Der große Physiker des 20. Jahrhunderts Richard Feynman sagte einmal: "Es ist wichtig zu erkennen, dass wir in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist". Aber wir kennen eine eindeutige Tatsache: Bei der Bereitstellung nützlicher Energiedienstleistungen für die Gesellschaft ging es schon immer um Materialien.
Die heutigen Pläne zur Dekarbonisierung der globalen Energiesysteme konzentrieren sich auf eine massive Ausweitung des Einsatzes von Solar-, Wind- und Batterietechnologien mit dem Ziel, dass diese zu den vorherrschenden Mitteln zur Energieversorgung der Gesellschaft werden. Doch so paradox es auch klingen mag, der Ausbau dieser Energiequellen ist mit einem radikal größeren materiellen Fußabdruck verbunden als bei fossilen Brennstoffen. Das unvermeidliche Ausmaß des Materialbedarfs wird erhebliche Auswirkungen auf die Rohstoffmärkte und -preise sowie auf die Umwelt haben. In den meisten Politikformulierungen werden diese Auswirkungen nicht berücksichtigt. Eine durchdachte und realistische Planung, bei der die Kompromisse und Konsequenzen, die sich aus den für die Beschleunigung der Energiewende benötigten Materialien ergeben, ehrlich anerkannt werden, ist in diesem Land längst überfällig.
Es ist seit langem bekannt, dass der Bau von Solar- und Windkraftanlagen etwa das Zehnfache der Gesamttonnage gängiger Materialien - Beton, Stahl, Glas usw. - erfordert, um die gleiche Energiemenge zu liefern wie der Bau eines mit Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffen betriebenen Kraftwerks. Darüber hinaus führt die Bereitstellung der gleichen Energiemenge wie bei konventionellen Energiequellen mit Solar- und Windkraftanlagen sowie anderen Aspekten der Energiewende wie dem Einsatz von Elektrofahrzeugen zu einem enormen Anstieg des Verbrauchs von Spezialmineralien und -metallen wie Kupfer, Nickel, Chrom, Zink und Kobalt. In vielen Fällen handelt es sich um einen Anstieg um mehr als das Zehnfache. Wie eine Studie der Weltbank feststellte, sind die "Technologien, von denen angenommen wird, dass sie die saubere Energiewende vorantreiben ..., in ihrer Zusammensetzung wesentlich materialintensiver als die derzeitigen traditionellen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Energieversorgungssysteme."
Heute ist die Materialintensität von Solar- und Windkraftanlagen und Elektrofahrzeugen noch von geringer Bedeutung, da diese Technologien nur wenige Prozentpunkte des globalen Energiesystems ausmachen. Der Materialbedarf wird jedoch kaum zu ignorieren sein, wenn alle Volkswirtschaften der Welt gleichzeitig ähnlich ehrgeizige Strategien verfolgen, um die fossilen Brennstoffe zu ersetzen, die derzeit über 80 % der gesamten Energie liefern. Nach dem Visionsplan der Internationalen Energieagentur (IEA), der von einigen politischen Entscheidungsträgern aufgegriffen und sogar übertroffen wurde, sollen Solar- und Windenergie in den kommenden zwei Jahrzehnten etwa 60 % der neuen globalen Nettoenergieversorgung liefern.
Die Installation von so viel Wind- und Solarkapazität weltweit hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Materialien, ganz zu schweigen vom Landbedarf, der bald problematisch werden wird. Um den Energieertrag einer einzigen erdgasbefeuerten 100-Megawatt-Turbine (die genug Strom für 75.000 Haushalte erzeugt) zu ersetzen, sind mindestens 20 Windturbinen erforderlich, von denen jede etwa 30.000 Tonnen Eisenerz und 50.000 Tonnen Beton sowie 900 Tonnen nicht wiederverwertbare Kunststoffe für die Turbinenblätter benötigt. Für die Gasturbine werden dagegen nur rund 300 Tonnen Eisenerz und etwa 2.000 Tonnen Beton benötigt. Für die 20 Windturbinen werden außerdem 1.000 Tonnen an Spezialmetallen und Mineralien wie Kupfer, Chrom, Zink usw. benötigt, während es bei der Gasturbine nur etwa 100 Tonnen sind. Außerdem ist die Gasturbine etwa so groß wie ein Wohnhaus, während diese 20 Windturbinen 10 Quadratmeilen Land benötigen. Und obwohl für eine Solaranlage nur ein Drittel so viel Land wie für eine Windkraftanlage benötigt wird, ist die Gesamttonnage an Zement, Stahl und Glas etwa 150 % höher als bei Windkraftanlagen.
Und wenn Solar- und Windenergie zu den primären Energiequellen werden sollen, dann sind Stromspeicher und zusätzliche Erzeugungskapazitäten erforderlich, um die Nachfrage zu decken und überschüssige Energie zu produzieren, die gespeichert werden kann. So würde der Ersatz einer 100-MW-Gasturbine mindestens 200 MW an Solar- oder Windkapazität erfordern, was den Bedarf an Hardware und Material mehr als verdoppeln würde - zusammen mit noch mehr Material für den Bau von etwa 10.000 Tonnen Batterien für die Energiespeicherung.
Der Ausbau von Solar- und Windkraftanlagen sowie Batterien bedeutet auch, dass der Abbau der dafür benötigten Mineralien ausgeweitet werden muss. Die schiere Menge an Erde, die bewegt und verarbeitet werden muss, um diese veredelten Mineralien herzustellen, hat erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. Um eine Tonne eines gereinigten Elements zu gewinnen, muss eine weitaus größere Menge an Erz abgebaut und verarbeitet werden. Kupfererze beispielsweise enthalten in der Regel nur etwa 0,5 Gewichtsprozent des Elements selbst: Um eine Tonne Kupfer zu gewinnen, werden etwa 200 Tonnen Erz abgebaut, gefördert, zerkleinert und raffiniert. Für das Seltene Erden Element Neodym, das in Windturbinen verwendet wird, müssen zwischen 20 und 160 Tonnen Erz abgebaut werden, um eine Tonne zu erhalten. Kobalt (das in den meisten Batterien verwendet wird) kommt in der Regel mit einem Gehalt von weniger als 1 Tonne des Elements pro 1.500 Tonnen Erz vor. Bei der Berechnung des vorgelagerten ökologischen Fußabdrucks sollte auch der Abraum berücksichtigt werden, d. h. der notwendige Abbau von noch mehr Tonnen Gestein und Erde, um an eine einzige Tonne des vergrabenen mineralhaltigen Erzes zu gelangen.
Die Energiewende, so wie sie heute konzipiert ist, wird einen Bedarf an Dutzenden von Gigatonnen an Materialien für die Solar- und Windenergieerzeugung, die Netzspeicherung und Autobatterien schaffen. Die IEA bezeichnet dies als "Übergang von einem brennstoffintensiven zu einem materialintensiven Energiesystem". Die Agentur schätzt, dass ein Energieplan, der ehrgeiziger ist als das Pariser Abkommen von 2015, aber weit davon entfernt ist, die Verwendung fossiler Brennstoffe zu eliminieren, die Nachfrage nach Mineralien wie Lithium, Graphit, Nickel und Kobalt bis 2040 um 4.200 %, 2.500 %, 1.900 % bzw. 700 % erhöhen würde.
Kann die Welt den Mineralien- und Bergbaubedarf für diese kollektiven Ziele decken? Der IEA-Bericht ist nicht der einzige, der darauf hinweist, dass die erforderlichen Bergbau- und Verarbeitungsinfrastrukturkapazitäten noch nicht vorhanden sind, um die Nachfrage nach praktisch jeder Mineralienkategorie zu decken, die für den Übergangspfad erforderlich ist.
In einem kürzlich erschienenen Bericht des Geologischen Dienstes Finnlands haben Forscher die Auswirkungen auf die Mineralien untersucht, die für eine vollständige Energiewende erforderlich sind, d. h. die Nutzung von Sonnen- und Windenergie zur Elektrifizierung des gesamten Landverkehrs sowie zur Herstellung von Wasserstoff für die Luftfahrt und für chemische Prozesse. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass die daraus resultierende Nachfrage nach fast allen benötigten Mineralien, einschließlich gängiger Mineralien wie Kupfer, Nickel, Graphit und Lithium, nicht nur die bestehenden und geplanten globalen Produktionskapazitäten, sondern auch die bekannten globalen Reserven dieser Mineralien übersteigen würde.
Eine kürzlich durchgeführte Analyse des Beratungsunternehmens Wood Mackenzie ergab, dass, wenn bis 2030 zwei Drittel aller Neuwagenkäufe auf Elektrofahrzeuge entfallen sollen, Dutzende neuer Minen eröffnet werden müssten, nur um die Nachfrage der Automobilindustrie zu decken - jede Mine wäre so groß wie die weltweit größte in jeder Kategorie heute. Doch bis 2030 sind es nur noch acht Jahre, und wie die IEA berichtet hat, dauert die Eröffnung einer neuen Mine im Durchschnitt 16 Jahre.
Trotz dieser und ähnlicher Analysen schlagen viele Länder und viele US Bundesstaaten nun vor, den Einsatz von Solar-, Wind- und Batterietechnologien zu beschleunigen, ohne klare Pläne zur Überwindung der materiellen Defizite. Eine von der niederländischen Regierung geförderte Studie stellt die Realität unverblümt dar: "Ein exponentielles Wachstum der [globalen] Produktionskapazität für erneuerbare Energien ist mit den heutigen Technologien und der jährlichen Metallproduktion nicht möglich."
Ein weiteres Problem bei diesen neuen Technologien sind ihre künftigen Kosten, die untrennbar mit der Geschwindigkeit und dem Umfang ihres Markteintritts verbunden sein werden. Bei den Zukunftsplänen für Solar-, Wind- und Batterietechnologien wird heute davon ausgegangen, dass die Kosten weiterhin deutlich sinken werden, wie dies bereits im letzten Jahrzehnt der Fall war. Die Auswirkungen der rekordverdächtigen Nachfrage nach mineralischen Rohstoffen lassen jedoch eher das Gegenteil vermuten.
Nehmen wir die Batterien, die die Hoffnung nähren, fossile Brennstoffe sowohl im Verkehrswesen als auch bei der Nutzung von Solar- und Windkraftnetzen zu ersetzen. Zahlreiche Schätzungen (die genauen Daten sind urheberrechtlich geschützt) deuten darauf hin, dass 60 bis 70 % der Kosten für die Herstellung einer Batterie auf Grundstoffe entfallen. Daher können geringfügige Erhöhungen der Rohstoffpreise Gewinne bei dem geringeren Anteil der Kosten für Montage, Elektronik und Arbeit zunichte machen, was zu höheren Gesamtkosten führt. Die IEA stellte in ihrer Anfang 2021 durchgeführten Analyse der "Energiewende Mineralien" fest, dass künftige Preiseskalationen bei Mineralien die erwarteten Senkungen der Herstellungskosten, die sich aus den "Lerneffekten" bei der weiteren Ausweitung der Batterieproduktion ergeben, "auffressen" könnten. Tatsächlich führten die hohen Materialkosten im Jahr 2021 zu einem Rückgang der Gesamtpreise für Lithiumbatterien um nur 6 %. Das war eine dramatische Verlangsamung des dekadischen Trends und weniger als die Hälfte des Rückgangs in den beiden vorangegangenen Jahren. Obwohl Elektroautos nur 5 % des Automobilmarktes ausmachen, ist der Preisindex für Metalle für Elektroautobatterien in den letzten zwei Jahren bereits um mehr als 200 % gestiegen.
Die Rohstoffinflation hat begonnen, auch die Kosten für den Bau von Wind- und Solarsystemen in die Höhe zu treiben, wodurch sich der langfristige Kostenrückgang verlangsamt oder sogar umgekehrt hat. Wie bei den Batterien haben die Fortschritte in der Produktionseffizienz die Produktionskosten für Solarmodule so weit gesenkt, dass die Rohstoffkosten inzwischen etwa 70 % des Gesamtpreises der Module ausmachen. Zu diesen Rohstoffen gehören nicht nur Kupfer, Silber und Aluminium, sondern in nicht geringem Maße auch Kohle. Die energieintensive Herstellung von Polysilizium, einem der wichtigsten Rohstoffe für Solarmodule, erfolgt hauptsächlich in China (mit einem Anteil von zwei Dritteln des gesamten Polysiliziumangebots) in einem kostengünstigen, von Kohle dominierten Netz. Die Kombination aus Rohstoffinflation und dem sprunghaften Anstieg der Kohlepreise ließ die Preise für Solarmodule im Jahr 2020 um fast 50 % steigen. Die Hersteller von Windturbinen wurden von den höheren Materialkosten (die 20 % ihrer Kosten ausmachen) ähnlich hart getroffen, und viele von ihnen planen nun, Turbinen mit Klauseln zu verkaufen, die die Rohstoffpreiserhöhungen an die Käufer "weitergeben".
Viele Analysten sind der Meinung, dass der Materialbedarf durch Recycling erheblich gesenkt werden kann. Das Ideal wird als Kreislaufwirtschaft beschrieben, die eine nahezu vollständige Wiederverwendung von Materialien aus ausrangierter Hardware ermöglicht. Obwohl dies ein lohnenswertes Ziel ist, verhindern unzählige praktische und wirtschaftliche Faktoren, dass dieses Ziel erreicht werden kann, und zwar nicht nur bei Solar-, Wind- und Batterieanlagen. Und, wie eine Studie der Vereinten Nationen feststellte: "Weniger als ein Drittel der 60 untersuchten Metalle haben eine Recyclingrate von über 50 %, und 34 Elemente werden zu weniger als 1 % recycelt, obwohl viele von ihnen für saubere Technologien entscheidend sind. Selbst wenn weitaus höhere Recyclingquoten vorgeschrieben würden, wird die riesige Menge an Solar- und Windkraftanlagen, die für die Energiewende benötigt wird, auf Jahrzehnte hinaus jede geringfügige Erhöhung des Materialangebots, die sich aus dem Recycling der weitaus geringeren Menge an ausgedienter Hardware ergeben könnte, zunichte machen.
Einige Befürworter der Energiewende setzen ihre Hoffnungen auf Innovationen zur Verringerung der Materialintensität durch Verbesserungen der grundlegenden Betriebseffizienz der Systeme: z. B. höhere photovoltaische Umwandlungseffizienz und Batteriechemien mit höherer Energiedichte. Aber in diesen Bereichen sind Gewinne von etwa 10 % nur schwer zu erreichen. Um einen nennenswerten Einfluss auf den Materialbedarf zu haben, wären statt 10 % Effizienzsteigerung Sprünge um das Zehnfache gegenüber den bestehenden Solar-, Wind- und Batterietechnologien erforderlich - Gewinne, die nicht einmal theoretisch möglich sind.
Kurz gesagt, es lässt sich nicht vermeiden, dass das erstaunliche Ausmaß der globalen Materialproduktion, das für die vorgeschlagenen Energiewendepläne erforderlich ist, den Bestrebungen zur Ausweitung des Einsatzes von Wind-, Solar- und Batteriesystemen mit Sicherheit enge Grenzen setzt. Doch noch bevor diese Grenzen erreicht sind, wird das Streben nach einer materialintensiven Energieinfrastruktur wirtschaftliche Auswirkungen haben, die über die Energiemärkte hinausgehen und die Kosten für die nichtenergetische Verwendung derselben Mineralien in Computern, konventionellen Produktionsanlagen, alltäglichen Verbrauchsgeräten und vielem mehr in die Höhe treiben.
Neben den wirtschaftlichen Aspekten gibt es auch praktische und geopolitische Herausforderungen, die sich aus der Neuausrichtung der Versorgungsketten für Energierohstoffe ergeben. Beispielsweise sind die Vereinigten Staaten heute bei 17 kritischen Mineralien zu 100 % von Importen abhängig, und bei 28 anderen machen die Nettoimporte mehr als die Hälfte der bestehenden Binnennachfrage aus. Die Montage von Batterien oder Solaranlagen in den Vereinigten Staaten wird an den zugrunde liegenden Abhängigkeiten ebenso wenig ändern wie die Montage von Autos im Inland, wenn die Schlüsselkomponenten und der gesamte Kraftstoff importiert werden.
Schließlich gibt es noch die sozialen und moralischen Auswirkungen, die mit einer radikalen Veränderung der Art und des Ortes der Umweltauswirkungen verbunden sind, die sich aus dem Ersatz von Bohrungen (für fossile Brennstoffe) durch eine massive Ausweitung des Bergbaus ergeben, der zu einem großen Teil in Schwellenländern und empfindlichen Ökosystemen stattfinden wird. So stellte das australische Institute for Sustainable Futures in seiner Analyse fest, dass der globale Goldrausch nach Mineralien zur Erfüllung der ehrgeizigen Übergangspläne die Bergleute in "einige abgelegene Wildnisgebiete [führen könnte], die sich eine hohe Artenvielfalt bewahrt haben, weil sie noch nicht gestört worden sind".
Den sozialen und humanitären Auswirkungen dieses Wandels wurde bisher wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Jennifer Dunn, eine Pionierin auf dem Gebiet der sozialen Ökobilanzierung (S-LCA) und stellvertretende Direktorin des Center for Engineering Sustainability and Resilience an der McCormick School of Engineering der Northwestern University, hat festgestellt, dass "Technologien, die zur Lösung großer Herausforderungen wie dem Klimawandel entwickelt werden, sowohl ihre ökologischen als auch ihre sozialen Auswirkungen berücksichtigen müssen, um ihre wahren Folgen zu verstehen". Wie Dunn und ihre Mitarbeiter in einer kürzlich durchgeführten Analyse am Beispiel von Kobalt feststellen, ist die Ökobilanz zwar ein "ausgereiftes und weit verbreitetes Instrument", aber soziale und humanitäre Überlegungen sind noch im Entstehen begriffen, und "das Fehlen von regional oder lokal spezifischen Daten und von Anleitungen für deren Erhebung sind erhebliche Hindernisse für eine solide und wirksame Ökobilanz".
Die politischen Entscheidungsträger haben nur begrenzte Möglichkeiten, die materiellen Herausforderungen zu bewältigen, die sich aus einer übermäßigen Abhängigkeit von Solar-, Wind- und Batterietechnologien ergeben. Auch wenn die lange Geschichte der militärischen Vorratshaltung für kritische Mineralien wie ein nachahmenswerter Präzedenzfall erscheinen mag, lösen Vorräte kein systemisches Versorgungsproblem. In jedem Fall sind die im Energiesektor benötigten Mengen an Materialien um viele Größenordnungen größer als für Verteidigungszwecke, was diese Option wirtschaftlich, wenn nicht sogar funktional unmöglich macht - selbst für den Sicherheitsaspekt, den die Lagerbestände beheben sollen.
Die Europäische Union hat den Bedarf an zusätzlichem Bergbau, insbesondere auf ihrem eigenen Kontinent, anerkannt und sogar Entwicklungsanreize vorgeschlagen. Doch die wenigen Versuche, in den EU-Ländern neue Minen zu eröffnen, stießen schnell auf heftigen Widerstand der Umweltschützer. In den Vereinigten Staaten haben weder der Kongress noch die Regierung etwas Sinnvolles vorgeschlagen, um die heimische Bergbauindustrie zu fördern. Stattdessen werden Vorschläge für neue Minen weiterhin blockiert.
Der offensichtliche Ansatz zur Vermeidung einer nicht nachhaltigen Nachfrage nach Mineralien ist die Verabschiedung moderaterer und längerfristiger Ausbauziele für Solar-, Wind- und Batterieanlagen. Dies würde eine weitaus weniger aggressive Auferlegung von Mandaten und Subventionen erfordern, die darauf abzielen, die Markteinführung zu beschleunigen. Eine realistischere Politik könnte nicht nur eine Hyperinflation auf den Rohstoffmärkten vermeiden, sondern hätte auch den heilsamen Vorteil einer kostengünstigeren, natürlichen Entwicklung neuer Energietechnologien.
Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass er eine Lücke in den Bestrebungen zur Verringerung der Nutzung fossiler Brennstoffe hinterlässt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Kohlenwasserstoffverbrauch in den letzten zehn Jahren, in denen die Umstellungsmaßnahmen bereits beschleunigt wurden, gestiegen ist und nach Prognosen der IEA in absehbarer Zeit weiter steigen wird. Um dem entgegenzuwirken, könnte sich die Politik produktiver auf die Unterstützung des erweiterten Einsatzes verschiedener Technologien konzentrieren, insbesondere solcher, die die Effizienz fossiler Brennstoffe radikal verbessern.
Längerfristig könnten die politischen Entscheidungsträger der Tatsache Rechnung tragen, dass ein "Netto-Null-Ziel" neue Technologien erfordert, die es heute noch nicht gibt. Diese Tatsache verdeutlicht die Notwendigkeit einer stärkeren Konzentration auf die wissenschaftliche Grundlagenforschung. Leider hat dieser Weg keine "Vorhersagefunktion" (um es mit Bill Gates' Worten auszudrücken), und man kann in der Tat keine schwer fassbaren, bahnbrechenden Technologien in Auftrag geben. Man kann sich zwar vorstellen, aber nicht vorhersagen, wann jemand beispielsweise einen kostengünstigen Supraleiter bei Raumtemperatur entdeckt, der die Speicherung von Strom so einfach und billig macht wie die Speicherung von Erdöl, oder ein Metamaterial, das Wasserstoff in einem Umfang und zu Kosten synthetisiert, die mit denen von Erdgas konkurrieren.
Nach dem heutigen Stand der Physik und Technologie wäre der einzige Weg zu einem Energiesystem mit einer geringeren Materialintensität als bei Kohlenwasserstoffen ein System, das auf Kernspaltung beruht. Im Pantheon der energieerzeugenden Maschinen ist keine bemerkenswerter als der Kernreaktor. Die Kernspaltung bietet das Potenzial, die Materialintensität gegenüber der Verbrennung um das Hundertfache und gegenüber der Sonnen- und Windenergie um das Tausendfache zu verringern. Aber auch hier gilt: Selbst wenn politische Maßnahmen ergriffen werden, die eine Renaissance der Kernenergie begünstigen, wird ein sinnvoller Ausbau Jahrzehnte länger dauern als die heute üblichen schnellen Übergangsfristen.
Die materiellen Realitäten, die mit Solar-, Wind- und Speichertechnologien verbunden sind, schließen eine erweiterte oder sogar wesentliche Rolle dieser Energiesysteme nicht aus. Der Glaube, dass diese Technologien einen schnellen und umfassenden Ersatz fossiler Brennstoffe ermöglichen, ignoriert jedoch die zugrunde liegende Physik, Technik und Wirtschaft. Noch problematischer ist, dass der Einsatz von so viel Aufwand und Geld in diese Technologien die Welt auf einen Weg führen wird, der die Ziele zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen nicht erreichen wird, sondern massive Kollateralschäden für Wirtschaft und Umwelt verursachen würde. Wäre Feynman heute noch am Leben, so würde er vermutlich einen anderen seiner beliebten Aphorismen wiederholen: "Für eine erfolgreiche Technologie muss die Realität Vorrang vor der Öffentlichkeitsarbeit haben, denn die Natur lässt sich nicht täuschen."
Mark P. Mills, Senior Fellow des Manhattan Institute und Fakultätsmitglied an der McCormick School of Engineering der Northwestern University, ist strategischer Partner bei Montrose Lane, einem Risikofonds für Energietechnologie. Er ist der Autor von The Cloud Revolution: How the Convergence of New Technologies Will Unleash the Next Economic Boom and a Roaring 2020s.