Verbrennungstechnologien haben ausgedient | Terra-X-Kolumne
Kolumne
Terra X - die Wissens-Kolumne:Verbrennungstechnologien haben ausgedient
von Axel Kleidon
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Verbrennungsmotor, Gastherme, Kohlekraftwerke: All diese Technologien beruhen auf Verbrennung. Die Physik sagt klar: Das ist nicht effizient. Wir wissen längst, wie es besser geht.
Die Beherrschung des Feuers hat der Menschheit viel ermöglicht und das Leben einfacher gemacht: Gasherd, Verbrennungsmotor oder die Zentralheizung. In Deutschland hat uns dieser Fortschritt enormen wirtschaftlichen Wohlstand gebracht. Aber jetzt steht uns der nächste Schritt in der Entwicklung bevor: weg von der Verbrennung, hin zum Strom, weil er energetisch viel effizienter ist.
In der Terra-X-Kolumne auf ZDFheute beschäftigen sich ZDF-Wissenschaftsjournalistinnen und -journalisten wie Harald Lesch, Mirko Drotschmann und Jasmina Neudecker sowie Gastexpert*innen jeden Sonntag mit großen Fragen der Wissenschaft - und welche Antworten die Forschung auf die Herausforderungen unserer Zeit bietet.
Technologien ermöglichen größere Effizienz
Diese Entwicklung hin zu größerer Effizienz zeigt sich schon daran, wie wir Licht erzeugen. Vor langer Zeit wurde hier auch Verbrennung benutzt. Kerzen verbrennen Wachs. Die aufsteigenden Rußpartikel sind so heiß, dass sie einen Teil ihrer Wärme über die Emission sichtbaren Lichts verlieren. Aber von der eingesetzten Energie wird nur ein kleiner Teil zu Licht, das meiste wird Wärme. Ziemlich ineffizient.
Dann kam die Glühlampe. Sie nutzt Strom, also keine Verbrennung. Der Glühdraht wird heißer als die Rußpartikel. Damit wird mehr der Energie als sichtbares Licht abgestrahlt. Es entsteht immer noch viel Wärme, aber es ist schon deutlich effizienter als die Kerze.
Heute nutzen wir LEDs. Auch sie nutzen Strom, erzeugen aber praktisch keine Wärme. Das ist möglich, weil sie ein Phänomen der Quantenphysik nutzen und nur die Wellenlängen im sichtbaren Bereich emittieren, die wir wollen. Dadurch sind sie unschlagbar effizient.
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Wir sehen also einen physikalischen Trend zu größerer Effizienz: weg von der Verbrennung, hin zum Strom. Die gleiche Entwicklung werden wir auch bei anderen Technologien sehen: bei der Stromerzeugung, der Mobilität und wie wir Raumwärme und Warmwasser erzeugen.
Bei Verbrennung entsteht viel Verlust
Warum sind Technologien, die auf Verbrennung basieren, so ineffizient? An sich enthalten Brennstoffe sehr viel nutzbare Energie. Theoretisch könnte man bei ihrer Verbrennung sehr hohe Temperaturen von mehreren Tausend Grad erreichen. Aber für das Heizen von Wohnräumen brauchen wir nur etwas mehr als 20 Grad Celsius Raumtemperatur. Der Temperaturunterschied zwischen der theoretisch maximalen Verbrennungstemperatur und der Raumtemperatur bleibt also ungenutzt. Er wird verschwendet.
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Die gleiche Verschwendung findet bei anderen Verbrennungsprozessen statt. Zum Kochen und Backen brauchen wir keine mehrere Tausend Grad und auch Kraftwerke und Verbrennungsmotoren können diese hohen Temperaturen technisch gar nicht nutzen. Technologien, die auf Verbrennung basieren, sind so immer mit unvermeidbaren Verlusten verbunden (Stichwort Entropie), also ineffizient.
Strombasiert ist effizienter
Wesentlich effizienter geht es mit Strom. Wärmepumpen heizen Wohnräume, indem sie lediglich einen Temperaturunterschied zwischen drinnen und draußen aufbauen - wie im Kühlschrank. Sie vermeiden so die hohen Temperaturen der Verbrennung und die damit verbundenen Verluste.
Elektromobilität vermeidet die Verluste, die im Verbrennungsmotor stecken. Auf der Schiene ist diese Elektrifizierung längst passiert.
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Bei der Stromerzeugung boomt die Photovoltaik, die hinsichtlich ihrer Effizienz unschlagbar ist.
Und es gibt weitere Effizienz-Potentiale: Durch bessere Isolierung von Wohnräumen können Wärmepumpen Strom sparen. Und wenn im Stadtverkehr weniger Masse pro Person bewegt wird, dann können hier auch gewaltige Mengen an Energie eingespart werden.
Die Energiewende ist Modernisierung
Durch den Einsatz dieser modernen Technologien könnte Deutschland seinen Primärenergieverbrauch locker um mehr als die Hälfte senken. Die Energiewende ist also keine Ideologie, sondern konsequente Nutzung von energetisch effizienteren Technologien, die Verbrennung vermeiden.
Sicher, es bedarf einer gewaltigen Anstrengung. Es geht sowohl um den Umbau unseres Energiesystems als auch um die Modernisierung der Industrie, die noch viel auf Verbrennungstechnologien beruht. Kraft braucht es auch, um gegen den kräftigen Gegenwind voranzugehen, der uns von Lobbyarbeit der Ölkonzerne und autoritären Ländern wie Russland und dem Nahen Osten entgegenweht, die ihre Profite über die Physik stellen.
Die Energiewende ist aber unausweichlich. Letztendlich folgen wir mit ihr einer Entwicklung, die uns die Physik vorgibt und der der Mensch seit jeher gefolgt ist.
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... ist studierter Physiker, leitet eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Biogeochemie und lehrt an der Friedrich-Schiller Universität Jena. Meistens forscht er daran, wie die Erde Energie in verschiedenste Formen umwandelt und wo dabei die Grenzen liegen, mit einem Blick auf das ganze Erdsystem. Dies wendet er an, um Klima, Klimawandel und die Rolle des Lebens besser - und einfacher - zu verstehen und abzuschätzen. Das hat auch ganz praktische Bedeutung, für die Folgen des Klimawandels und für die Grenzen von erneuerbare Energien. Seine Arbeitsgruppe schreibt über die eigene Forschung auch auf dem Blog earthsystem.org.
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