Die Speicherung von Sonnenenergie  
Sonnenenergie steht im Überfluss zur Verfügung. Pro Jahr liefert die Sonne im Mittel das 15.000 fache des derzeitigen Weltenergiebedarfs. Da Sonnenergie nur tagsüber verfügbar ist und Schwankungen der Sonneneinstrahlung durch das Wetter, die Jahreszeiten und die Unterschiede in der geographischen Lage entstehen, muss Sonnenergie gespeichert werden. Die Speicherung ist der entscheidende technische Schritt, um die Energieversorgung auf der Basis von 100% erneuerbaren Energien verwirklichen zu können. Die Notwendigkeit von Kurzzeitspeicherung besteht, um beispielsweise Spitzenlasten abdecken zu können, den Nachtbedarf oder im mobilen Bereich für den Transport. Realisiert werden kann dies  durch Wärmespeicher bei solarthermischer Nutzung sowie im Falle von solar produzierter elektrischer Energie durch Batterien, Pumpspeicherwerke und chemische Speicher. Für die Langzeitspeicherung, beispielsweise zum Ausgleich von jahreszeitlich bedingten Schwankungen oder unterschiedlichen klimatischen Bedingungen von Weltregionen, sind jedoch solare Treibstoffe notwendig.

Was sind solare Treibstoffe?
Treibstoffe haben die Fähigkeit, Energie in Form von chemischen Verbindungen zu speichern. Ein uns im Alltag bekanntes Beispiel ist Benzin.  Benzin ist ein fossiler Treibstoff, da  das Rohöl durch die Photosynthese der Pflanzen über Jahrmillionen gebildet wurde. Solare Treibstoffe unterscheiden sich von fossilen Treibstoffen dadurch, dass sie durch erneuerbare Energien erzeugt werden. Sie dürfen demnach im Mittel auch nicht schneller verbraucht werden, als sie durch erneuerbare Quellen produziert werden können. Beispiele für solare Treibstoffe sind:

· Batterien, die elektrische Energie speichern. Quellen: Wind, Sonne, Wasser.

· Wasserstoff, der aus Sonnenergie durch Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen wird.

· Kohlenwasserstoffe, wie Methan oder Ethanol, die aus der Verbindung von Wasserstoff mit Kohlenstoff hergestellt werden können (siehe weiter unten).

Die Nutzung von solaren Treibstoffen kann entweder durch Verbrennung oder durch Umwandlung in elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelle erfolgen. Solare Treibstoffe müssen das Prinzip der geschlossenen Stoffkreisläufe einhalten. Wasserstoff beispielsweise wird aus der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Sonnenergie gewonnen. Bei der Umwandlung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zur Produktion von elektrischer Energie wird Wasser produziert. Der Sauerstoff wird in die Atmosphäre freigesetzt und von dort wieder genutzt. Ein solarer Treibstoff muss eine genügend hohe Energie pro Volumen und pro Masse speichern. Beispielsweise besitzt Wasserstoff zwar die größte Energiedichte pro Masse, jedoch ist die Energiedichte pro Volumen recht klein, so dass Tanks mit gasförmigem Wasserstoff recht große Abmessungen haben. Ein Ausweg besteht in der Hochdruckspeicherung von Wasserstoff. Dies kostet jedoch je nach Druck zwischen 10% und 20%  der nutzbaren Energie, stellt jedoch trotzdem eine Alternative mit positiver Energiebilanz dar.

Solare Wasserstofferzeugung ist heute großtechnisch möglich
Wasserstoff kann beispielsweise mittels Elektrolyse von Wasser produziert werden. Dabei wird elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen, wie Wind, Photovoltaik, Wellenkraft oder Solarthermie  in speicherbare chemische Energie des Wasserstoffs umgewandelt. Alkali-Elektrolyseure zur Wasserspaltung mittels Strom sind seit Jahrzehnten großtechnisch im Einsatz und besitzen einen Wirkungsgrad von zwischen 65 und 75%, im Labormaßstab werden sogar 93% erreicht. Abhängig vom Wirkungsgrad des erneuerbar produzierten Stroms (14%-19% für kommerzielle Photovoltaik, 25-45% für Windstrom) ergibt sich nach der Elektrolyse  ein durchschnittlicher Gesamtwirkungsgrad für die Wasserstoffproduktion von 10% bis 30%. Andere Möglichkeiten für die Wasserstofferzeugung mittels Sonnenlicht bestehen in südlichen Regionen mit genügend direkter Sonneneinstrahlung: Dort kann in solarthermischen Kraftwerken mittels hohen Temperaturen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden (thermische und thermochemische Verfahren). Derzeit arbeiten viele Forscher weltweit an der Entwicklung von neuen hocheffizienten Verfahren. Es zeichnen sich völlig neue Möglichkeiten durch die Nachahmung der natürlichen Prozesse der Photosynthese durch künstliche Photokatalysatoren ab: Materialien die direkt mittels Sonnenlicht Wasser spalten und Wasserstoff und Sauerstoff produzieren.

Wasserstoffspeicherung mit Kohlenstoff: Die Vision einer solare Kohlenstoffchemie
Die Verknüpfung von solarem Wasserstoff mit den Möglichkeiten der Kohlenstoffchemie würden völlig neue Möglichkeiten einer solaren Treibstoff- und Materialproduktion eröffnen,  die im Einklang mit dem globalen Kohlenstoffkreislauf der Natur steht. Wasserstoff mit Kohlenstoff verknüpft ergibt Kohlenwasserstoffverbindungen, wie Zucker, Polymere, Stärke etc. Es könnten jedoch damit auch Treibstoffe, wie Ethanol, Methanol oder Methan produziert werden. Es ergeben sich große Vorteile im Vergleich zur direkten Speicherung von Wasserstoff, denn die Speicherdichte von Ethanol oder Methan pro Volumen ist größer und diese können in der bereits vorhandenen Infrastruktur fossiler Treibstoffe (Erdgas, Benzin) eingesetzt werden. Probleme, wie die Wasserstoffversprödung von Edelstahltanks bei der direkten Wasserstoffspeicherung werden vermieden. Kohlenwasserstoffe finden sich überall in der Natur. Sie sind die Grundbausteine des Lebens. Eine solare Kohlenstoffchemie, die sich auf naturnahe und biologisch verträgliche Stoffe begrenzt, könnte eine positive Strategie für die Speicherung von Sonnenergie über das Zwischenprodukt Wasserstoff in Kohlenwasserstoffen darstellen (siehe Abb. 2). Die  solare Treibstoffproduktion kann mit einer solaren Materialproduktion verbunden werden. Eine solare Kohlenwasserstoffproduktion muss den globalen Kohlenstoffkreislauf beachten und das Prinzip Kreislaufwirtschaft umsetzen. Da bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, wie Methan oder Ethanol in Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen Kohlendioxid  freigesetzt wird, muss  in gleichem Maße wieder CO2 aus der Atmosphäre gebunden werden.

Kohlenstoffkreislauf und Kreislaufwirtschaft  
Der gesamte Kreislauf des Kohlenstoffs in der Natur ist zu beachten. Dieser regelt, wie viel Kohlenstoff im Boden vergraben ist (bezogen auf geologische Zeiträume) und wie viel in der Biosphäre eingebunden und in der Luft (in Form von CO2)  freigesetzt ist (siehe Abb. 1). Über viele hundert Millionen Jahre wurde durch die Photosynthese von Pflanzen allmählich CO2 aus der Atmosphäre gebunden und in fossile Kohlenstoffvorkommen (Erdöl, Erdgas und Kohle, aber auch Ölschiefern und Karbonatgesteine) verwandelt. Dabei wurde erst die Zusammensetzung der Atmosphäre mit ca. 21 % Sauerstoff und sehr geringen CO2 Anteilen von weniger als 280 Teilchen pro Million (ppm) in vorindustriellen Zeiten ermöglicht. Derzeit wird dieser natürliche Kreislauf durch Verbrennung von gigantischen Mengen an fossilen Treibstoffen und die Freisetzung von CO2 in die Atmosphäre und in die Weltmeere innerhalb von kurzer Zeit massiv gestört. Eine solare Treibstoff- und Materialproduktion basierend auf Wasserstoff und Kohlenstoff muss also dazu beitragen, dass sogar mehr CO2 der Luft und den Meeren entzogen als freigesetzt wird, damit eine Zurückführung der CO2 Konzentrationen von jetzt über 390 ppm auf deutlich unter 350 ppm Anteilen in der Luft erreicht werden kann. Dies ist notwendig, um eine katastrophale Klimaänderung zu verhindern.

CO2-Nutzung statt einer gefährlichen Lagerung im Untergrund
Das CO2 der Luft muss im großen Stil gebunden werden, um es dann mittels solaren Wasserstoffs zu nützlichen Materialien oder Treibstoffen umzuwandeln. An der Entwicklung von künstlichen Techniken für die Bindung von verdünntem CO2 aus der Luft wird derzeit gearbeitet. Chemische Verfahren funktionieren bereits, jedoch ist auf Grund des großen Verdünnungsgrades des CO2 die Effizienz noch nicht sehr hoch. Hier muss weiter geforscht werden und es zeichnet sich ab, dass beispielsweise die großen Mengen CO2, welche im Meerwasser gelöst sind, mittels Sonnenenergie direkt in Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden können. Die Forschung dafür muss jedoch massiv ausgebaut werden. Abgelehnt werden muss die  von der Großindustrie betriebene Entwicklungen zur Speicherung von CO2 im Untergrund. Dieses Verfahren ist gefährlich, weil das gasförmige CO2 jederzeit wieder aus dem Untergrund entweichen kann. Zusätzlich bildet sich bei Lösung in Wasser Kohlensäure, die mit verschiedenen Gesteinen reagiert und katastrophale Entwicklungen wie Explosionen  im Untergrund auslösen kann. Richtig dagegen wäre eine Bindung von hochkonzentriertem CO2 aus den Schornsteinen von Kraftwerken und deren Umwandlung zu nützlichen Kohlenwasserstoffen als Übergangslösung in ein vollständig solares Zeitalter auf der Basis 100% erneuerbare Energien.
Kohlechemie und die mögliche Zukunft des Kohlebergbaus
Kohle kann ein wertvoller Rohstoff sein und ist viel zu schade um verbrannt und zu CO2 umgewandelt zu werden. Die flexible Fähigkeit des Kohlenstoffs mannigfaltige chemische Verbindungen einzugehen ist die Grundlage für seine Rolle in lebenden Organismen. Es gibt mehrere kurzfristige Möglichkeiten und auch eine langfristige Perspektive für neue Wege der Nutzung der Kohle. Damit würde sich auch eine neue Rolle der Bergwerke und für die Bergleute eröffnen. Kurzfristig liegen viele Möglichkeiten in der Kohlechemie  zur Produktion von verschiedenen Polymeren für Kunststoffe, Farben, Lösungsmittel usw. Wenn man solaren Wasserstoff und Steinkohle verwendet, dann müsste man kein Rohöl importieren, sondern kann moderne Werkstoffe aus regionalen Rohstoffen, die reichlich vorhanden sind, produzieren.
In den letzten Jahren wurden darüber hinaus moderne Leichtbauwerkstoffe aus Kohlefasern entwickelt. Sie sind noch teuer, werden aber schon zunehmend im Flugzeugbau eingesetzt. Sie sind vielseitig verwendbar für Leichtbaufahrzeuge und können zur Energieeinsparung im Transportwesen beitragen. Für diese Werkstoffe  müssen jedoch noch geeignete Recyclingverfahren entwickelt werden. Das Tiefkälte (Kryo-Recycling)-Verfahren bietet sich als eine Möglichkeit an. Stillgelegte Kohlebergwerke (wie auch andere stillgelegte Bergwerke) können darüber hinaus auch als unterirdische Pumpspeicherkraftwerke genutzt werden. Hier kann erneuerbarer Strom zwischengespeichert und bei Bedarf wieder abgerufen werden.

Eine zukünftige Weiterentwicklung des Kohlebergbaus könnte wie folgt aussehen: Die Bergleute holen nicht nur Kohle aus der Erde, sondern bringen auch im Gegenzug bei Bedarf zur Regelung des globalen Kohlenstoffkreislaufes wieder Kohlenstoffverbindungen unter die Erde. So entsteht die Möglichkeit, Schäden durch die Freisetzung von CO2 teilweise wieder rückgängig zu machen.

Christian Jooß