In den globalen Energierankings sticht ein Land heraus. China ist der hungrigste Energieverbraucher der Welt und hat im vergangenen Jahr das energetische Äquivalent von fast 3,3 Milliarden Tonnen Öl verbraucht. Seit 2011 hat das Land mehr Kohle verbrannt als alle anderen Länder zusammen. Und seine Abhängigkeit von diesem fossilen Brennstoff summiert sich: China emittiert rund ein Viertel der weltweiten Treibhausgase, der größte Anteil aller Länder.

Aber diese Zahlen sind nur ein Teil der Geschichte: China ist auch der weltweit größte Erzeuger von Windenergie, mit einer Kapazität, die mehr als doppelt so hoch ist wie die des zweitgrößten Erzeugers, der Vereinigten Staaten. Und China verfügt über ein Drittel der weltweiten Solarenergieerzeugungskapazitäten und hat im vergangenen Jahr mehr Anlagen gebaut als jedes andere Land.

Das rasante Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum über Jahrzehnte hinweg in Verbindung mit einer riesigen Fertigungsindustrie und einer Massenabwanderung in beleuchtete, zentral beheizte Städte haben China zu einer energiehungrigen Nation gemacht. Die chinesische Regierung hat diesen Hunger und den Schaden, den eine langfristige Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen anrichten würde, erkannt und Pläne zur Deckung des Energiebedarfs des Landes aufgestellt. Und Wissenschaft und Technologie – in Bereichen wie Batterietechnologie, Photovoltaik und Energiemanagement – stehen im Mittelpunkt dieser Pläne.

Eine Verringerung des Nettoenergiebedarfs ist nicht Teil der Politik, selbst wenn sich Chinas Energiemix ändert. Nach Angaben des Energieunternehmens BP entfielen im Jahr 2018 24 % des weltweiten Energieverbrauchs auf China. Das Unternehmen schätzt, dass China bis 2040 immer noch an der Spitze stehen und 22 % des weltweiten Verbrauchs ausmachen wird.

Das Land hat massiv in erneuerbare Energien investiert und 2015 0,9 % seines Bruttoinlandsprodukts (BIP) in den Sektor gesteckt – der dritthöchste Betrag weltweit nach Chile und Südafrika, die jeweils 1,4 % des BIP investierten. Dennoch stammen nur 23 % der in China verbrauchten Energie aus “sauberen” Quellen (einschließlich Erdgas), während 2019 fast 58 % aus Kohle stammten – der umweltschädlichsten aller Optionen, die weltweit noch immer in großem Umfang genutzt werden. (Ein Großteil der restlichen Energie Chinas stammt aus Öl und Kernkraft.)

Maßnahmen gegen die Umweltverschmutzung

Die Verbrennung von Kohle und anderen nicht erneuerbaren Energieträgern, um den Energiehunger des Landes zu stillen, ist zu einem sichtbaren Problem geworden, wobei große Städte wie Peking oft in dichten Smog gehüllt sind. Die Luftverschmutzung war 2013 in Teilen Chinas so schlimm, dass die Medien von einer “Luftpokalypse” sprachen. Die Bürger mussten Partikelwerte ertragen, die bis zu 30 Mal höher waren als die von der Weltgesundheitsorganisation als sicher eingestuften Werte. Und trotz der Bemühungen, das Problem zu bekämpfen, befinden sich 48 chinesische Städte immer noch unter den 100 am stärksten verschmutzten Städten der Welt.

Diese Verschmutzungswerte haben weitere Maßnahmen erforderlich gemacht. Im Dezember 2016 stellte die chinesische Regierung einen Entwicklungsplan für erneuerbare Energien als Ergänzung zu ihrem übergreifenden 13. Fünfjahresplan für die soziale und wirtschaftliche Entwicklung für den Zeitraum 2016-20 vor, der Anfang des Jahres veröffentlicht worden war. Darin verpflichtete sie sich, den Anteil erneuerbarer und nicht fossiler Energien am Energieverbrauch bis 2030 auf 20 % zu erhöhen. Dieses Versprechen, so versprach Premier Li Keqiang, würde den gemeinsamen Problemen der Luft- und Wasserverschmutzung, die sich aus der Abhängigkeit des Landes von der Kohle ergeben, einen schweren Schlag versetzen.

“Die Entwicklung billiger Solar- und Windenergie als Ersatz für fossile Energie ist zur zentralen Energiestrategie Chinas geworden, um die Luftverschmutzung zu reduzieren”, sagt Hong Li, ein Forscher, der am Schlüssellabor für erneuerbare Energien in Peking, das zum Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gehört, an Festkörper-Lithiumbatterien arbeitet. Hong Li, der an der Ausarbeitung landesweiter Pläne für neue Energietechnologien beteiligt ist, weist auch darauf hin, dass die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen – die je nach Sonnen- oder Windeinstrahlung schwankt – weniger konstant sein kann als die aus fossilen Kraftwerken.

“Es ist schwieriger, Sonnen- und Windenergie in das Stromnetz einzubinden”, sagt Hong Li, “als Strom aus Kohle. Erneuerbare Energien sind “weniger zuverlässig, und ohne fortschrittliche Kontrollsysteme kann das Netz instabil werden”.

Im Jahr 2017 wurden beispielsweise mehr als 30 % des in den sonnigen, windigen Provinzen Xinjiang und Gansu im Nordwesten Chinas erzeugten erneuerbaren Stroms nie genutzt. Das lag daran, dass er nicht dorthin geliefert werden konnte, wo er gebraucht wurde: in die dicht besiedelten Megastädte Ostchinas wie Shanghai und Peking, die Tausende von Kilometern entfernt sind (siehe “Weniger Energieverschwendung”).

Es ist ein Dilemma, das die chinesische Regierung dazu veranlasst hat, Milliarden von Dollar in Hochspannungsleitungen zu investieren, um den in sonnigen, windigen Regionen erzeugten Strom durch die Weiten Chinas zu übertragen. Dazu gehört eine 22,6 Milliarden Yuan (3,2 Milliarden US-Dollar) teure, 1.600 Kilometer lange Leitung von Qinghai im Westen Chinas, die im Mai fertig gestellt wurde. Sie verläuft durch Gansu bis zur Provinz Henan im Zentrum des Landes.

Eine weitere Möglichkeit, um sicherzustellen, dass erneuerbare Energien bei Bedarf zur Verfügung stehen, ist die Erhöhung der Speicherkapazität. Dies kann durch Technologien wie Batterien, Pumpspeicherkraftwerke und thermische Speicher erreicht werden, sagt Yuki Yu, Gründer des Beratungsunternehmens Energy Iceberg in Hongkong.

“Batterien können überschüssigen Strom speichern und ihn später wieder abgeben. Beamte und Wissenschaftler in China haben begonnen, die Bedeutung dieses Aspekts für die Stabilisierung unserer Stromnetze zu erkennen”, sagt Xianfeng Li, der die Abteilung für Energiespeicherung am Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) leitet.

Im Jahr 2017 veröffentlichte China sein erstes nationales Strategiepapier zur Energiespeicherung, in dem die Notwendigkeit betont wurde, billigere und sicherere Batterien zu entwickeln, die mehr Energie speichern können, um die Fähigkeit des Landes, die von ihm erzeugte Energie zu speichern, weiter zu verbessern (siehe “Chinas Batterieboost”). Zu den Technologien gehören Lithium-Ionen-Batterien – der Typ, der in Elektrofahrzeugen verwendet wird – und große stationäre Batteriesysteme, die mit Wind- und Solarenergie integriert werden.

Die politischen Entscheidungsträger haben in ihren Plänen deutlich gemacht, dass die Wissenschaftler und Ingenieure des Landes effektivere Energiespeichertechnologien entwickeln müssen, um diese Ziele zu erreichen (siehe “Wachstum der grünen Forschung”).

Energiespeicher in Aktion

Die Stadt Dalian in der Provinz Liaoning im Nordosten Chinas hat rund sieben Millionen Einwohner und ist ein Testgebiet für Xianfeng Lis Arbeit. Im Winter können die Temperaturen dort auf bis zu -20 °C fallen, wodurch das Stromnetz der Stadt unter Druck gerät, wenn die Bewohner ihre Heizung aufdrehen.

Um diesen Bedarf zu decken, plant Rongke Power, ein aus dem DICP ausgegliedertes Unternehmen, in diesem Jahr die Eröffnung einer 400-Megawattstunden (MWh)-Energiespeicherungsanlage in Dalian. Es handelt sich um die erste Phase eines Projekts, das bis 2023 eine 800-MWh-Anlage vorsieht. Zum Einsatz kommen Vanadium-Durchflussbatterien – riesige wiederaufladbare Geräte, die flüssige Elektrolyte in riesigen Tanks speichern. Die endgültige Kapazität soll etwa 0,5 % des gesamten Strombedarfs von Liaoning decken, wo Dalian die zweitgrößte Stadt ist.

Xianfeng Li sagt, dass das Projekt in der Lage sein wird, einen Beitrag zur unterbrechungsfreien Stromversorgung der Stadt zu leisten und gleichzeitig die Energiezufuhr zum Netz für die gesamte Provinz zu speichern und zu regulieren, die 16,2 % ihres Stroms aus erneuerbaren Energiequellen bezieht. Der Anteil der erneuerbaren Energien an der Energieversorgung ist in den einzelnen Provinzen sehr unterschiedlich: In der südchinesischen Provinz Jiangsu beträgt er beispielsweise 2,7 %, in der sonnigen, dünn besiedelten Inneren Mongolei dagegen 30,1 %. Von den Nachbarprovinzen Liaonings bezieht Jilin 8 % seines Stroms aus nichtfossilen Brennstoffen und Hebei 9,1 %.

Vanadium-Flow-Batterien, wie sie Xianfeng Li in Dalian testet, haben einige Vorteile gegenüber Standard-Lithium-Ionen-Batterien für groß angelegte Anwendungen wie die Netzstromversorgung: Da der Vanadium-Elektrolyt in einem Tank gelagert wird, kann er viel kostengünstiger vergrößert werden als bei einzelnen Lithium-Ionen-Batterien. Vanadium-Batterien sind auch weniger feuergefährlich und haben eine etwa zehnmal längere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Batterien.

Xianfeng Li sagt, dass in den letzten Jahren die Finanzierung seiner Arbeit an Vanadium-Flow-Batterien stark zugenommen hat, ebenso wie das Interesse von Unternehmen an einer Zusammenarbeit mit seinem Team. Er sagt, dass das DICP derzeit mit etwa 30 Unternehmen zusammenarbeitet, die aus dem Institut ausgegliedert wurden.

“Die Unternehmen sind jetzt an der Entwicklung dieser Technologie interessiert, weil sie wissen, dass die Regierung sich darauf konzentriert, und sich daher trauen, zu investieren”, sagt er.

Yu sagt, dass die lokalen Regierungen jetzt sehr daran interessiert sind, Unternehmen beim Bau von Batteriespeichern zu unterstützen. “In einer Zeit, in der die politischen Entscheidungsträger nach neuen Wegen suchen, um das Wachstum in ihren Regionen anzukurbeln, sieht die batterieproduzierende Industrie sehr vielversprechend aus, so dass die Regierungen motiviert sind, diese Art von Investitionen zu fördern.”

Die Veränderung vorantreiben

Der Fünfjahresplan für 2016-20 betonte auch die Notwendigkeit für die Forscher, die Batterietechnologie weiter zu entwickeln, damit Elektroautos mit einer Ladung weiter fahren können. Das meistverkaufte Elektrofahrzeug in China, das Tesla Model 3, hat eine Reichweite von rund 400 Kilometern (die meisten modernen Elektrofahrzeuge haben eine Reichweite von 160-600 km).

“Die Entwicklung von Elektrofahrzeugen ist eine weitere wichtige Strategie zur Verringerung der Umweltverschmutzung, insbesondere wenn der Strom aus sauberer Energie stammt. Deshalb müssen wir die Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge entwickeln”, sagt Hong Li, der 2012 einen Anstieg der Forschungsmittel für Energiespeicherung, Elektrofahrzeuge und andere Technologien in China festgestellt hat. Er weist jedoch darauf hin, dass das Land im Vergleich zu den führenden Labors in den Vereinigten Staaten und Europa, die sich durch ein besseres Verständnis der chemischen Grundlagen und der Materialwissenschaften auszeichnen, in der Grundlagenforschung der Energiespeicherung noch Nachholbedarf hat. Trotzdem sei China aktiver bei der Anwendung dieses Wissens, um Innovationen in fortschrittlichen Batteriesystemen zu schaffen. Und die Größe des chinesischen Forschungsumfelds, von den Universitäten bis zu den Industrieteams, hat den Wissenschaftlern in China geholfen, ein umfassendes Verständnis für die Entwicklung von Materialien und Geräten für die reale Welt zu erlangen.

Zukunftsplanung

China hat einige der günstigsten Strompreise in der entwickelten Welt (siehe “Strompreise fallen”). Die Kosten werden von den lokalen Regierungen festgelegt und vom Energiebüro der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission, die die makroökonomische Politik überwacht, genehmigt. Die Preise werden niedrig gehalten, um das Wirtschaftswachstum zu fördern.

Aber trotz dieser Bemühungen hat das Land damit begonnen, einige Subventionen für saubere Brennstoffe auslaufen zu lassen: So wird es beispielsweise die Subventionen für Onshore-Windkraftanlagen nach diesem Jahr einstellen. Die chinesische Führung hofft, dass erneuerbare Energiequellen in naher Zukunft wirtschaftlich wettbewerbsfähig mit fossilen Brennstoffen werden. Die Antwort liegt in der Entwicklung einer stärkeren Infrastruktur für die Energiespeicherung.

Hong Li ist Berater in Chinas nationalem Planungsausschuss für die Entwicklung der Energiespeicherung. Gemeinsam mit Ingenieuren und politischen Entscheidungsträgern arbeitet das Komitee an einem Fünfjahresplan für Forschung und Entwicklung, der im nächsten Jahr anlaufen wird. Unter anderem sollen Wissenschaftler dazu angehalten werden, Energiespeichertechnologien für das Stromnetz zu entwickeln, die an sich sicherer, billiger und langlebiger sind.

Der Solarenergieforscher Xianglei Liu von der School of Energy and Power Engineering an der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics sagt, dass für Wissenschaftler seines Fachgebiets Mittel zur Verfügung stehen, um Chinas saubere Energieerzeugung zu verbessern. “Das ehrgeizige Ziel der Regierung, mehr saubere Energie zu nutzen, bedeutet, dass es viele Fördermittel gibt”, sagt Liu.

Letztes Jahr erhielt Liu beispielsweise einen Zuschuss in Höhe von 1,3 Millionen Yuan von der National Natural Science Foundation of China, der wichtigsten Förderagentur des Landes, um die Wärmespeicherkapazität von Materialien zu verbessern, die in solarthermischen Kraftwerken verwendet werden, die Strom aus der Wärme der Sonne und nicht wie Photovoltaikmodule aus ihrem Licht erzeugen. An dem auf fünf Jahre angelegten Projekt sind rund 40 Wissenschaftler aus sechs akademischen Instituten in ganz China beteiligt. Liu arbeitet seit kurzem auch mit dem Unternehmen Nanjing Jinhe Energy Materials zusammen, um ein Material zu entwickeln, das eine große Energiespeicherdichte und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Yi Jin, Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Nanjing Jinhe Energy Materials, sagt, da die Regierung plane, die Subventionen für Unternehmen im Bereich der erneuerbaren Energien zu kürzen, seien die Unternehmen, die grüne Kraftwerke betreiben, sehr daran interessiert, Technologien zu kaufen oder in sie zu investieren, die ihre Leistung steigern und die Produktionskosten senken.

“Unsere Technologie verbessert die Stabilität der erneuerbaren Energien und senkt so die Kosten für Kraftwerke, indem sie sie effizienter macht”, sagt Jin.

Insgesamt ist Hong Li optimistisch, dass staatliche Investitionen und wissenschaftlicher Fortschritt sich durchsetzen werden. “Solange wir die richtigen politischen Maßnahmen und Technologien zu ihrer Unterstützung entwickeln”, sagt er, “können wir unsere Abhängigkeit von der Kohle allmählich verringern.”