Fokus

Herausforderungen in Forschung und Lehre

Forschung und Lehre im Zusammenhang mit Energiefragen müssen sich mit den Herausforderungen befassen, denen sich Städte und ganze Gesellschaften in den nächsten Jahrzehnten werden stellen müssen. Dazu zählen beispielsweise Bevölkerungswachstum, Ressourcenverknappung und der Klimawandel. Wenn die globalen Nachhaltigkeitsziele erreicht werden sollen, müssen grundlegende Veränderungen insbesondere im urbanen Raum, wie wir ihn heute kennen, stattfinden. Dies wird sowohl die technischen als auch die sozialen Infrastrukturen unserer Gesellschaft umfassen müssen. Für die Energiewirtschaft bedeutet dies neben einer Erhöhung der Energieeffizienz vor allem den Ausbau der Energieversorgung auf Basis von erneuerbaren Energieträgern. Hierbei kommt Wasserstoff als chemischem Energiespeicher eine zentrale Bedeutung zu.

In den folgenden Abschnitten wird erläutert, warum die energiepolitischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts in erster Linie in Städten bewältigt werden müssen und warum es dafür notwendig ist, die bestehenden Energieinfrastrukturen umzugestalten.

Warum der urbane Raum als Fokus?

Während die rasanteste Stadtentwicklung derzeit in den Schwellenländern zu beobachten ist, werden auch bestehende Städte, wie sie in Europa zu finden sind, sich wandeln müssen. Die daraus resultierenden Veränderungen können hierbei als Testfeld für neue Ansätze zur städtischen Nachhaltigkeit auf internationaler Ebene dienen.

Die Vereinten Nationen schätzen, dass seit 2009 zum ersten Mal in der Weltgeschichte mehr als die Hälfte der menschlichen Bevölkerung der Erde in städtischen Gebieten lebt. Während Europa und Deutschland mit 73 % bzw. 74 % Stadtbevölkerung im Jahr 2010 bereits stark verstädtert waren, wachsen Städte in Schwellen- und Entwicklungsländern weiterhin rasant (Abbildung 1) [1]. Dieses schnelle Wachstum städtischer Gebiete wird angetrieben von dem Wunsch der Menschen, ihren grundlegenden Lebensstandard zu verbessern, von den wirtschaftlichen Aussichten und den wahrgenommenen Chancen für einen sozialen Aufstieg. Während es eine gewisse Debatte über die Ausprägung der Migration (und ihre Triebkräfte wie z.B. den Klimawandel) gibt, besteht kaum ein Zweifel daran, dass sämtliche Städte vor erheblichen Herausforderungen stehen, die die bestehende städtische Infrastruktur unter erheblichen Transformationsdruck setzen. In Afrika und Asien wird die Urbanisierung bis Mitte des Jahrhunderts (2050) stark steigen von derzeit 39 % und 44 % auf 58 % und 64 % (Abbildung 1) [1]. Dies wird die bestehenden städtischen Infrastrukturen weiter belasten, da ein großer Teil dieses Wachstums in den bereits vorhandenen Ballungsräumen zu erwarten ist, was zur Entstehung von einer Reihe neuer Megastädte führen wird.

Wie in Abbildung 2 schematisch dargestellt, steht die Urbanisierung unmittelbar im Zusammenhang mit einem Anstieg des weltweiten Ressourcenverbrauchs. Städte, die nur etwa 2 % der Landmasse der Erde abdecken, beherbergen die Hälfte der Weltbevölkerung und verbrauchen 75 % der weltweit genutzten Ressourcen [1,2]. Eine der wichtigsten künftigen Herausforderungen der Städte wird daher die Bereitstellung der erforderlichen Wasser- und Nahrungsmittelressourcen sowie eine zuverlässige Energieversorgung sein.

In vielen Teilen der Welt ist die Geschwindigkeit der Urbanisierung aus wirtschaftlicher, sozialer und ökologischer Sicht höchst untragbar. Es ist dringend notwendig, die Herausforderungen der Urbanisierung zu verstehen und in Angriff zu nehmen. Dies sollte vor allem innerhalb eines nachhaltigen Rahmens geschehen und kann nur durch die ernsthafte Infragestellung der Art und Weise, wie die Menschen in Zukunft leben und arbeiten werden, angegangen werden. Letztlich wird dies auch Überlegungen zum Erreichen eines ökologischen Fußabdrucks [3] erfordern, der die Möglichkeiten der Ressourcenerneuerung des Planeten nicht übersteigt (Abbildung 3).

Die Professur Energiesysteme an der Bauhaus-Universität Weimar hat es sich zum Ziel gesetzt, diese Fragen mit einem besonderen Fokus auf die Energieversorgung in Städten zu behandeln, wobei insbesondere eine sektorübergreifende Integration von Energiesystemen angestrebt wird.

Warum die Energieinfrastruktur transformieren?

Gegenwärtig basieren an den meisten Orten der Welt Angebot und Nachfrage nach Energie mit der dazugehörigen Infrastruktur auf der Verfügbarkeit fossiler Brennstoffressourcen. Diese Ressourcen sind jedoch endlich, wobei der Zeitraum bis zum Erreichen des "peak oil" und "peak gas" und dem damit einhergehenden Rückgang der Förderung bestenfalls auf ein paar Jahrzehnte geschätzt wird. Selbst neue Extraktionsmethoden wie Fracking ändern nichts daran, dass fossile Brennstoffressourcen begrenzt sind. Das bedeutet, dass es letztlich keine andere Wahl gibt, als die Umwandlung der derzeitigen Energieinfrastruktur in ein System, das auf erneuerbaren Ressourcen basiert und gleichzeitig die Energienutzung effizienter zu gestallten.

Abbildung 4 zeigt die von BP [4] seit 1965 vorgelegten Statistiken über die globale Ölproduktion in Verbindung mit den Vorhersagen der Association for the Study of Peak Oil and Gas (ASPO) [5], die auf einen stetigen Rückgang der Produktion ab 2010 hindeuten. Dies steht im starken Kontrast zu den Daten, die vom U.S. Department of Energy (DOE) Energy Information Administration (EIA) [6] veröffentlicht wurden, die auch in Abbildung 4 für den IEO2010-Referenzfall enthalten sind. Dieses Szenario sagt einen stetigen Anstieg der Produktion nach dem Trend der letzten 30 Jahre voraus. Es muss jedoch erwähnt werden, dass die EIA-Daten auch flüssige Biokraftstoffe (Ethanol, Biodiesel) enthalten. Dies zeigt sich in der Abweichung zwischen diesen Daten und den BP-Daten für die historischen Produktionsstatistiken. Dennoch sagen die EIA-Daten voraus, dass der Anteil der nichtkonventionellen Quellen, zu denen neben Biokraftstoffen auch Ölsand, extraschweres Öl, Kohle-zu-Flüssigkeiten, Gas-zu-Flüssigkeiten und Schieferöl gehören [6], im Jahr 2035 nur etwa 12 % der Gesamtproduktion ausmachen wird. Dies entspricht eindeutig nicht den ASPO-Vorhersagen. Geht man davon aus, dass die ASPO-Daten für die Ölproduktion aus konventionellen Quellen korrekt sind, und die EIA-Daten die zukünftige Nachfrage angemessen vorhersagen, dann würde es 2030 eine Angebotslücke von 2350 Millionen Tonnen jährlich geben. Wenn dies beispielsweise mit Biodiesel aus Palmöl überbrückt würde, wäre eine Plantagenfläche erforderlich, die 133 % der Fläche der Europäischen Union oder 68 % der Fläche Brasiliens entspricht.

Die vorstehenden Punkte unterstreichen die Notwendigkeit, die Versorgung und Nutzung von Energie in Städten zu überdenken, um auf die potenziellen Versorgungsänderungen aus fossilen Brennstoffressourcen vorbereitet zu sein. Wenn dies rechtzeitig geschieht, kann es dazu beitragen, Städte zu erhalten und zu verändern, ohne eine übermäßige Belastung für die Menschen darzustellen.

Zukunftssichere Energieversorgung in der Stadt

Der Energieverbrauch ist eng mit den gesellschaftlichen Strukturen, der Stadtplanung und dem vorherrschenden Klima verbunden. Für viele Regionen der Welt wird sich das Klima in den nächsten Jahrzehnten jedoch voraussichtlich ziemlich stark verändern [7]. Dies kann zu einem großen Druck auf die Energienachfrage, -erzeugung und -verteilung führen. Daher besteht ein zunehmender Forschungsbedarf in diesem Bereich. Eine Veränderung des Niederschlagsmusters könnte neben der Beeinflussung des städtischen Wasserabflusses und der Überschwemmungsgefahr beispielsweise auch eine Auswirkungen auf die Stromerzeugung aus Wasserkraft haben. Daher muss die Energieforschung die potenziellen Auswirkungen eines sich ändernden Klimas auf die Versorgungssicherheit aus erneuerbaren Quellen berücksichtigen. Dies gilt insbesondere in Ländern, in dem die Dekarbonisierung durch erneuerbare Energien ein politisches Ziel darstellt.

Um den zukünftigen Energie- und Ressourcenbedarf der Stadt zu verstehen, ist es unerlässlich, die Auswirkungen des Klimawandels auf die städtische Umwelt und ihre Infrastruktur zu analysieren. Dazu gehören Studien zu nachhaltigen Designlösungen, die die existierenden Stadtstrukturen auf die kommenden Herausforderungen vorbereiten und sie so für die Zukunft „lebensfähig“ zu gestallten. Abbildung 5 zeigt die Bedeutung von Strategien zur Anpassung an den Klimawandel am Beispiel von Shanghai, China. Angesichts der Klimawandelprojektionen des HadCM3-Klimamodells [8] im A2-Emissionsszenario [9] zeigen die Ergebnisse für die Wetterdaten des CCWorldWeatherGen-Tools [10], dass die monatlichen mittleren Temperaturniveaus am Ende des Jahrhunderts die aktuellen Tageshöchstwerte in Shanghai überschreiten werden. Dies impliziert Änderungen der Anforderungen an die Wasser- und Komfortkühlung, die die bestehenden Infrastruktursysteme erheblich belasten können.

Letztlich muss der Prozess der urbanen Energiewende in einen nachhaltigen Ansatz zur Ressourcennutzung eingebettet werden, bei dem der aktuelle lineare Prozess der "Ressourcenvernichtung" in Städten zu einem kreisförmigen System umgewandelt wird (Abb. 6).

Quellen

[1] United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division (2012). World Urbanization Prospects: The 2011 Revision, CD-ROM Edition.
[2] Girardet H (1999). Creating Sustainable Cities, Schumacher Briefings, No. 2
[3] Global Footprint Network, www.footprintnetwork.org
[4] BP (2011). BP Statistical Review of World Energy 2011
[5] The Association for the Study of Peak Oil and Gas (2009). ASPO-Ireland Newsletter No. 100
[6] U.S. Energy Information Administration (2010). International Energy Outlook 2010
[7] IPCC (2007). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA
[8] Met Office, Met Office Hadley Centre (2012). www.metoffice.gov.uk/climate-change/resources/hadley
[9] Nakićenović N, Swart R (2000). Special Report on Emissions Scenarios. A Special Report of Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA
[10] University of Southampton (2009). CCWorldWeatherGen, www.energy.soton.ac.uk/ccworldweathergen