Warten auf das Energiewunder

Bei der Energiewende ausschließlich auf technische Durchbrüche zu setzen, ist riskant. Gelingen kann sie nur mit dem richtigen Mix aus Innovationsförderung, Subventionen und einer klaren Energiepolitik. In den USA ist der Streit darum in vollem Gange.

Die Maschinen und Testgeräte sind sorgsam versteckt, in einem unscheinbaren Flachbau eines Hinterhofs in North Lexington, Massachusetts. Der einzige Blick auf den Fortschritt, den ein Besucher bei 1366 Technologies im Empfangsbereich erhaschen kann, ist ein schlichtes Stück Silizium. Von Siliziumwafern, wie sie für Solarzellen verwendet werden, unterscheidet es sich nicht. Der große Fortschritt ist nicht irgendein neues Material, sondern eine potenzielle Kostensenkung in der Solarzellproduktion.

Damit dies nicht als Kleinigkeit missverstanden wird, erwartet den Besucher im Konferenzraum ein großes Diagramm. Es zeigt, wie die Stromkosten durch Solarzellen im Lauf der vergangenen dreißig Jahre gefallen sind – und sich allmählich einer horizontalen Linie nähern, die die „Netzparität“ darstellt. Hinter diesem Begriff verbirgt sich gewissermaßen das gelobte Land der erneuerbaren Energien, in dem Solarstrom genauso billig ist wie heute Strom aus fossilen Energieträgern. 1366 Technologies hofft nun, mit seiner Fertigungstechnik die Solarenergie endlich an diesen Punkt zu bringen.

Ein ehrgeiziges Ziel: Denn noch immer ist die Herstellung von Silizium-Solarzellen zu teuer, um Solarstrom auch ohne Subventionen konkurrenzfähig etwa zu Kohlestrom zu machen. Dass dieses Ziel noch ein ganzes Stück entfernt ist, räumt auch Firmengründer Emanuel Sachs ein, der am MIT Professor für Maschinenbau ist. „Um Kohle durch Solarenergie zu ersetzen, ist noch einmal ein ganz anderer Kostensprung nach unten nötig“, sagt Sachs.

Schaffen will 1366 Technologies den Sprung mit einem Verfahren, das dünne Schichten von Silizium erzeugt, ohne wie derzeit Kristallblöcke aufwändig zu zerschneiden. „Unser Technologie ist die einzige, die Photovoltaik konkurrenzfähig machen kann“, meint Sachs selbstbewusst. Sollte die Solarenergie die Netzparität erreichen, würde das „die Welt ziemlich verändern“, sagt Frank von Mierlo, CEO der Firma. „Dann würde Solarenergie ein ernsthafter Bestandteil unserer Energieversorgung.“

1366 Technologies ist ein Beispiel für den Ehrgeiz einer neuen Generation von Energie-Start-ups in den USA. Sie reden oft und gerne von Technologien, die „alles verändern“, die die Wirtschaftlichkeit nichtfossiler Energien neu definieren. Viele von ihnen sind im vergangenen Jahrzehnt gegründet worden, als für „Cleantech“ – worunter auch Windenergie, Biokraftstoffe und Batterietechnik fallen – plötzlich jede Menge Wagniskapital da war. Aufwind bekamen sie, als Barack Obama Anfang 2009 US-Präsident wurde und die Fördermittel für die Energieforschung deutlich erhöhte. Gemeinsam ist allen Firmengründungen das Ziel, saubere Energien so wettbewerbsfähig zu machen, dass Subventionen überflüssig werden.

Der Haken: Bis dahin sind womöglich mehr als nur ein paar Durchbrüche nötig. Zwar bezweifelt niemand den Nutzen neuer Energietechnologien. Aber sie im großen Stil hochzuskalieren, dürfte so teuer werden, dass manche Experten an einen Erfolg nicht recht glauben möchten – erst recht nicht ohne Subventionen.

Wie weit erneuerbare Energien von der Netzparität entfernt sind, hängt allerdings davon ab, wie man diese definiert. Wenn man darunter „Elektrizität, soviel man will, wo man will und wann man will“ verstehe, seien die Erneuerbaren wohl noch weit davon entfernt, sagt David Victor von der University of California in San Diego (UCSD). Denn dann müsste auch der Aufbau der Speicher- und Backupsysteme für die naturgemäß schwankenden Erträge aus Wind- und Solarenergie miteingerechnet werden. Und wenn die Erneuerbaren einen nennenswerten Beitrag zur Senkung von Treibhausgas-Emissionen leisten sollen, sei dies „die Definition, die zählt“, bekräftigt Victor.

Felder aus Spiegeln

Bill Gross ist fest davon überzeugt, dass Technik die Welt zum Besseren wenden kann. Er weiß aber auch, wie schwer es ist, aus cleveren Ideen marktreife Technologien zu entwickeln. Während der „New Economy“ der Neunziger war seine Firma Idealab ein Inkubator, der vielen Start-ups ins Wirtschaftsleben verhalf – und mit dem Platzen der Internetblase wieder eingehen sah.

Später sprang Gross dann auf den Cleantech-Zug auf: 2007 gründete er eSolar, eine Entwicklungsfirma für solarthermische Anlagen. Inzwischen vermischen sich bei Idealab die Branchen, in die investiert wird. Start-ups aus dem Webgeschäft, der Energietechnik und sozialen Medien drängeln sich mit ihren Schreibtischen in den Loft-artigen Büros in Pasadena. Irgendwo zwischen all den Designer-Bürostühlen, Ventilatoren und Edellampen befindet sich Bill Gross’ gläserne Bürobox.

Mit Nebensächlichkeiten hält er sich nicht lange auf, sondern kommt gleich auf Zahlen zu sprechen. Er zieht einen Bildschirm heran und zeigt Kostenkurven verschiedener Energieträger, erläutert, wie eSolar die Solarthermie billiger machen könnte bis hin zur Parität mit Kohlestrom.

Weltweit sind schon einige solarthemische Kraftwerke im Einsatz, und ständig kommen neue hinzu. Gross entdeckte die Technologie, als der kalifornische Energieriese PG&E 2006 eine 300-Megawatt-Anlage ausschrieb. Inzwischen wird sie von der Firma Brightsource gebaut. Gross fing sofort zu rechnen an, wie die Wirtschaftlichkeit der Solarthermie verbessert werden könnte.

Bei seiner Vorgeschichte nimmt es nicht Wunder, das für ihn die Lösung Software ist. Große solarthermische Anlagen zu errichten, kann mehr als eine Milliarde Dollar kosten. Ein Grund für den Preis sind die Zehntausende von Spiegeln, teure Spezialanfertigungen, die sehr präzise angeordnet werden müssen, um möglichst viel Sonnenlicht auf die Spitze eines Turms umzuleiten, in der Wasser erhitzt wird. Gross’ Gedanke: Warum nicht gewöhnliche flache Spiegel nehmen und ihre Positionierung mit Hilfe von Software optimieren, so dass sie die kostenintensiven Hohlspiegel ersetzen können?

Um alle Spiegel eines ausgewachsenen Solarthermie-Kraftwerks gleichzeitig zu steuern, wäre zwar eine enorme Rechenleistung nötig. Aber die ist inzwischen billig zu haben – wesentlich billiger als Ingenieure und Techniker, die die bisherigen Spezialspiegel von Hand justieren. Laut Gross ließen sich mit dem Ansatz von eSolar die Baukosten halbieren. Gelänge dies, könnte eine solarthermisch erzeugte Kilowattstunde nur noch elf US-Cent kosten. Ein Preis, der schon dichter an dem von fossilem Strom liegt. Aber noch lange nicht dicht genug: In den USA kostet Strom aus einem Gaskraftwerk derzeit 6 Cent pro Kilowattstunde.

Am Rande der Mojave-Wüste in Kalifornien hat eSolar bereits eine Anlage mit 24.000 Spiegeln errichtet. Gesamtleistung: fünf Megawatt. Im industriellen Maßstab sind fünf Megawatt jedoch Kinkerlitzchen. Einen Deal für ein wirklich großes solarthermisches Kraftwerk hat eSolar bisher nicht an Land ziehen können. Deswegen wendet sich die Firma nun anderen Weltgegenden zu, wo Strom teurer ist oder es höhere Subventionen für Erneuerbare gibt.

In Indien baut eSolar derzeit eine 2,5-Megawatt-Anlage, in China hat es eine Vereinbarung über ein großes Kraftwerk geschlossen. In den USA hingegen macht eSolar der zurzeit historisch niedrige Erdgas-Preis zu schaffen. Solange die Firma den Kilowattstunden-Preis nicht auf 7,5 Cent herunterbekomme, werde in den USA nichts mehr passieren, räumt Gross ein.

Um diesen Preis zu schaffen, wird aber ein weiterer Technologiesprung nötig sein. Der größte Nachteil der Solarenergie ist, dass sie nur am Tag Strom liefert. Heutige Photovoltaik-Module können fünfeinhalb Stunden am Tag mit großer Effizienz arbeiten, wenn die Sonne weit oben am Himmel steht und das Wetter mitspielt. Solarthermische Anlagen haben eine größere Ausbeute, weil deren Wasserdampf die Turbinen bis weit in den Nachmittag antreiben kann. Das Kraftwerk von eSolar erzeugt durchschnittlich sieben Stunden am Tag Strom.

Setzt man statt Wasser als Wärmeüberträger geschmolzene Salze ein, lässt sich laut Gross die Betriebsdauer sogar auf 16 Stunden täglich ausdehnen, weil die Salze die Wärme länger speichern. Mit ihrer Hilfe wären die 7,5 Cent pro Kilowattstunde realisierbar. Im kommenden Jahr will eSolar seine erste Salz-betriebene Anlage am Start haben.

Gross ist zuversichtlich, dass eSolar-Kraftwerke irgendwann mit Gaskraftwerken mithalten können – auch ohne Subventionen. „Solarenergie ist für weite Teile des Planeten die perfekte Lösung“, fügt Gross hinzu und zeigt eine Weltkarte, auf der ein breiter Streifen entlang des Äquators in rot und orange leuchtet, was für eine hohe Sonneneinstrahlung steht. Selbst in den USA, sagt Gross, werde die Solarenergie im Jahre 2050 die Hälfte des Stroms produzieren. 50 Prozent davon würden dann aus solarthermischen Kraftwerken kommen.

„Keine Leitungen“

Während Gross versucht, jeden überflüssigen Cent aus seiner Technologie herauszubekommen, arbeiten Forscher am California Institute of Technology an einer ganz anderen Lösung. Sie wollen flüssige Kraftstoffe direkt mit Hilfe von Sonnenlicht erzeugen, ähnlich wie Pflanzen ihre Energie aus der Photosynthese gewinnen. Sollte eine „künstliche Photosynthese“ gelingen, würde sie das Speicherproblem der Solarenergie lösen. Genau dieses Ziel hat sich Caltech-Forscher Nate Lewis gesteckt, und seine aufgeregten, ungeduldigen Ausführungen erinnern manchmal an gesprochene Bullet-Point-Listen,. „Keine Fehlerquellen, keine Leitungen. Eine Technik ohne Leitungen. Ich meine das so, wie ich es sage: ohne Leitungen“, betont Lewis. „Man gibt Sonnenlicht, Wasser und CO2 hinein und bekommt Kraftstoff heraus.“

Sollte der US-Kongress grünes Licht geben, wird das Energieministerium das Projekt in den kommenden fünf Jahren mit 122 Millionen Dollar fördern. „Die Bestandteile des Systems haben wir schon. Wir können mittels photoelektrischer Chemie aus Sonnenlicht Kraftstoff erzeugen“, sagt Lewis. Ein praxistaugliches Gerät muss allerdings billig, effizient und stabil sein. Im Moment könne er nur jeweils zwei dieser drei Kriterien erfüllen, so Lewis. Dass nicht alle drei zusammenkommen, liegt daran, dass bislang kosteneffiziente Katalysatoren für die chemische Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff fehlen.

Nach 100 Jahren Forschung seien nur eine Handvoll Stoffe übriggeblieben, die für die Oxidation von Wasser taugten, führt Lewis aus. „Wir können aber nicht noch einmal 100 Jahre warten, bis wir andere gefunden haben.“ Deshalb planen er und seine Mitarbeiter, chemische Verbindungen mit automatisierten Testverfahren zu untersuchen, wie sie in der Medikamententwicklung eingesetzt werden. Bis zu eine Million Verbindungen pro Tag wollen die Caltech-Forscher dann auf ihre katalytische Aktivität prüfen. „Damit schaffen wir an einem Tag mehr Katalysatoren, als in der ganzen Geschichte der Chemie getestet worden sind“, sagt Lewis.

Zeitgleich wird ein Team aus Designern und Hardware-Experten beginnen, Prototypen zu konstruieren. „Wir gehen davon aus, dass wir in spätestens drei Jahren die ersten Prototypen haben“, erklärt Lewis. Es sei zwar so gut wie sicher, dass die noch nicht richtig funktionieren würden, aber anders könne man kein brauchbares System hinbekommen. Im Moment habe man noch keine Vorstellung, wie das Gerät aussehen soll, wo etwa Wasser und Sonnenlicht eingeleitet werden. Aber: „Wenn Sie das Ding nicht bauen, können sie es nicht bauen“, meint Lewis etwas sibyllinisch.

Die Suche nach einer sauberen und billigen Energiequelle wird gelegentlich mit dem Wettlauf zum Mond in den sechziger Jahren verglichen. Einen Unterschied gibt es jedoch: Der Erfolg wurde damals nicht an den Kosten gemessen. Ganz gleich, wie ausgeklügelt Lewis’ Technologie sein wird: Sie muss ein auch wirtschaftlich nachhaltiges Geschäft ermöglichen. Angesichts der Preisschwankungen von Öl genügt es auch nicht, fast wettbewerbsfähig zu sein – entweder ganz oder gar nicht, lautet seine Devise.

Das Damoklesschwert der Energiepolitik

In den letzten zehn Jahren haben Ökonomen und Energieexperten immer wieder gedrängt, die CO2-Emissionen auch in den USA mit einem Preisschild zu versehen. Das könnte ein handelbares Zertifikat – wie in der EU – oder eine Kohlenstoffsteuer sein. Damit, so die ökonomische Logik, ließe sich der klimaschädliche Einsatz fossiler Energieträger wirtschaftlich effizient und technisch fair verringern, weil saubere Technologien plötzlich billiger und am Ende konkurrenzfähig würden. Die US-Regierung wiederum müsste sich nicht weiter den Kopf darüber zerbrechen, welche Energie sie in welcher Weise fördert. Bis heute konnte sich der US-Kongress jedoch nicht dazu durchringen, ein Emissionshandelssystem nach EU-Vorbild einzuführen.

In der amerikanischen Energiedebatte wird nun gestritten, wie es weitergehen soll. Einige Experten argumentieren, man solle neue Erfindungen und Innovationen unterstützen. Microsoft-Gründer Bill Gates etwa investiert in diese Suche nach „Wundertechnologien“ für die Energieversorgung von morgen.

Kritiker wenden ein, dass man den Einsatz erneuerbarer Energien ausbauen sollte, sowohl durch direkte Subventionen als auch durch indirekte Anreize. Joseph Romm vom Center for American Progress hält es jedoch für gefährlich zu glauben, „dass all diese tollen Technologien schon einfach so auftauchen und das Problem lösen werden“. In Wahrheit würden große Durchbrüche nur selten stattfinden.

Tatsächlich werden die meisten Technologien nicht im Labor besser und billiger, sondern auf dem Markt. Das aber bedeutet: Die USA können weder auf eine verstärkte Forschung noch auf Förderung durch die öffentliche Hand verzichten. Beides hängt miteinander zusammen: „Solange man eine Technik nicht einsetzt, kennt man auch die Fallstricke nicht“, sagt Romm. „Im Labor werden viele großartige Ideen realisiert, und trotzdem setzen sie sich nicht auf dem Markt durch. Schnelle Innovationen entstehen durch ein Wechselspiel aus Einsatz und Forschung.“

Eines der erfolgreichsten Start-ups im Energiesektor ist A123 Systems aus Massachusetts. Die MIT-Ausgründung stellt Lithium-Ionen-Akkus her, die länger halten und sicherer laufen als herkömmliche Geräte. Das Erfolgsgeheimnis liegt in der nanoskaligen Struktur des Elektrodenmaterials. A123 Systems schaffte den Sprung vom Labor zur kommerziellen Produktion in nur drei Jahren. Begünstigt wurde diese Entwicklung allerdings von der starken Nachfrage der Autoindustrie, die das Elektroauto wiederentdeckt hatte, und einer Förderung durch die US-Regierung in Höhe von 250 Millionen Dollar. Mit diesem Geld konnte A123 Systems den Bau einer eigenen Fertigung finanzieren.

Mitgründer Yet-Ming Chiang, Materialwissenschaftler am MIT, gab sich damit aber nicht zufrieden. Noch während A123 Systems mit der Kommerzialisierung der neuen Akkus beschäftigt war, suchte er bereits weiter nach einem Verfahren, das die Herstellung der Batterien weiter vereinfacht und billiger macht. Um zugleich die Reichweite einer Ladung zu erhöhen und Akkus zu Energiespeichern für das Stromnetz zu machen, entwickelte er eine neue Batterie-Konstruktion. Auch die basiert auf Nanomaterialien.

Um sie zu testen, gründete A123 Systems dann das Start-up 24M. Es soll das Ziel des US-Energieministeriums erreichen, eine Batterie zu bauen, bei der eine Kilowattstunde Strom nur noch 250 Dollar kostet – statt der derzeit üblichen 500 bis 600 Dollar. Sollte dies gelingen, könnten sich die Akkukosten, die einen großen Posten bei Elektroautos ausmachen, halbieren. Das würde den Gebrauch von E-Autos „im großen Stil etablieren“, ist sich Chiang sicher.

Selbst wenn seine neue Batteriekonstruktion kein Erfolg wird, zeigt ihre Erfindung doch die Vorteile, die in einer schnellen Kommerzialisierung und einer schrittweisen Innovation liegen. Denn die Akkus von A123 trugen maßgeblich dazu bei, einen Markt zu schaffen, in dem neue Konzepte überhaupt eine Chance haben. Zudem haben sie auch die Begrenzungen offen gelegt, die die erste Generation einer neuen Technologie hat. Ohne staatliche Förderung wäre sie nicht so weit gekommen. Chiang sieht die Regierungspolitik denn auch als einen „absolut kritischen Faktor“, sowohl für die Forschung als auch für die Skalierung von Prototypen auf Industrieniveau.

Wer nur auf technische „Wunder“ wartet, vergisst am Ende, dass für die Energiewende auch ein politisches Konzept aus einem Guss nötig ist. Und weil all die neuen Lieblingstechnologien im Energiesektor massiv von Subventionen abhingen, könne niemand absehen, was mit ihnen in Zeiten einer rigiden Haushaltspolitik passieren werde, sagt UCSD-Forscher David Victor. Angesichts des derzeitigen finanzpolitischen Klimas könnte es am Ende sein, dass die USA doch ein „Wunder“ brauchen, um die Energiewende zu schaffen. (nbo)