Diese drei Stromerzeuger können eine weltweite Energiekrise verhindern

In Kürze:

Der weltweite Energiebedarf hat sich in den vergangenen Jahrzehnten vervielfacht.

An ihre Grenzen – und mittelfristig darüber hinaus – gelangt die Stromversorgung durch aufstrebende Wirtschaften, neue Technologien und die zunehmende Elektrifizierung.

Sämtliche Energie auf der Erde, mit Ausnahme radioaktiver Elemente und Prozesse, stammt von der Sonne, entweder direkt: Solarenergie, indirekt: Wind, Wasser, Biomasse und Erdwärme oder historisch: fossile Brennstoffe.

Energie im Überfluss kann nur die Sonne selbst oder ihre technische Nachbildung in Fusionskraftwerken liefern.

Mehrere deutsche Projekte arbeiten gleichzeitig an verschiedenen Varianten der Umsetzung der Kernfusion.

Der Energiebedarf der Welt steigt sprunghaft. Neue Technologien, Datenspeicher, Künstliche Energie, E-Mobilität und die wachsende Erdbevölkerung haben den Strombedarf seit dem Jahr 2000 mehr als verdoppelt. Tendenz weiter steigend. Setzt sich dieser Trend fort, ist damit zu rechnen, dass der Strombedarf die -erzeugung in Zukunft übersteigt. Der Bau neuer, konventioneller und erneuerbarer Kraftwerke kann dies nur bedingt ausgleichen.

Auf ein nahezu unerschöpfliches Energiereservoir kann die Sonne zurückgreifen. Die von ihr ausgestrahlte Energie ermöglicht seit Milliarden Jahren Leben und Wachstum auf der Erde und bestimmt unser Klima. Eine verstärkte Nutzung dieser Energie kann Fortschritt und Existenz der Menschheit sichern.

Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass der Energieprozess der Sonne auf der Erde möglich wird. Internationale Forschungsgruppen planen nach langjähriger Entwicklungsarbeit, in etwa zehn Jahren einen Forschungsreaktor in Betrieb zu setzen. Mit diesem Verfahren kann eine Energiekrise verhindert werden. Bis zur Nutzung dieser Fusionsenergie sind Photovoltaik, Solarthermie, Windenergie, Kernenergie sowie fossile Rohstoffe zur Energieerzeugung unentbehrlich.

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Das Klima der Erde – eine Laune der Sonne?

In der Milchstraße ist die Sonne ein Stern unter unzähligen Milliarden ähnlicher Sterne. Sie besteht zu 99,8 Prozent aus Wasserstoff und Helium sowie Spuren anderer Elemente. An der Sonnenoberfläche beträgt ihre Temperatur etwa 6.000 Grad Celsius. In ihrem Zentrum sind es über 15 Millionen Grad Celsius. Dort entsteht die Sonnenenergie durch Fusion von Wasserstoff zu Helium. Der aktuelle Energievorrat der Sonne reicht für Milliarden Jahre, bis die Sonne ihre stabile Position wegen Wasserstoffmangel verlässt.

An der rund 150 Millionen Kilometer entfernten Erdatmosphäre kommen rund 1.360 Watt pro Quadratmeter (W/m²) an. Auf der Erdoberfläche sind es im Mittel noch etwa 450 W/m².

Ein Maß für die Stärke der Sonnenaktivität ist die Zahl der Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche. Hohe Sonnenfleckenzahlen weisen auf verstärkte Strahlungsleistung hin, es treten Warmperioden auf. Dagegen führen Sonnenflecken-Minima zur Abkühlung und Kaltperioden wie die „Kleine Eiszeit“ zwischen 1600 und 1750.

Die jährlich beobachteten Sonnenflecken von 1610 bis 2015 mit dem Maunder-Minimum im 17. Jahrhundert, das zur „Kleinen Eiszeit“ führte. Foto: DeWikiMan | Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Größere Schwankungen der Sonnenstrahlung bewirken auf der Erde die Entstehung lang andauernder Klimazyklen. So ist aus der Erdgeschichte bekannt, dass in den vergangenen Millionen Jahren wiederholt lange Eis- und Warmzeiten sowie kürzere Kalt- und Warmperioden auftraten. Die letzte Eiszeit endete vor etwa 11.000 Jahren – es begann eine neue Warmzeit, in der wir heute leben.

Entwicklung der globalen Temperaturabweichungen der letzten 200 (oben) und 420.000 Jahre (unten). Deutlich erkennbar sind ein steigender Trend in jüngerer Vergangenheit und langfristige Zyklen mit starken Schwankungen sowohl über als auch erheblich unter das heutige Temperaturniveau. Der rote Kasten im unteren Diagramm umfasst die aktuelle Warmzeit. Foto: ts | Epoch Times nach Dagsvik, Moen (2023), CC BY 4.0

Solche langfristigen Klimaänderungen wurden bereits 1920 vom serbischen Astronomen und Mathematiker Milutin Milanković beschrieben und auf die Sonne zurückgeführt. Konkret verändern Abweichungen der Erdbahn den Abstand zwischen Erde und Sonne und Schwankungen der Erdachse den Einfallswinkel der Strahlung. Beides wirkt sich auf die Strahlungsleistung pro Fläche aus.

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Nutzung der Sonnenenergie in der Natur …

Sonnenenergie ermöglicht Wachstum und Ernährung von Pflanzen und Wäldern. Das Strahlungsmaximum der Sonne liegt im grünen Spektralbereich. Blätter enthalten den grünen Blattfarbstoff Chlorophyll, der die Sonnenstrahlung absorbiert.

Die aufgenommene Sonnenenergie ermöglicht die Photosynthese; in Bäumen zur Bildung von Zellulose, Hemicellulose und Lignin. Die Biosynthese wandelt in mehreren Stufen Kohlenstoffdioxid und Wasser in Kohlehydrate um. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt.

6 CO₂ + 6 H₂O ⟶ C₆(H₂O)₆ + 6 O₂

Für Atmung, Transport von Wasser und Nährstoffen sowie für Zellbildung, Regeneration von Schadstellen oder Bildung von Abwehrstoffen verbrauchen Pflanzen Energie. Sie „verbrennen“ die Kohlenhydrate, was zur Freisetzung von CO₂ führt. Die chemische Gleichung ist dieselbe, läuft aber rückwärts.

C₆(H₂O)₆ + 6 O₂ ⟶ 6 CO₂ + 6 H₂O

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… und durch den Menschen

Auch der Mensch nutzt die Sonnenenergie, entweder mittels Photovoltaik zur Stromerzeugung oder in Form von Solarthermie zur Wärmegewinnung. Letztere kann auch zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Die Energieausbeute beider Techniken hängt stark von Standort, Jahreszeit und Sonnenstunden ab. In unseren Breiten sinkt die Energieerzeugung im Winterhalbjahr auf etwa zehn Prozent der Sommerleistung, sodass andere Quellen die Stromversorgung übernehmen müssen.

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Photovoltaik und Solarthermie unterscheiden sich hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Energieerzeugung. Obwohl thermische Anlagen den dreifachen Wirkungsgrad besitzen – und damit weniger Fläche beanspruchen –, erreichten sie nach Schätzungen 2023 nur etwa ein Drittel der weltweiten Energieerzeugung durch Photovoltaik.

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Weitere Unterschiede bestehen beim Rohstoffbedarf: Die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom erfordert wertvolle Rohstoffe wie hochreines Silizium, Silber und Kupfer. Solarthermische Anlagen kommen praktisch ohne diese aus.

Wesentlicher Vorteil der Solarthermie ist zudem, dass Wärme in großem Maßstab gespeichert werden kann, beispielsweise in erhitzten Salzschmelzen. Diese ermöglichen auch bei Dunkelheit Wärmelieferung und Dampferzeugung – sowohl als Prozessdampf als auch zur Stromerzeugung. Vergleichbar große Speicher für Photovoltaikstrom gibt es nicht.

Solarthermische Anlagen sind Photovoltaik in mehrerlei Hinsicht überlegen, kommen aber dennoch nur auf einen Bruchteil der installierten Leistung und Energieerzeugung. Foto: ts | Epoch Times

Photovoltaik: Weltweit wachsende Stromerzeugung

Solarzellen wandeln mit hochreinem Silizium oder anderen Halbleitern das eingestrahlte Sonnenlicht in Strom um. Der Wirkungsgrad liegt bei knapp 25 Prozent und variiert je nach den verwendeten Materialien.

Die weltweit installierte Leistung von Photovoltaikanlagen ist im Jahr 2024 um 38 Prozent auf 2.246 Gigawatt (GW) angestiegen. Die weltweite Stromerzeugung aus Photovoltaik erreichte im selben Jahr rund 2.120 Terawattstunden (TWh). Das entspricht etwa 6,9 Prozent der weltweiten Stromerzeugung.

Weltweit installierte Photovoltaikleistung in Gigawatt nach Ländern und Jahren. Foto: Volker Quaschning, CC BY 4.0 Daten: IEA PVPS, IRENA, UK Department for Business, Energy & Industrial Strategy

Die meisten Photovoltaikanlagen stehen in China (40 Prozent), gefolgt von den USA (9 Prozent) sowie Indien, Japan und Deutschland mit je rund 4,5 Prozent. Ferner kommen Länder wie Brasilien, Spanien, Italien, Mexiko, Türkei, Frankreich, Südkorea, Niederlande, Südafrika, Chile und Großbritannien – in der Reihenfolge ihrer photovoltaischen Stromerzeugung – auf zusammen knapp 40 Prozent.

In Deutschland betrug die installierte Leistung Ende 2024 etwa 99 GW. Mit einer Modulfläche von rund 300 Quadratkilometern erzeugten die über 4 Millionen Anlagen etwa 64 TWh Strom, rechnerisch rund 13 Prozent des Jahresverbrauchs. „Balkonkraftwerke“ sind in den 4 Millionen Anlagen noch nicht enthalten. Sie speisen unkontrolliert ins Netz ein.

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Begrenzte Rohstoffe, kaum Recycling

Die Stromerzeugung einer Photovoltaikanlage hängt stark von den örtlichen Bedingungen ab, insbesondere den jährlichen Sonnenstunden. In Deutschland belaufen sich diese auf etwa 1.600 Stunden im Jahr. In südlichen Ländern sind bis über 3.000 Sonnenstunden und entsprechend höhere Erträge möglich. Da zudem die Flächengröße der Anlage über die Stromausbeute entscheidet, werden leistungsstarke Anlagen häufig in Wüstengebieten wie in Kalifornien, Dubai oder Indien errichtet.

Der Norden Europas bekommt nur halb so viele Sonnenstunden im Jahr wie der Süden. Foto: ts | Epoch Times nach XL3, CC BY-SA 3.0

Nach Schätzung der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien landen ausrangierte Solarkollektoren zu 90 Prozent in Deponien, da die Rückgewinnung der Rohstoffe zu aufwendig ist. Die derzeit etwa 200 Millionen einzelnen Solarmodule in Deutschland enthalten rund: 460.000 Tonnen (t) Aluminium, 140.000 t hochreines Silizium, 40.000 t Kupfer und 4.000 t Silber. Weltweit ist das Vielfache davon verbaut und für den weiteren Ausbau erforderlich.

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Die größten Photovoltaikanlagen im Vergleich:

Die größten Photovoltaikanlagen der Welt befinden sich in China. Ihre Gesamtfläche übersteigt bereits heute die Fläche Berlins. Deutschlands größte Photovoltaikanlage steht in Sachsen. Foto: ts | Epoch Times nach Wikimedia Maps | OpenStreetMap, Daten: Wiki Data

Solarthermie: Wärme aus tausend Spiegeln

Was der Effektivität der Photovoltaik schadet – mit steigenden Temperaturen der Solarmodule sinkt deren Fähigkeit zur Stromerzeugung – ist bei der Solarthermie erwünscht. Anwendungen im Privatbereich beschränken sich bei Temperaturen unter 100 °C auf Warmwassererzeugung für Haus, Gartendusche oder Pool.

Für die industrielle Nutzung wird das Sonnenlicht zunächst gebündelt, wodurch Arbeitstemperaturen von mehreren Hundert Grad Celsius zustande kommen. Dies geschieht einerseits in sogenannten Parabolrinnenkraftwerken, die stark gekrümmte Spiegel nutzen, um das Sonnenlicht auf ein Rohrleitungssystem mit Wärmträgerflüssigkeit zu fokussieren.

Ein anderes Verfahren nutzt sogenannte Sonnentürme, auf die eine Vielzahl von flachen Spiegeln die Sonnenstrahlung lenken und so flüssige Wärmeträger wie Salzschmelzen erhitzen. Die Arbeitstemperaturen erreichen dabei 400 bis 1.000 °C. Die theoretisch erreichbare Höchsttemperatur beträgt rund 6.000 °C – so heiß wie die Sonnenoberfläche.

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Solarthermische Anlagen nutzen hauptsächlich zwei Konzepte: Parabolrinnenkraftwerke (l.) konzentrieren das Sonnenlicht auf ein „sehr helles schwarzes Rohr“. Sonnentürme (r.) lenken das Licht mittels großer Spiegelfelder auf sich und erwecken aus der Ferne den Anschein vom „Auge Saurons“. Foto: ts | Epoch Times nach Azulillo, Jian Fan | iStock

Heute Wärme, morgen Strom, übermorgen Wasserstoff

Obwohl der Wirkungsgrad der Solarthermie mit bis zu 80 Prozent erheblich höher ist, erreicht die weltweite Energieerzeugung bisher nur gut ein Drittel der photovoltaischen Energieerzeugung. Ein wesentlicher Grund ist, dass Solarstrom ins überregionale Netz eingespeist werden kann. Wärme wird bisher, zum Beispiel als Prozess- oder Fernwärme, eher lokal genutzt. Mittels Dampferzeugung, -turbine und Generatoren kann Solarwärme auch in Strom umgewandelt werden. Eine Anlage in Dubai soll ab 2030 neben Wärme und Strom auch Wasserstoff erzeugen.

Im Jahr 2023 stellten weltweit Anlagen mit einer installierten Leistung von 560 GW etwa 600 TWh Wärme bereit. Theoretisch können bei einem Wirkungsgrad von 60 Prozent und einer Anlagenleistung von 1 GW das Mehrfache an Wärme in GWh gewonnen werden. Die Energieerzeugung hängt auch hier von der jährlichen Sonneneinstrahlung ab, die in Mitteleuropa etwa 1.000 und in wärmeren Ländern über 2.000 kWh/m² beträgt.

Langfristige Sonneneinstrahlung und Energieausbeute weltweit. Foto: ts | Epoch Times nach Solargis, Weltbank, CC BY 4.0

Mit rund 70 Prozent verfügt China über den Großteil der solarthermischen Anlagen, gefolgt mit großem Abstand von den USA und Europa mit jeweils etwa 5 Prozent. Zahlreiche Länder wie Brasilien, Mexiko, die Türkei, die Vereinigten Arabischen Emirate, Südafrika oder Indien haben Anteile von circa 2 Prozent.

Die größten Solarthermieanlagen im Vergleich:

Die leistungsstärksten Solarthermieanlagen entstehen in Afrika, sollen teils aber Europa versorgen. Bei den Leistungsdaten ist zwischen elektrischer (el) und thermischer (th) Leistung zu unterscheiden. Foto: ts | Epoch Times nach Mapbox | OpenStreetMap, Daten: Global Energy Monitor

Kernfusion: Auf der Erde heißer als in der Sonne

Sowohl Photovoltaik als auch Solarthermie sind von Sonnenenergie abhängig, die durch Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Sonne entsteht. Dabei werden ungeheure Energien frei. Nur ein winziger Bruchteil davon erreicht uns. Seit über 50 Jahren beschäftigt sich die internationale Forschung damit, Verfahren und Anlagen zu entwickeln, um das Prinzip dieser Energieentstehung direkt zu nutzen. Die erste kontrollierte Kernfusionsreaktion gelang 1958 in den USA im Livermore National Laboratory. Das war vor nunmehr 67 Jahren.

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Die Fusion von vier Wasserstoffatomen zu einem Heliumatom im Sonnenzentrum verläuft bei etwa 15 Millionen Grad Celsius, einem Druck von rund 100 Milliarden Bar und einer sehr hohen Dichte. Dabei entsteht aus zehn Kilogramm Wasserstoff die Energie von vier bis fünf Kernkraftwerken oder zehn Gaskraftwerken.

Die Reaktionsbedingungen der Sonne – insbesondere der Druck – können auf der Erde jedoch nicht erreicht werden, weshalb Forscher mit weit höheren Temperaturen arbeiten. Das internationale Forschungsprojekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) ist ein Versuchsreaktor, der bei 100 Millionen Grad Celsius die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium zu Helium verschmelzen soll. Weltweit gibt es weitere Testreaktoren, in denen Forscher mit teils noch höheren Temperaturen experimentieren.

Da kein irdisches Material diesen Bedingungen standhält, muss das heiße Fusionsplasma in einer torusförmigen Anlage durch ein starkes Magnetfeld eingeschlossen werden. 2022 konnte die erforderliche Temperatur einige Sekunden, 2023 etwa 400 Sekunden und im Januar 2025 im chinesischen Fusionsreaktor EAST bereits 18 Minuten gehalten werden. Die Fusion muss etwa eine Stunde in Gang bleiben, um sich selbst zu erhalten. Erst dann ist eine kontinuierliche Stromerzeugung mit Kernfusion möglich.

Energieerzeugung der Sonne gegen die Energiekrise der Zukunft?

Es ist geplant, dass der internationale Forschungsreaktor ITER der Forschungsgruppen aus den USA, China, Indien, Japan, Südkorea und die Europäische Atomgemeinschaft (Euratom) in den 2030er-Jahren in Betrieb geht. Die mit ITER gewonnenen Erkenntnisse sollen sodann die Grundlage für den Bau des Fusionskraftwerks DEMO bilden, das nach 2050 mit einer Leistung von 500 MW in Betrieb gehen soll. Danach folgt der Bau von Fusionskraftwerken mit einer Leistung über 1,5 GW.

Schematischer Aufbau eines Fusionskraftwerkes mit den verschiedenen Stoffkreisläufen (D = Deuterium, T = Tritium, He = Helium, Li = Lithium). Foto: Karin Hirl | Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP)

Seit 2023 ist auch die Proxima Fusion GmbH München dabei, einen Fusionsreaktor zu entwickeln. Sie verfolgt dabei das Konzept des Stellarators, dessen extrem verstärktes Magnetfeld das Plasma und die Fusionsreaktion besser stabilisiert. In den 2030er-Jahren soll ein erster Fusionsreaktor mit einer Leistung von 1 GW gestartet werden. Die prognostizierte Stromerzeugung von etwa 10 TWh entspricht einem mittleren Kernkraftwerk.

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Die verschiedenen Schichten des Reaktorkonzepts von Proxima Fusion mit Plasma (hellbau), Wärmetauscher („Blanket“) und Magnetspulen (blaugrau). Foto: Proxima Fusion

Der Rohstoff Deuterium – eine besondere Form von Wasserstoff – ist in den Weltmeeren in unerschöpflichen Mengen vorhanden. Von Lithiummineralien zur Bildung von Tritium, einer weiteren Wasserstoffform, sind über 130 Millionen Tonnen als Reserven und Ressourcen bekannt.

Bei der Kernfusion entsteht weniger radioaktiver Abfall bei zugleich kürzeren Halbwertszeiten. Das heißt, die Zeitspanne, in der eine Strahlungsquelle 50 Prozent ihrer Strahlung verloren hat, ist deutlich kürzer als bei Kernspaltung. Auch ein „größter anzunehmender Unfall“ (GAU) durch Störungen oder Zwischenfälle ist ausgeschlossen, weil die Kernfusion sofort abbricht.

Zusammenfassung: Sonnige Zeiten voraus?!

Der steigende Energiebedarf der Weltbevölkerung kann mittel- bis langfristig nur durch stärkere Nutzung der Sonnenenergie gedeckt werden. Dabei sind Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit der notwendigen Rohstoffe eine wichtige Voraussetzung dafür, welche Technik wann und in welchem Umfang zum Einsatz kommt.

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Die Energieerzeugung auf der Sonne selbst zeigt einen Weg, in den nächsten Jahrzehnten eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle nutzbar zu machen. Auf diese Weise kann die Sonne der Menschheit für alle Zeiten ausreichend Energie liefern und ist damit die Grundlage für ausreichende Ernährung, genügend Wasservorräte, technischen Fortschritt und – friedliche – Weiterentwicklung.

Das nach menschlichem Maßstab unendliche Energiereservoir der Energie der Sonne und durch Kernfusion bietet somit die einzige Möglichkeit, eine weltweite Energiekrise und die damit verknüpften gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und geopolitischen Spannungen zu verhindern. Voraussetzung ist eine weitere erfolgreiche internationale Zusammenarbeit.