, ist nicht schwer nachzuvollziehen, wenn man sich überlegt, dass ein maßgeblicher Anteil des Kohlenstoffes, der über Jahrmillionen unterirdisch gespeichert war, innerhalb von 100 Jahren wieder freigesetzt wird. Es ist mehr als verständlich, dass das komplizierte natürliche Gleichgewicht dabei schnell aus der Balance geraten kann.
Der unbändige Energiehunger der Menschheit ist indes auch trotz dieser Ausbeutung längst noch nicht befriedigt. Als weitere Option wurde daher die Kernenergie ins Spiel gebracht, die Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt wurde. Mit dieser Technik können zwar beeindruckend große Energiemengen aus relativ kleinen Mengen Kernbrennstoff gewonnen werden, dafür treten aber bei deren Nutzung schwer wiegende Entsorgungs- und Gesundheitsprobleme auf, die nicht nur unsere Generation, sondern auch noch zahlreiche zukünftige Generationen in erheblichem Maße belasten werden. Dieser Ausflug in die Kerntechnik entpuppte sich folglich als Holzweg, zumindest für die Bundesrepublik Deutschland. Hier ist der Ausstieg aus der Kernenergie beschlossene Sache, obwohl einige Politiker dies regelmäßig wieder in Frage stellen.
ABB. 2: SANGACHAL-PIPELINE BEI BAKU, ASERBAIDSCHAN
Die Suche nach einer geeigneten Energieform ist demnach immer noch nicht zufrieden stellend geklärt, weshalb vorerst an den vorhandenen Energieträgern festgehalten wird. Die ungehemmte weitere Nutzung fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) beinhaltet allerdings zwei gravierende Nachteile:
1. Die natürlichen Ressourcen sind begrenzt (s. Kap. 2.3).
2. Die Verbrennungsprodukte sind umweltschädlich (s. Kap. 2.4).
Es werden zwar immer wieder neue Erdölquellen und Erdgasfelder entdeckt, aber es ist nicht zu leugnen, dass die Gesamtvorkommen endlich sind und in unbestimmter Zeit erschöpft sein werden. Hinzu kommt, dass die Emissionen, die in den Industrieländern verursacht werden, auch anderswo erhebliche Schäden verursachen: Abgasemissionen verunreinigen über Grenzen hinweg die Luft, undichte Öl- und Gas-Pipelines verseuchen Grundwasser und Böden, gekenterte Tankschiffe verdrecken Ozeane und Meeresbewohner. In vielen Fällen bezahlen unschuldige Lebewesen mit ihrer Gesundheit für die Annehmlichkeiten der Industrienationen.
Ebenso wie bei der Diskussion über die Kernenergie müssen wir uns daher fragen, ob wir unsere Handlungsweise gegenüber diesen Lebewesen – Mensch wie Tier – sowie nachfolgenden Generationen rechtfertigen können.
2.1 Energiebedarf
Ein entscheidender Faktor, der sehr eng mit dem zunehmenden Energiebedarf verknüpft ist, ist das weltweite Bevölkerungswachstum. Die Weltpopulation nimmt seit den ersten Schritten des Homo sapiens auf der Erde stetig weiter zu. Derzeit sind wir bei 6,6 Mrd. Menschen. Momentan wächst die Population pro Jahr um 80 Mio. Erdenbewohner an. Bis zum Jahr 2050 wird die Weltbevölkerung voraussichtlich bei neun Milliarden Menschen liegen.
In gleichem Maße, wie die Population auf diesem Planeten zunimmt, steigt auch die benötigte Energiemenge. Allein mit Holz können sich die Menschen schon lange nicht mehr versorgen, auch, wenn Holz in vielen Regionen heute immer noch der Energieträger Nummer eins ist. Neue Energiequellen sind daher notwendig, damit das Leben und Überleben in der heutigen Zeit möglich bleibt.
Darüber hinaus nimmt der Energiebedarf pro Person immer weiter zu. Speziell in Zeiten der Globalisierung, in denen der Wunsch nach mehr Mobilität die Kilometerleistung der Fahrzeuge in die Höhe treibt und den Bewegungsradius jedes Einzelnen erweitert, wird immer mehr Energie von jeder Person benötigt. Weltweit schreitet die Industrialisierung immer weiter voran. Die Milliardenbevölkerung Indiens und Chinas fordert ebenso ihr Recht auf mehr Mobilität ein wie die Bewohner der Industriestaaten. Mit der gleichen Selbstverständlichkeit, mit der Amerikaner und Europäer für sich in Anspruch nehmen, frei und unabhängig zu sein, steht auch jedem anderen Erdbewohner das Recht auf Mobilität und damit auf ein Fortbewegungsmittel seiner Wahl inklusive der benötigten Energie zu.
Aktuelle Lage:
· Der gesamte Verkehrssektor (inkl. Gütertransport, Flugzeug- und Schiffsverkehr) verbraucht fast die Hälfte des weltweit geförderten Erdöls; Tendenz steigend.
· Die Gesamtzahl aller Kraftfahrzeuge weltweit wird sich voraussichtlich von derzeit über 900 Mio. bis zum Jahr 2030 mehr als verdoppeln (BRD, 2009: 49,6 Mio. Kfz).
· Die globale Autoflotte wächst doppelt so schnell wie die Weltbevölkerung.
Diese alarmierenden Zahlen belegen den unweigerlichen weiteren Anstieg des weltweiten Energiebedarfes. Im Jahr 2030 wird er voraussichtlich um 50 % über dem Wert von 2007 liegen. Noch ist es zwar so, dass ein Inder im Durchschnitt nur ein Zehntel der CO2-Emissionen eines Deutschen verursacht. Mit fortschreitender Industrialisierung und Mobilität wird die persönliche Bilanz aber bald auch dort auf westlichem Niveau angekommen sein.
Diesem Trend wirkt – zumindest teilweise – die technische Weiterentwicklung entgegen. Indem die Wirkungsgrade der Energieverbraucher verbessert werden, können beträchtliche Energiemengen eingespart werden. Hier anzusetzen ist ein lohnenswertes Unterfangen, da die Gesamteffizienz im Energiesektor noch nicht sonderlich hoch liegt. Weltweit gehen rund neun von zehn Kohlen ungenutzt zum Schornstein hinaus. In Deutschland ist die Effizienz zwar etwas höher, aber auch hier gehen sieben von zehn Litern Öl in Form von heißer Luft verloren.
ABB. 3: FRÜHESTE GEWÖHNUNG ANS AUTOMOBIL
Aber trotz Wirkungsgradanhebungen steigt der Gesamtenergiebedarf weltweit drastisch weiter an. Über die vergangenen Jahre gesehen hat sich der gesamte Mineralölverbrauch seit 1960
· in den USA mehr als verdoppelt,
· in Europa mehr als vervierfacht,
· im pazifischen Raum versechsfacht.
Dabei gibt es ein krasses Missverhältnis zwischen den Industrie- und den Entwicklungsländern bezüglich des Energieverbrauches und des Anteils der Weltbevölkerung (s. Abb. 4).
Die westliche Welt verbraucht mehr als die Hälfte der weltweiten Energievorkommen, obwohl sie lediglich ein Siebtel der Weltbevölkerung stellt. In den USA leben lediglich fünf Prozent der Weltbevölkerung. Diese konsumieren aber rund 26 % des gesamten Rohöls. Beim gesamten Energieverbrauch sind die USA ebenfalls mit 21,4 % führend. Auf Platz 2 steht mit 15,6 % mittlerweile China.
Es stellt sich daher die entscheidende Frage, wie heute und auch in den kommenden Jahren der Weltenergiebedarf auf eine nachhaltige Art gedeckt werden kann. Zunächst aber noch einige weitere Details zum aktuellen Stand bei der Energieversorgung.
ABB. 4: UNTERSCHIED ZWISCHEN INDUSTRIE- & ENTWICKLUNGSLÄNDERN
2.2 Energieverbrauch
Bei der Betrachtung des heutigen Energieverbrauches muss zunächst darauf hingewiesen werden, dass sich der Primärenergieverbrauch zusammensetzt aus den Bereichen Strom-, Wärme- und Kraftstoffbedarf.
2.2.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland
In Deutschland nehmen die fossilen Primärenergieträger den größten Teil bei der Deckung des Energiebedarfes ein (s. Abb. 5). Im Jahr 1990 lag ihr Anteil bei rund 88 %, 2009 waren es noch 79 %. Der größte prozentuale Anteil am Primärenergieverbrauch wird in Form von Mineralöl bereitgestellt. An zweiter Stelle folgt Kohle (Braun- und Steinkohle zusammen 22,5 %), dicht dahinter kommt Erdgas und mit weiterem Abstand die Kernenergie.
ABB. 5: ENTWICKLUNG DES PRIMÄRENERGIEVERBRAUCHS IN DEUTSCHLAND (IN %)
ABB. 6: AUFTEILUNG DER ERNEUERBAREN ENERGIEN 2007
In den vergangenen Jahren hat es deutliche Veränderungen beim Energiemix gegeben. Erdgas konnte seinen Anteil innerhalb von 15 Jahren um mehr als 40 % vergrößern, während der Anteil von Steinkohle um über 20 % abgenommen hat. Braunkohle bleibt nach einem 50%igen Einbruch im vorigen Jahrzehnt bei etwa 11 %. Die Bereiche Mineralöl und Kernenergie haben von 1990 bis 2000 einige Prozentpunkte gewonnen, mittlerweile ist ihr Anteil aber wieder auf das Niveau von 1990 zurückgegangen.
Insgesamt werden in Deutschland zunehmend gasförmige Energieträger eingesetzt. Diese Entwicklung ist vor allem durch die voranschreitende Substitution der Kohle durch Erdgas zu erklären, die unter anderem auf den fortschreitenden Umbau der Industrie und modernere Heiztechnik in den neuen Bundesländern zurückzuführen ist.
Trotz eines geringfügig reduzierten Gesamtprimärenergieverbrauchs (PEV) nimmt der Anteil erneuerbarer Energien (EE) seit mehreren Jahren zu. Dieser stetige Aufwärtstrend, der lediglich im Jahr 1996 (Liberalisierung des deutschen Strommarktes) einen Aussetzer verbuchen musste, dauert mittlerweile über 20 Jahre an. Zunächst verlief dieser Anstieg infolge der Einführung des Stromeinspeisegesetzes (im Jahr 1991) eher langsam, seit 1999 jedoch recht zügig. Dies liegt unter anderem an der Einführung des 100.000-Dächer-Solarstrom-programms (1999) sowie des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG, 2000).
Ursprünglich hatte sich die Bundesregierung zum Ziel gesetzt, den Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch von 2,1 % im Jahr 2000 auf 4,2 % 2010 zu verdoppeln. Diese Marke wurde aber bereits 2004 (4,5 %) überschritten. 2009 lag der Anteil der erneuerbaren Energien über alle Sparten hinweg bei rund 9 %.
2.2.2 Weltweite Energieversorgung
Der gesamte Weltenergiebedarf nahm in den vergangenen Jahren stetig zu, insbesondere durch das rasante Wirtschaftswachstum in bevölkerungsstarken Regionen. Der größte Beitrag zur weltweiten Primärenergieversorgung wird nach wie vor vom Erdöl geleistet (2005: 36 %), auch wenn einzelne Länder wie beispielsweise China rund 72 % mit Kohle und Frankreich 41 % mit Kernenergie abdecken. An zweiter Stelle folgt Kohle, deren weltweiter Anteil bedingt durch das Wirtschaftswachstum in Asien mittlerweile auf mehr als ein Viertel des Weltenergieverbrauchs angewachsen ist. Nach Erdgas (25 % am PEV) folgt Wasserkraft, die die Kernenergie auf Platz 5 abgedrängt hat.
Auch in Zukunft wird Mineralöl weltweit noch lange Zeit der Hauptenergieträger bleiben. Der zwischenzeitlich drastische Anstieg des Rohölpreises sowie die folgende weltweite Rezension haben aber zunächst eine Verlangsamung des Verbrauchsanstiegs bewirkt. In den Jahren 2005 bis 2008 konnte man erstmals eine Stagnation der Ölfördermenge feststellen. Die Raffineriekapazitäten gelangten in dieser Zeit an ihren Grenzen. Außerdem entwickelten sich leicht erreichbare Der anschließende Absturz des Ölpreises war vornehmlich durch die weltweiten Rezensionsängste geprägt. Innerhalb von nur sechs Monaten rutschte der Barrelpreis wieder auf unter 40 US-Dollar hinunter. 2009 und 2010 pendelte er sich dann bei 70 bis 80 US-Dollar ein.
TAB. 1: WELTWEITE ENTWICKLUNG DES PRIMÄRENERGIEVERBRAUCHS 2005
ABB. 7: DER ÖLPREIS STEIGT UND FÄLLT [US$/BARREL]
Mittelfristig dürfte der Ölpreis sich nach und nach wieder nach oben orientieren, da der weltweite Energiebedarf weiter steigen wird.
Europa befand sich in diesen Zeiten in der glücklichen Lage, mit dem Euro über eine relativ krisenfeste Währung zu verfügen. Fast parallel zum Ölpreisanstieg hatte der Euro gegenüber dem US-Dollar an Wert gewonnen. Notierte der Euro nach seiner Einführung Anfang 1999 zunächst am Tiefpunkt bei 0,82 US-Dollar (Ende 2000), so erreichte er Anfang 2008 ein zwischenzeitliches Rekordhoch von fast 1,60 US-Dollar. Dadurch machte sich der zwischenzeitlich hohe Ölpreis nicht ganz so stark bemerkbar, da Öl in US-Dollar gehandelt wird. Dennoch stieg der Benzinpreis im Mai 2008 bis auf über 1,50 Euro pro Liter. Im Jahr 1998 zahlten Autofahrer lediglich 80 Cent, also noch etwas weniger als Ende 2008 (1,10 Euro).
Innerhalb Europas ist die Bundesrepublik der größte Energieverbraucher mit 3,95 TWh gefolgt von Frankreich (3,21 TWh) und Großbritannien (2,72 TWh). Mit einer Zunahme des Energieverbrauchs wird europaweit derzeit nicht gerechnet, da sich die Effizienz bei vielen Prozessen stetig weiter verbessert.
TAB. 2: ERNEUERBARE ENERGIEN IN DER EU
Auf dem Weltmarkt ist die Situation bei den regenerativen Energien derzeit noch etwas verhalten, da die Energieversorgung mit erneuerbaren Energien aufgrund der unterschiedlichen regionalen Begebenheiten weltweit sehr stark von den natürlichen Energievorkommen und geographischen Erscheinungsformen geprägt ist. Island verfügt beispielsweise über Thermalquellen (Geothermie), während in Kanada Wasserkraft und in Chile Windenergie maßgebliche Rollen spielen. Der Beitrag erneuerbarer Energien zur Deckung der globalen Energienachfrage liegt momentan bei rund 13 % bezogen auf den gesamten Primärenergieverbrauch. Außer bei der Wasserkraft, die bereits wesentlich zur Stromerzeugung beiträgt, ist die Bedeutung der anderen erneuerbaren Energielieferanten insgesamt recht niedrig.
2.3 Zeitliche Verfügbarkeit
„Das Ende des Ölzeitalters hat begonnen. Dieser Erkenntnis müssen wir uns stellen.“
Dieses Zitat ist längst keine Forderung allein von Öko-Aktivisten mehr. Es wird mittlerweile auch von deutschen Politikern unterstützt, und auch die USA, die lange Zeit nichts von Klimawandel und erneuerbaren Energien wissen wollten, stimmen dem inzwischen zu.
Es ist allerdings noch so, dass die fossilen Energieträger den weitaus größten Anteil am Energieverbrauch ausmachen und der Gesamtenergiebedarf stetig weiter zunimmt. Daher ist absehbar, dass die natürlichen Vorkommen dieser Primärenergieträger weiter schrumpfen. Durch neue Bohrungen werden zwar immer wieder neue Öl- und Gasvorkommen entdeckt, aber Fakt ist, dass ein Barrel Öl oder eine Tonne Kohle kein zweites Mal verbrannt werden kann. Die Ressourcen schwinden definitiv, denn auch die Funde neuer Vorkommen werden seltener und zudem kleiner.
Die Diskussion über die genaue Bezifferung der zeitlichen Verfügbarkeit dieser Öl-, Gas- und Kohlevorkommen ist ein fortwährender Kampf unterschiedlicher Interessengruppen. Vertreter der Mineralölindustrie erklären seit Jahren, es seien noch ausreichend Reserven vorhanden und in absehbarer Zukunft (20 bis 40 Jahre) würde kein Mangel auftreten. Genau die gegenteilige Meinung vertreten Umweltverbände, indem sie sagen, in nächster Zeit (10 Jahre) würden die Reserven drastisch abnehmen.
Ironischerweise steht derzeit so viel Öl wie nie zuvor zur Verfügung. Während sich die weltweiten Reserven gemäß der Studie Oeldorado 2008 von ExxonMobil auf 178 Mrd. t beliefen, waren es 2008 rund 182 Mrd. t. Demgegenüber beliefen sich die Zahlen für das Jahr 1957 lediglich auf einen Bruchteil: 36 Mrd. t. Damals lag sowohl der Verbrauch als auch die Raffineriekapazität nur bei einem Viertel des heutigen Wertes.
Diese wundersame Vermehrung der Reserven hat unterschiedliche Ursachen:
– Früher wurde Öl nur in Wassertiefen von bis zu 75 m gefördert. Heute arbeitet man in bis zu 400 m tiefen Gewässern, mitunter sogar in 3.000 m Tiefe.
– Früher wurde nur 35 % des vorhandenen Öls aus den Lagerstätten gefördert. Heute ermöglicht die technische Weiterentwicklung eine Nutzung von bis zu 70%.
– Früher bei niedrigem Barrelpreis waren viele Lagerstätten nicht wirtschaftlich ausbeutbar. Heute lohnt sich auch der aufwendige Abbau von Ölschiefer und Ölsanden.
Sehr viel kritischer geht die Energy Watch Group an dieses Thema heran. Sie geht davon aus, dass der so genannte Mid Depletion Point (Punkt des größten Ölfördervolumens) bereits im Jahr 2006 überschritten wurde. Im Oktober 2007 gab die Forschungsgruppe der Ludwig-Bölkow-Stiftung bekannt, dass die weltweiten Ölfördermengen mittlerweile mit einigen Prozentpunkten pro Jahr rückläufig sind. Laut Industriedatenbank HIS (2006) werden die Weltölreserven zwar auf 1.255 Giga-Barrel geschätzt, aber für die Wissenschaftler gibt es stichhaltige Gründe, diese Zahl für einige Regionen und Schlüsselländer nach unten zu korrigieren. Ihrer Schätzung nach belaufen sich die Reserven nur auf 854 Giga-Barrel.
Gestützt werden diese Annahmen unter anderem durch die Aussage König Abdullahs von Saudi-Arabien, dem größten Ölproduzenten der Welt, der sagte:
„Der Ölboom ist vorbei und wird nicht zurückkehren. Wir müssen uns alle an einen anderen Lebensstil gewöhnen.“ Ganz anderer Meinung war hingegen lange Zeit die Internationale Energie Agentur (IEA). Sie bestritt bis 2007, dass eine grundlegende Änderung der Energieversorgung in naher oder weiterer Zukunft wahrscheinlich sei. Erst im World Energy Outlook 2008 skizzierte sie erstmals ein etwas anderes Bild: Ohne umfassende Investitionen in neue Fördervorhaben könnte es schon bald zu bedenklichen Engpässen kommen, warnte die IEA.
ABB. 8: STETIGES NICKEN DER „PFERDEKÖPFE“
Wie viel Öl tatsächlich noch vorhanden ist, ist nur schwer zu sagen. Anfang 2007 war im Brennstoffspiegel, dem deutschen Energiemagazin der Mineralölwirtschaft, zu lesen: „Nicht einmal die Ergiebigkeit der Quellen, aus denen heute Öl gefördert wird, ist wirklich bekannt.“ Weiter hieß es dort, dies läge daran, „dass die Mitglieder der OPEC auf Teufel komm raus schwindeln, wenn sie nach ihren Ölreserven gefragt werden. Sie geben sie zu hoch an.“ [Ottlik, 2007]
Der Hintergrund für eine derartige Verzerrung der Tatsachen ist, dass die Organisation Erdöl exportierender Länder (Organization of the Petroleum Exporting Countries, OPEC) über die jeweils erlaubte Fördermenge ihrer Mitglieder entscheidet. Für die Bestimmung der Fördermenge gibt es einen Berechnungsschlüssel, der sich nach der Größe der im Land vorhandenen Reserven bestimmt. „Je größer die Reserve eines Landes, desto höher die ihm zugebilligte Förderquote. Deshalb werden die Zahlen geschönt, um es zurückhaltend zu formulieren.“ [Ottlik, 2007]
In dieses Bild passt auch die Neubewertung des Mineralölkonzerns Shell Anfang 2004, der nach eigenen Aussagen seine Reserven falsch eingeschätzt hatte und die Mengenangabe um ein Drittel reduzieren musste.
Die Summe aller fossilen Energieträger verringert sich währenddessen unweigerlich mit jedem weiteren Tag, an dem auch nur ein Fahrzeug mit Benzin fährt oder ein Haus mit Kohle oder Gas geheizt wird. Die eigentliche Frage muss demnach nicht lauten, wie lange die Vorkommen tatsächlich noch reichen. Stattdessen sollte sich jeder Einzelne fragen, wie die noch existierenden Primärenergieträger im Sinne einer nachhaltigen Handlungsweise verantwortungsvoll und bewusst eingesetzt werden können.
Mineralöl, das so genannte schwarze Gold, gilt als hochwertiger Energieträger, weil es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist (z. B. chemische Industrie, Textil- & Pharmaindustrie). Deswegen spielt die Überlegung eine wichtige Rolle, ob es für die Verfeuerung in Heizkesseln oder den Antrieb von Kraftfahrzeugen nicht einfach zu schade ist, gerade weil es nicht endlos viel davon gibt.
Erdgas inklusive diverser Folgeprodukte (z. B. Propan, Butan) ist genau wie Mineralöl ein endlicher, fossiler Primärenergieträger, wobei es im direkten Vergleich als nicht ganz so hochwertig angesehen wird. Die zeitliche Verfügbarkeit von Gas wird hingegen etwas höher angesetzt als bei Öl. Der Vorteil von Gas besteht darin, dass es als Übergangsprodukt fungieren kann für eine allmähliche Abkehr vom Mineralöl. Erdgas und auch Flüssiggas verursachen bei der Verbrennung deutlich weniger Schadstoffe und eignen sich daher gut für den Einsatz in Kraftfahrzeugen (s. Kap. 4.4.5 Umrüstung). Außerdem können mit ihnen praktische Erfahrungen im Umgang mit Gasen gesammelt werden, um später einen ebenfalls gasförmigen Kraftstoff einzusetzen: Wasserstoff.
ABB. 9: DIE OFFIZIELL GRÖSSTEN ÖLLÄNDER 2009 [ÖLRESERVEN IN Mrd. t]
2.4 Umweltbelastung
Die Diskussion über den Einsatz fossiler oder erneuerbarer Energieträger geht weit über deren zeitliche Verfügbarkeit und den globalen Energieverbrauch hinaus. Sie beinhaltet darüber hinaus auch das überaus wichtige Thema der Umweltbelastung. Aber was genau bedeutet eigentlich Umweltbelastung?
Mit der Umwelt ist neben den Menschen auch die gesamte Tier- und Pflanzenwelt gemeint – inklusive der Luft, die wir atmen, und des Bodens, auf dem wir gehen. Alle Einflüsse, die diese Umwelt negativ beeinflussen, können als Umweltbelastung bezeichnet werden.
Am offensichtlichsten sind die Einschnitte in die Natur beim Braunkohleabbau, wie er beispielsweise in der Lausitz oder auch im Ruhrgebiet betrieben wird. Der Obertageabbau von Braunkohle ist zwar finanziell sehr viel günstiger als der Untertageabbau von Steinkohle, hat aber auch beträchtliche Umweltschäden zur Folge:
· großräumige Grundwasserabsenkungen
· Erschwerung der Trinkwassergewinnung
· Bodenabsenkungen
· Schäden an Pflanzen- und Tierwelt
Auch für die Menschen hat dies drastische Auswirkungen, da ganze Siedlungen umgesetzt werden müssen. Allein bei Garzweiler II mussten zwölf Dörfer mit 8.000 Menschen umgesiedelt werden. Im Saarland wurde mittlerweile der Kohleabbau bis zum Jahr 2012 befristet, da es in der Vergangenheit durch wiederholte und immer häufiger werdende Bodenabsenkungen zu einer ernsthaften Gefährdung von Gebäuden und auch Menschen kam.
ABB. 10: RIESIGE BAGGER BEACKERN RIESIGE BRAUNKOHLEFELDER
Etwas subtiler und nicht ganz so offensichtlich geht es bei den Umweltbeeinträchtigungen zu, die durch die Nutzung der Primärenergieträger verursacht werden. Bei der Verbrennung (Oxidation) fossiler Energieträger werden unweigerlich Schadstoffe freigesetzt, weil sich bei dieser Reaktion deren chemische Struktur verändert. In der Theorie muss es sich dabei allerdings nicht gezwungenermaßen um Schadstoffe handeln. Solange eine vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen stattfindet (s. Formel), werden theoretisch nur Reaktionsprodukte erzeugt, die für die Umwelt unbedenklich sind: Kohlendioxid und Wasser. Inwieweit Kohlendioxid als schädlich oder unschädlich bezeichnet werden kann, wird im nachfolgenden Kapitel behandelt.
CnHm + (n + m/4) O2 → n CO2 + m/2 H2O
Weil in der Realität aber nicht nur die Kohlenwasserstoffe als Reaktionspartner für Sauerstoff zur Verfügung stehen, sondern auch große Mengen Stickstoff (79% der Umgebungsluft sind Stickstoff), entstehen auch Stickoxide (NOx), die als Schadstoffe angesehen werden. Noch problematischer wird es, wenn es zu einer unvollständigen Verbrennung infolge Sauerstoffmangels kommt, so dass Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Schwefeloxid und beim Dieselmotor auch Ruß entstehen.
In der Praxis findet eigentlich nie eine vollständige Verbrennung statt. Demzufolge entstehen tatsächlich bei jedem Verbrennungsprozess, bei dem fossile Energieträger beteiligt sind, gewisse Mengen Schadstoffe: limitierte und nicht limitierte Emissionen.
„Ob etwas giftig ist, entscheidet allein die Dosierung!“
2.4.1 Limitierte Emissionen
Bei den limitierten Emissionen handelt es sich um die gesetzlich reglementierten Schadstoffe. Dass andere Substanzen ebenfalls die Umwelt belasten können, ist selbstverständlich.
· Kohlenwasserstoffe (CnHm): Allgemeine Bezeichnung für organische Verbindungen, die aus verschiedenen Anteilen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Treten Kohlenwasserstoffe im Abgas auf, ist dies ein Zeichen für eine unvollständige Verbrennung mit entsprechend geringerem Wirkungsgrad. Aromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen werden krebserregende Eigenschaften zugeschrieben.
· Kohlenmonoxid (CO): Reiz-, farb- und geruchsloses Gas, das bei der unvollständigen Verbrennung von organischen Verbindungen entsteht. Es wirkt gesundheitsgefährdend, da es die Sauerstoffaufnahme des Blutes behindert.
· Stickoxide (NOx): NOx umfasst Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2). Sie entstehen insbesondere bei hohen Verbrennungstemperaturen. NO greift die Schleimhäute der Atmungsorgane an und begünstigt Atemwegserkrankungen. In Luft reagieren die Oxide in Verbindung mit Wasser zu Salpetersäure (HNO3) und sind für den sauren Regen mitverantwortlich. Stickoxide tragen außerdem zur Smogbildung bei.
· Ruß (C): Reiner, unverbrannter Kohlenstoff. Er wird vornehmlich in Dieselaggregaten erzeugt. An den Kohlenstoffpartikeln können polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe angelagert sein, denen eine karzinogene (krebserzeugende) Wirkung nachgesagt wird.
2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen
· Schwefeldioxid (SO2): Farbloses, stechend riechendes Gas. Es entsteht überwiegend als unerwünschtes Nebenprodukt bei der Verbrennung schwefelhaltiger, fossiler Energieträger wie beispielsweise Kohle oder Öl. Reaktionsprodukte von Schwefeldioxid führen vermischt mit Wasser und Salpetersäure zur Bildung sauren Regens, der für das Waldsterben mitverantwortlich ist.
· Kohlendioxid (CO2): Farbloses, nicht brennbares, geruchloses und ungiftiges Gas, das mit ca. 0,03 % natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre ist (s. auch Kap. 2.4.3 CO2-Problematik).
· Polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH): Einige besitzen karzinogene und auch mutagene Eigenschaften (Krebs und Mutationen auslösend).
· Benzol, Toluol, Xylol (BTX): Leicht flüchtige, aromatische Einzel-Kohlenwasserstoffe in ringförmiger chemischer Anordnung; Benzinbestandteile. Benzol gilt als krebserzeugend. Toluol kann in erhöhter Konzentration Schleimhautreizungen, Störungen des Nervensystems sowie Schädigungen an Leber, Niere und Gehirnzellen verursachen.
· Formaldehyd (HCHO oder CH2O): Wasserlösliches, sehr reaktionsfreudiges, säuerlich-stechend riechendes, farbloses Gas, karzinogen. Es gehört zur Gruppe der Aldehyde und kommt meist in 35%iger wässriger Lösung als Formalin in den Handel. Es entsteht als Nebenprodukt bei fast allen Verbrennungsprozessen.
2.4.3 CO2-Problematik
Beim Thema Kohlendioxid scheiden sich die Geister, wie diese Substanz am treffendsten tituliert werden kann:
· als Schadstoff
· als Treibhausgas
· als natürliches Umweltgas
Kohlendioxid, chemisch korrekt Kohlenstoff-Dioxid genannt, ist ungiftig und ein natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre. Bei der Photosynthese wird es von Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie und Wasser in energiereichere Kohlenhydrate überführt, wobei Sauerstoff freigesetzt wird, den wiederum Menschen und Tiere zum Leben und Überleben benötigen. Auch die Kohlenhydrate werden von Mensch und Tier für deren Stoffwechsel aufgenommen, zu CO2 und Wasser abgebaut und durch Atmung an die Außenluft abgegeben beziehungsweise in Biomasse umgewandelt.
Vor Jahren waren sich die Wissenschaftler noch uneins darüber, ob Kohlendioxid tatsächlich einen Einfluss auf das Klima hat. Mittlerweile stimmen weit über 90 % der Wissenschaftler darin überein, dass die vom Menschen verursachte Emission von Treibhausgasen (inklusive Kohlendioxid) einen globalen Klimawandel bewirkt. Bei der Interpretation dieser Aussage, welche Folgen dies also haben könnte, sind sich die Forscher jedoch noch uneins.
Aber worum genau geht es eigentlich bei der CO2-Problematik?
Die Erdatmosphäre ist weitestgehend durchlässig für einfallendes, sichtbares Sonnenlicht. Die Rückstrahlung von langwelliger Infrarotstrahlung ins Weltall wird hingegen erschwert, weil bestimmte Substanzen in der Atmosphäre dies teilweise verhindern. Damit verhält sich die Atmosphäre ähnlich wie das Glasdach eines Treibhauses, wovon dieses Phänomen seinen Namen bekommen hat: Treibhauseffekt.
Nach der aktuellen wissenschaftlichen Definition trägt der in hohen Luftschichten befindliche Wasserdampf zu zwei Dritteln die Schuld an dieser verminderten Rückstrahlung. Zu einem Viertel ist daran Kohlendioxid, zu etwa 2 % sind Methan und zu rund einem Zehntel andere klimawirksame Substanzen beteiligt. Diese im eigentlichen Sinne natürliche Eigenschaft der Atmosphäre hebt die durchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche um etwa 30 °C an. Ohne dieses Phänomen wäre es also um einiges kälter auf unserem Planeten.
Wird heutzutage vom Treibhauseffekt gesprochen, ist damit eine über das natürliche Maß hinausgehende Erwärmung der Erde gemeint. Einige Klimamodelle sagen in den nächsten 50 Jahren eine globale Temperaturerhöhung um 1,5 bis 4,5 °C voraus. Diese deutliche Erwärmung wird der Konzentrationszunahme von Kohlendioxid, Methan, FCKW, Distickstoff-Oxid sowie anderer Spurengase zugeschrieben, die auf die Industrialisierung der Menschheit zurückgeführt wird.
Seit dem ersten Klimagipfel in Rio de Janeiro im Jahr 1992 diskutieren die Teilnehmerstaaten über eine geeignete gemeinsame Vorgehensweise, um diese von den Menschen verursachte Temperaturerhöhung einzudämmen. Zunächst einigte man sich auf die Agenda 21, die keine konkreten Vereinbarungen beinhaltete. Erst im Jahr 1997 verständigten sich insgesamt 160 Staaten in der japanischen Stadt Kyoto auf die Verringerung ihres Schadstoffausstoßes. Die Industrieländer verpflichteten sich, ihre Emissionen an Kohlendioxid und Treibhausgasen bis zum Zeitraum 2008 bis 2012 um durchschnittlich 5,2 % gegenüber dem Vergleichsjahr 1990 zu senken. Offiziell in Kraft getreten ist das Kyoto-Protokoll erst 2005. Die Vereinigten Staaten von Amerika, damals der weltweit größte CO2-Emittent, distanzierten sich jedoch zunächst ebenso wie einige weitere Nationen von dieser Vereinbarung.
Die im Protokoll vereinbarten Maßnahmen sollen Anreize schaffen, Emissionen zu reduzieren. Der Beschluss nennt verschiedene Instrumente, mit denen die Emissionsziele erreicht werden können, wie zum Beispiel den internationalen Emissionshandel.
Die Europäische Union (EU) hat im Zuge dieser Vereinbarung zugesichert, ihre CO2-Emissionen um 8 % bis zum Zeitraum 2008 bis 2012 zu reduzieren. Wegen der unterschiedlichen Lastverteilung innerhalb der EU hat die Bundesrepublik Deutschland 21 % zugesichert, während anderen europäischen Ländern ein Anstieg ihrer Zahlen zugestanden wurde (z. B. Griechenland: +25 %). Bis zum Jahr 2020 war ursprünglich eine Emissionsreduktion von 30 % und bis 2040 von 70 % angepeilt worden. Diese Zielsetzung wurde jedoch in zahllosen Verhandlungen aufgegeben. Ende 2008 stimmte das EU-Parlament stattdessen dafür, 20 % Treibhausgasemissionsverminderung bis 2020 anzupeilen.
Momentan emittieren fast alle Länder eher mehr als weniger Kohlendioxid gegenüber 1990. Dass Russland gemäß Abbildung 11 zumindest von 1990 zu 2003 eine löbliche Ausnahme bildete, lag vorrangig am Zusammenbruch der Industrie nach dem Zerfall der Sowjetunion, von dem sich die dortige Wirtschaft nur allmählich erholte. Speziell die Vereinigten Staaten von Amerika, die für einen Großteil des weltweiten CO2-Ausstoßes verantwortlich sind, steigerten ihren Anteil in der Vergangenheit deutlich. Mittlerweile gibt es allerdings auch von Seiten der US-Regierung deutliche Signale der Einsicht. Selbst dort wird der Klimawandel inzwischen als ernst zu nehmendes Problem angesehen. 2008 löste China offiziell die USA als Haupt-CO2-Emittent ab.
ABB. 11: ENTWICKLUNG DER KOHLENDIOXIDEMISSIONEN WELTWEIT [Mio. t CO2]
Deutschland bildet bei der CO2-Reduzierung fast schon eine Ausnahme und verfügt im Bereich der erneuerbaren Energien sowie bei der Klimadebatte über eine gewisse Vorreiterrolle. Die Bundesregierung erklärte 2007 in einer Regierungserklärung, der Ausstoß von Kohlendioxid solle in Deutschland bis zum Jahr 2020 gegenüber dem Vergleichsjahr 1990 um 40 % reduziert werden. Diese Vorgabe wird nach einhelliger Meinung als sehr ambitioniert bewertet. 2009 lag die Absenkung bei 28,7 %.
Gemeinsame Schritte zur Eindämmung der Kohlendioxidemissionen speziell im Fahrzeugsektor kommen nur langsam voran. Lange Zeit konnte europaweit keine Einigung bei der Beschränkung des CO2-Ausstoßes von Neuwagen erzielt werden. Eine Festlegung des Kohlendioxidausstoßes auf 120 g/km scheiterte an der Lobbyarbeit insbesondere deutscher Automobilkonzerne, so dass sich der EU-Umweltministerrat 2008 auf einen Grenzwert von 130 Gramm CO2 pro Kilometer verständigte. Ein Grenzwert von 120 g CO2 pro Kilometer soll erst ab 2015 gelten.
2.4.4 Schadstofffreisetzung
Je nach Energiewandlung und Einsatzgebiet werden verschiedene Energieträger verwendet. Dementsprechend unterschiedlich sind die Mengen sowie die Zusammensetzungen der jeweiligen Emissionen (Abb. 12). Für den Straßenverkehr werden vorrangig Otto- und Diesel-Motoren eingesetzt, die Benzin beziehungsweise Dieselöl verbrennen. In Kraftwerken können je nach Bauart Braun- oder Steinkohle, Erdgas und auch Erdöl verfeuert werden.
Im gesamten Verkehrssektor (Straßen-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr) werden über 60 % der insgesamt anfallenden NOx-Emissionen abgegeben. Der Verkehr ist darüber hinaus für über 55 % der CO-Emissionen verantwortlich, wobei der maßgebliche Anteil im Straßenverkehr von Pkw freigesetzt wird. Außerdem kommt mehr als ein Sechstel aller Kohlendioxidemissionen aus dem Fahrzeugsektor.
Staubemissionen sind nicht erst seit der Feinstaubdebatte von 2005 ein Problem. Im Kfz-Sektor wird mittlerweile zwar gegen den weiteren Partikelausstoß vorgegangen, indem beispielsweise einige Städte Umweltzonen eingerichtet haben. Der Hauptemittent von Feinstaub ist jedoch die Industrie mit ihrer Vielzahl an chemischen und thermodynamischen Prozessen. Staub kann daher die unterschiedlichsten chemischen Zusammensetzungen aufweisen. Er sollte jedoch nicht mit Ruß verwechselt werden, der beispielsweise in Dieselaggregaten freigesetzt wird und an dem karzinogene polyzyklische Kohlenwasserstoffe haften können.
Die im Verkehrssektor seit Jahren gültigen EURO-Abgasnormen (s. Tab. 3) spiegeln recht gut wieder, wie neue Techniken zu einer schrittweisen Eindämmung der Emissionen beigetragen haben. Die Regulierung der Schadstoffgrenzwerte, die es seit 1970 gibt, hat entscheidend daran mitgewirkt, dass die meisten Neufahrzeuge heute verglichen mit der Zeit vor der Abgasregulierung deutlich sauberer sind.
ABB. 12: VERGLEICH VERSCHIEDENER SCHADSTOFFQUELLEN Emissionen unterteilt nach Sektoren in Deutschland [Anteil in %; 100%=1,0]
TAB. 3: EURO-GRENZWERTE IN MG/KM BEI BENZIN/DIESEL
2.5 Förderung & Besteuerung
Einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Entwicklung im Energiesektor haben die politischen Rahmenbedingungen. Ein wichtiges Instrument zur Unterstützung alternativer Energietechniken ist dabei die Förderpolitik.
Das bekannteste Förderinstrument im stationären Energiesektor dürfte das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG, Einführung 1. April 2000) sein, das erheblich zur Etablierung der regenerativen Energien beigetragen hat. Im EEG ist geregelt, dass Stromerzeuger das Recht haben, Strom aus erneuerbaren Energien in das Netz einzuspeisen. Demgegenüber sind die Netzbetreiber verpflichtet, eine festgelegte Mindestvergütung an den jeweiligen Erzeuger zu zahlen. Die Kosten dafür werden nach dem Verursacherprinzip auf alle Stromkunden verteilt: Wer wenig Elektrizität verbraucht, zahlt auch wenig. Per Definition handelt es sich somit um keine staatliche Beihilfe oder Subvention. Ähnlich dem EEG zur Förderung nachhaltig erzeugten Stroms ist mittlerweile auch ein Wärme-EEG eingeführt worden.
Zur Förderung alternativer Kraftstoffe gab es im Jahr 2001 von Seiten der Europäischen Kommission einen Aktionsplan und zwei Richtlinienvorschläge. Die Kommission war der Ansicht, dass Kraftstoffe aus landwirtschaftlichen Rohstoffen (d. h. Biokraftstoffe) kurz- bis mittelfristig gute Aussichten böten, sukzessive die fossilen Energieträger zu ersetzen. In dem Aktionsplan wurde eine Strategie skizziert, durch die im Straßenverkehrssektor eine allmähliche Substitution herkömmlicher Otto- und Diesel-Kraftstoffe durch Alternativsprit erreicht werden sollte. Als aussichtsreiche Kandidaten mit realistischen Chancen auf dem Kraftstoffmarkt wurden genannt:
1. kurzfristig: Biokraftstoffe der 1. Generation (Biodiesel, Rapsöl, Ethanol)
2. mittelfristig: Erdgas
3. langfristig: Wasserstoff
Als geeignete Maßnahme zum Erreichen dieser Ziele wurde die Festlegung eines Mindestanteils von Biokraftstoffen an allen verkauften Kraftstoffen vorgeschlagen. Dieser Vorschlag ist inzwischen in der EU-Richtlinie 2003/30/EG umgesetzt worden.
Vom 1. Januar 2004 an gab es zudem eine Steuerbefreiung für Biokraftstoffe, die nach damaliger Vorgabe eigentlich bis zum 31.12.2009 erhalten bleiben sollte. Auf diese Weise sollte in allen EU-Mitgliedsstaaten erreicht werden, dass bis zum Jahr 2010 rund 5,75 % aller mineralölischen Kraftstoffe durch biogene substituiert werden. Nach damaliger Planung sollte der Anteil im Jahr 2020 bei 10 % liegen. Das erklärte Ziel lautete, die Abhängigkeit von Rohölimporten zu senken.
TAB. 4: MINERALÖLSTEUER AUF REINE BIOKRAFTSTOFFE
Die Bundesrepublik änderte jedoch im Sommer 2006 diese EU-Vorgaben. Trotz erheblicher Proteste aus der Biobranche beschloss die Regierungskoalition, Biokraftstoffe ab dem 1.8.2006 stufenweise zu besteuern (s. Tab. 4). Für reinen Biodiesel fielen bei der Einführung des novellierten Energiesteuergesetzes zunächst Abgaben in Höhe von neun Cent pro Liter an. Am 1.1.2008 erhöhte sich der Steuersatz auf 15 Cent pro Liter reinen Biodiesels und auf 10 Cent pro Liter reinen Pflanzenöls.
Diese Steuersätze basierten auf der Berechnung der Bundesregierung, gemäß der Biokraftstoffe zuvor besser gestellt waren als fossiler Sprit. Reiner Biodiesel und auch Beimischungen waren vorher steuerfrei, was nach Meinung der Regierung eine Überkompensation gegenüber fossilem Diesel darstellte. Biokraftstoffe sind zwar in der Herstellung kostenintensiver als fossiler Kraftstoff (s. Tab. 5), aber das dürfte – nach Politikermeinung – nicht dazu führen, dass man gänzlich auf eine Besteuerung verzichtet.
In der Konsequenz nahm der Absatz von Biokraftstoffen der ersten Generation in den Folgemonaten spürbar ab. Insbesondere Anfang 2008 gingen zahlreiche Biodiesel-Hersteller und -Tankstellenbetreiber Pleite. Der Markt für reinen Biodiesel wurde für tot erklärt. Wegen zahlreicher Proteste wurde allerdings die für 2009 geplante Steuererhöhung um sechs Cent pro Liter auf drei Cent pro Liter beschränkt.
Zum 1. Januar 2007 folgte zudem die Einführung des Biokraftstoffquotengesetzes (BioKraftQuG). Dieses sieht vor, dass der geforderte Anteil biogenen Sprits zu Dieselkraftstoff zunächst 4,4 Vol.-% beträgt. Der entsprechende Kraftstoff wird dann als B5 bezeichnet: Diesel mit bis zu 5 Vol.-% Biodieselbeimischung. Ursprünglich sollte dieser Anteil ab 2009 6,25 % betragen. Die im Jahr 2008 sehr vehement geführte Debatte um Vor- und Nachteile von Biokraftstoffen führte jedoch dazu, dass die Beimischungsquote des Agrarsprits bei Diesel zwischenzeitlich auf 5,25 % beschränkt wurde. Für den Zeitraum von 2010 bis 2014 sind 6,25 % vorgesehen. Der so genannte B7-Diesel ist damit der Regelkraftstoff für Dieselfahrzeuge, bevor dann ab 2015 die Biokraftstoffe der zweiten Generation eingeführt werden.
TAB. 5: BERECHNUNGSGRUNDLAGE DER ÜBERKOMPENSATION BEI BIODIESEL
Bei Ottokraftstoff betrug die Mindestquote 2007 zunächst 1,2 %. 2008 stieg sie auf 2 %. Ursprünglich war vorgesehen, die Mindestquote von Bioethanol an Benzin auf 10 % festzulegen (E10). Das damalige Ziel der Bundesregierung lautete, bis zum Jahr 2020 einen Anteil von 17 % Bioenergie im Kraftstoffbereich zu erzielen. Im Frühjahr 2008 kam es jedoch zu einem Stopp dieser Pläne, jedenfalls was die biogenen Anteile in Ottokraftstoffen betraf. Es hatte sich herausgestellt, dass zahlreiche Altfahrzeuge in Deutschland einen Anteil von 10 % Ethanol im Kraftstoff nicht vertragen. Die betroffenen Autohalter hätten bei Einführung von E10 (Super-Kraftstoff mit Ethanolbeimischung) den deutlich teureren Super-Plus-Kraftstoff tanken müssen, was insbesondere sozial Schwächere unangemessen belastet hätte. Aus diesem Grund nahm die damalige Regierung Abstand von ihren ursprünglichen Plänen und beließ es bei einer Beimischungsquote von 5 % bei Benzin. E85, ein Kraftstoff-Mix aus 85 % Ethanol und 15 % Benzinbeimischung, wurde hingegen als besonders förderungswürdig eingestuft und ist bis 2015 von der Mineralölsteuer befreit.
Das Ziel der EU lautet weiterhin, bis zum Jahr 2020 einen Biokraftstoffanteil von 10 % am Kraftstoffmarkt zu erreichen.
Währenddessen entwickeln sich die konventionellen Fahrzeugkraftstoffe Benzin und Diesel ebenfalls weiter und passen ihre Eigenschaften an die veränderten politischen Rahmenbedingungen an. So wie vor Jahren das bleifreie Benzin Einzug in die Speicherbehälter der Tankstellen hielt, findet derzeit eine zunehmende Verdrängung des umweltschädlichen Schwefels statt. Seit dem 1. Januar 2003 sind an deutschen Tankstellen flächendeckend schwefelfreie Kraftstoffe (Diesel und Benzin) erhältlich, obwohl dies in der EU erst seit 2009 verbindlich vorgeschrieben war. Als schwefelfrei gelten Kraftstoffe mit einem Gehalt von weniger als 10 ppm (parts per million) Schwefel. Diese Spritsorten können mit allen Autotypen problemlos getankt und gefahren werden.
ABB. 13: ENTWICKLUNGEN IM STRASSENVERKEHR
[Links: NOx-Emissionen [kt/a]]; [Rechts: Fahrleistung [Mrd. km/a]]
Für die Umwelt sind mit schwefelfreien Brennstoffen deutliche Vorteile verbunden: Gegenüber schwefelhaltigen Kraftstoffen wird bei Katalysatorfahrzeugen eine Verringerung des Abgasausstoßes von Stickoxiden und flüchtigen Kohlenwasserstoffen um rund 40 % erzielt. Diese Emissionen sind mitverantwortlich für den Sommersmog, das Waldsterben, die Versauerung von Böden sowie die Verwitterung von Gebäuden und Denkmälern. Die Treibstoffe sind darüber hinaus eine Voraussetzung für den Einsatz sparsamer Motortechniken (z. B. für direkt einspritzende Benzinmotoren, Magerkonzept) sowie für Dieselrußfilter. Es gibt somit zahlreiche Ansätze, mit Hilfe neuer Techniken die Kraftstoffe zu modifizieren und dadurch deren Schadstoffausstoß zu reduzieren. Ebenfalls von Vorteil aus Sicht der Umwelt ist, dass trotz des Anstiegs der Fahrleistung zukünftig mit einem verminderten Kraftstoffbedarf gerechnet wird, weil der Verbrauch neuer Fahrzeuge in der Regel niedriger als bei Altfahrzeugen ist. Von Seiten der Mineralölindustrie wird erwartet, dass ein deutlicher Rückgang beim Benzinverbrauch innerhalb Deutschlands auftreten wird. Im Jahr 2020 wird der Verbrauch unter anderem wegen sparsamerer Motoren voraussichtlich um 40 % unter dem Verbrauch des Jahres 2000 liegen und nur noch 17 Mio. t betragen. Beim Dieselverbrauch wird ein Rückgang von 28,9 Mio. t auf 28 Mio. t erwartet. Insgesamt könnte der Mineralölverbrauch bis 2020 um 16 % sinken.
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