Erneuerbare Energien

Rapsfeld mit Windrad

Energie

Erneuerbare Energien

Von Inge Bachl, Ute Goerke und Alfried Schmitz

Fossile Brennstoffe wie Kohle oder Erdöl gehen langsam aber sicher zur Neige. Nach Berechnungen vieler Experten lässt sich zum Beispiel die derzeitige Erdöl-Förderrate nicht mehr steigern. Gleichzeitig wird der Klimawandel immer deutlicher. Auch deshalb wollen Deutschland und viele andere Länder den Anteil der erneuerbaren Energien in den nächsten Jahrzehnten stark steigern.

Saubere Energiequellen

Meldungen über schmelzende Gletscher, Wetterkapriolen und austrocknende Flüsse sind an der Tagesordnung. Der Mensch ist gezwungen, nicht nur Energie zu sparen, sondern sie auch möglichst umwelt- und klimafreundlich zu erzeugen. Deshalb werden Entwicklung und Ausbau erneuerbarer Energien vorangetrieben.

Auch kommt bei Atom- und Kohlekraftwerken nur etwa ein Drittel der Energie, die in die Kraftwerke hineingesteckt wird, beim Endverbraucher an – das heißt, sie haben nur einen geringen Wirkungsgrad.

Anders als fossile Brennstoffe sind Sonnen- und Wasserkraft, Erdwärme, Windenergie oder Biomasse nicht nur klimafreundlich, sondern auch nahezu unbegrenzt vorhanden. Diese klimafreundlichen Energieformen werden als erneuerbare Energien, regenerative Energien oder auch als Ökostrom bezeichnet.

Allerdings weht der Wind nicht überall gleich stark und die Sonne scheint nicht immer. Auch die Erdwärme ist je nach geologischen Gegebenheiten in manchen Gegenden besser anzapfbar als in anderen. Um die Chancen für die Zukunft zu ergreifen, ist es sinnvoll, alle Energiequellen je nach geografischer Lage zu nutzen.

Die Möglichkeiten richten sich nach den regionalen Gegebenheiten, aber auch danach, wofür die Energie eingesetzt werden soll. Für das Heizen eines Gebäudes sind neben der Sonne vor allem Holz und Erdwärme sinnvoll. Mit Strom zu heizen, auch wenn es sich um Solarstrom handelt, ist pure Verschwendung und zu teuer.

Zwei Hände voll Holzpellets

Die Nachfrage nach Holz steigt

Der aktuelle Stand

Um die Treibhausgasemissionen langfristig zu reduzieren, haben sich die EU und die Bundesregierung konkrete Ziele für die Zukunft vorgenommen. So sollen die erneuerbaren Energien bis 2020 in Deutschland einen Anteil von 18 Prozent des Bruttoendenergieverbrauchs aufweisen, in der gesamten EU 20 Prozent. Der Bruttoendenergieverbrauch ist die gesamte Energiemenge, die in Deutschland verwendet wird: als Kohle, Gas, Erdöl, oder erneuerbaren Energien etwa und die für alle Prozesse und Dienstleistungen in Industrie, Haushalten, Verkehr und Landwirtschaft aufgebracht werden muss.

Der Anteil der erneuerbaren Energien lag 2018 in Deutschland laut Bundesumweltamt bei knapp 17 Prozent. 2030 soll der Anteil der erneuerbaren Energien in Deutschland bei 27 Prozent und EU-weit bei 32 Prozent liegen.

Beim Bruttostromverbrauch wird nur der Strom betrachtet und die notwendige Energie für Wärme und Verkehr außen vor gelassen. Dafür werden zur gesamten inländischen Stromgewinnung die Stromflüsse aus dem Ausland addiert und die Stromflüsse ins Ausland subtrahiert. Hier lag der Anteil der erneuerbaren Energien 2018 bei fast 38 Prozent.

Das ist genauso viel Strom, wie aus Stein- und Braunkohle zusammen erzeugt wurde. Das Ziel der Bundesregierung ist, bis 2050 weitgehend treibhausgasneutral zu sein. So soll – als ein Etappenziel – bis 2030 unser Stromverbrauch zu 50 Prozent aus erneuerbaren Energien gedeckt werden.

Windrad hinter Sonnenkollektoren

Energie aus Wind und Sonne

Bislang wird der Großteil der erneuerbaren Energien als Strom genutzt – nur 18 Prozent  verwenden wir zum Heizen und knapp sechs Prozent als Biotreibstoffe für die Mobilität. Beim Endenergieverbrauch Wärme 2018 lag der Anteil der regenerativen Energien 2018 bei 14 Prozent.

Immer wieder wird diskutiert, ob Elektroautos tatsächlich weniger klimaschädlich sind als Autos mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren. In der Bilanz verursachen selbst Elektroautos, die mit dem durchschnittlichen Strommix in Deutschland fahren – also mit Strom, der zu rund 35 Prozent aus erneuerbaren und ansonsten aus anderen Energiequellen stammt –  weniger Treibhausgase als Autos mit Verbrennungsmotor. Fahren die Elektroautos mit Ökostrom, sind sie in der Ökobilanz sogar klimaneutral.

Unter Einbeziehung der gesamten Lebenskette von der Produktion bis zur Entsorgung stößt ein Elektroauto 16 bis 27 Prozent weniger Treibhausgase aus als ein Verbrenner (Stand 2017). Dieser Wert soll bis 2025 auf 32 bis 40 Prozent ansteigen.

Um eine weniger klimaschädliche Wirtschaft und weniger klimaschädliches Verbraucherverhalten zu fördern, wird darüber diskutiert, für jede ausgestoßene Tonne Kohlenstoffdioxid (CO2) einen bestimmten Betrag zu zahlen. So würde ein hoher Stromverbrauch mit einer hohen CO2-Abgabe einhergehen. Alle – private Haushalte wie Unternehmen – sollen einen Grundbetrag erstattet bekommen. So würden verbrauchsarme Haushalte und Firmen finanziell entlastet werden, weil sie nicht mehr oder sogar weniger als CO2- Abgabe zahlen als die Höhe der Erstattung.

Energiequelle Sonne

Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Sie liefert der Erde und ihren Bewohnern seit Millionen von Jahren lebensnotwendiges Licht. Mit diesem lässt sich vergleichsweise einfach Wasser erwärmen.

Solarthermieanlagen und Photovoltaikanlagen gehören daher in Deutschland inzwischen zur Standardausstattung neuer Häuser. In Solarthermieanlagen wird mit Hilfe Solarkollektoren Wärme für das Heizen und die Erwärmung von Trinkwasser gewonnen.  Seit 2009 müssen Neubauten mindestens einen Teil des Wärme- und Kältebedarfs durch erneuerbare Energien decken.

Für die Produktion von Strom stehen zwei Varianten zur Verfügung: Solarzellen und solarthermische Kraftwerke.

In Photovoltaikanlagen wandeln Solarzellen Sonnenlicht direkt in Strom um und tragen auf zahlreichen Dächern und in Freiflächenanlagen in Deutschland zur Stromversorgung bei.

In großen solarthermischen Kraftwerken dagegen bündeln Spiegel oder Kollektoren die Sonnenenergie, die dann in Wärme umgewandelt wird und Dampfturbinen antreibt. Der gewonnene Strom kann als Gleichstrom über große Entfernungen transportiert werden. Diese Variante ist in sonnenreichen Ländern wirtschaftlicher.

Derartige Solarkraftwerke gibt es bereits in Andalusien und Kalifornien. Auch in Jülich bei Aachen ist ein Solarturmkraftwerk zu Forschungszwecken in Betrieb.

Der Staat unterstützt finanziell die Nutzung der Ökostromerzeugung durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und die Nutzung der erneuerbaren Energien für die Wärme- und Kälteproduktion mit Hilfe des Marktanreizprogrammes.

Ein solarthermisches Kraftwerk in der Mojave-Wüste in Kalifornien

Solarthermisches Kraftwerk in der Mojave-Wüste in Kalifornien

Energiequelle Wind

Schon im Mittelalter nutzten die Menschen mit ihren Windmühlen den Wind, um Korn zu mahlen. Heute sind die Windmühlen technisch ausgefeilter und greifen den Wind in viel größeren Höhen ab. Ein Nachteil ist aber geblieben: Der Wind ist keine konstante Größe. Mal weht er, mal ist Flaute im Getriebe.

Allerdings können Meteorologen heute genaue Windvorhersagen machen, auf die sich Stromnetzbetreiber und Stromhändler dann einstellen können. Windflauten bei uns können so durch Wind- und Wasserstrom aus anderen Regionen sowie mit Hilfe von Stromspeichern ausgeglichen werden.

Obwohl Deutschland nicht zu den windreichsten Ländern der Welt gehört, ist es mittlerweile Windenergie-Weltmeister. Im Jahr 2018 produzierten die deutschen Windräder mit einer Leistung von mehr als 110 Terrawattstunden fast 20 Prozent des deutschen Strombedarfs. Damit sind die Windräder in Deutschland der größte Produzent von Strom aus erneuerbaren Energien.

An Land werden ältere Windenergie-Anlagen durch neue, leistungsstärkere Maschinen von zwei bis fünf Megawatt ersetzt. Dieses sogenannte „Repowering“ nutzt die schon vorhandenen Standorte besser aus. Der Ausbau von Offshore-Windparks an der deutschen Nord- und Ostseeküste wird fortgesetzt. 2018 hatte der Offshore-Windstrom einen Anteil von gut 17 Prozent am gesamten Windstrom.

Große Windräder auf einem Feld

Deutschland ist Windenergie-Weltmeister

Energiequelle Erdwärme

Unter unseren Füßen brodelt es: Bis zu 5000 Grad Celsius heiß ist der flüssige Kern unseres Planeten, der die zehn bis 70 Kilometer dicke Erdkruste erwärmt. So sind in zehn bis 20 Metern Tiefe jahreszeitliche Schwankungen nicht mehr spürbar.

Diese Wärme lässt sich als Energiequelle nutzen. Bei der so genannten tiefen Geothermie wird aus einer Tiefe von bis zu fünf Kilometern Wasser hochgeholt, das bis zu 200 Grad Celsius heiß sein kann. Dann wird es zu einem Wärmekraftwerk gepumpt. Ist das Wasser sehr heiß, kann damit Strom erzeugt werden.

Bei der oberflächennahen Geothermie muss oft nur wenige Meter tief gebohrt werden, um Erdwärmesonden zu vergraben. Wärmepumpen können durch den Erdboden aufgewärmtes Wasser hoch pumpen und so Gebäude beheizen oder Trinkwasser erwärmen. Außerdem ist es möglich, mit Erdwärme im Winter die Straßen eisfrei zu halten.

Die Nutzung der Erdwärme ist zwar von den geologischen Voraussetzungen abhängig. Aber die Geothermie-Branche schätzt das Potenzial für die Strom- und Wärmeerzeugung als enorm hoch ein. Die Zahl der mit Erdwärme versorgten Gebäude in Deutschland nimmt jährlich stark zu. 2018 waren rund 400.000 Anlagen zur Nutzung der oberflächennahen Erdwärme in Betrieb.

Allerdings sind gewisse Risiken mit tiefen und auch oberflächennahen Erdwärmebohrungen verbunden. In seltenen Fällen wurden Erdbeben oder Hebungen des Bodens beobachtet, wie 2007 in der Breisgau-Gemeinde Staufen. In Staufen wurde eine Gesteinsschicht durchbohrt, die sich unter Wasserzufuhr ausdehnte. Wie ein Brotteig in der Schüssel quoll diese Schicht auf, der Untergrund hob sich und wurde uneben. An vielen Gebäuden in der historischen Innenstadt zeigen sich inzwischen tiefe Risse.

Daher ist bei Erdwärmebohrungen eine genaue Vorplanung notwendig.

Schematische Darstellung der Geothermie

Mit Erdwärmekollektoren kann man bereits in zwei Metern Tiefe Energie gewinnen

Energiequelle Biomasse

Es klingt vielversprechend: Energie gewinnen aus Rohstoffen, die immer wieder nachwachsen. Und hinter allem steht die Sonne. Letztlich ist es ihre Energie aus einem biochemischen Prozess in den grünen Blattzellen (Photosynthese), die in den Pflanzen gespeichert wird.

Diese gespeicherte Energie lässt sich freisetzen, wenn die Pflanzen – zum Beispiel Mais, Raps, Weizen, Gras oder Holz – verbrannt werden. Bekannt sind auch flüssige Brennstoffe wie der aus Zuckerrohr gewonnene Alkohol und der aus Raps- oder Sonnenblumenöl gewonnene Biodiesel (Agrodiesel).

Biomasse kann ebenso in energiereiches Gas verwandelt werden, wenn Mikroben organische Abfälle vergären. Diese Biomasse hat außerdem den Vorteil, dass sie speicherbar ist. Strom aus Biomasse deckte in Deutschland 2018 knapp neun Prozent des gesamten Bruttostromverbrauchs.

Nach anfänglicher Begeisterung über die energetische Nutzung von Biomasse ist eine Ernüchterung eingetreten. Biogene Kraftstoffe und auch die energetische Nutzung von Biomasse sind in den vergangenen Jahren in Verruf geraten. Wird nämlich für den Rohstoffanbau für Palm- oder Sojaöl Regenwald abgeholzt, ist die Bilanz der Treibhausgas-Emissionen gar nicht mehr so günstig.

Diskutiert wurde auch über den sogenannten Teller-Tank-Konflikt. Dabei geht es um die Frage, ob auf einer Fläche Nahrungsmittel oder Kraftstoffe angebaut werden – also letztlich um die ethische Frage, für welchen Zweck die landwirtschaftliche Fläche genutzt werden darf: für die Fortbewegung oder um den Hunger von Menschen zu stillen.

Ein Mann tankt E10.

Neben Mais findet man oft auch Raps oder Zuckerrohr im Tank

Inzwischen wird eine Mehrfachnutzung der Rohstoffe über mehrere Stufen empfohlen, eine so genannte Kaskadennutzung. Nach einer möglichst mehrfachen Materialnutzung – zum Beispiel wird Holz erst als Regal und dann später als Spanplatte verwendet – sollte erst zum Schluss die energetische Nutzung stehen, also die Verbrennung.

Der Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) empfahl schon 2007, Energiepflanzen effektiver zu verwenden, das heißt zur kombinierten Strom- und Wärmegewinnung in Anlagen zur Kraftwärmekopplung. Damit erziele man einen etwa drei- bis fünffach höheren Klimaschutzeffekt als bei der Verwendung der Bio-Kraftstoffen ausschließlich für den Fahrzeugantrieb.

Eine Ausnahme bildet Biogas als Kraftstoff. Bei der Nutzung in Fahrzeugen werden genauso wenig Treibhausgase emittiert wie bei der gleichzeitigen Strom- und Wärmeumwandlung in Kraftwerken beziehungsweise Kraftwärmekopplungsanlagen. Allerdings sollte das Gas nicht aus frischen Rohstoffen gewonnen werden, sondern aus Gülle, Gras-Silage und Reststoffen.

Die landwirtschaftlichen Flächen sind begrenzt und schwinden weiter, weil sich die Bodenqualität verschlechtert bis hin zur endgültigen Zerstörung. Die Konkurrenz um die weniger werdenden landwirtschaftlichen Flächen wächst.

Neben der energetischen Verwertung von Biomasse hat auch die chemische Industrie Interesse an biogenen Rohstoffen für biobasierte Kunststoffe und andere Chemikalien. Auch die steigende Nachfrage nach tierischen Produkten für unsere Ernährung verursacht einen hohen Futtermitteleinsatz, wofür große Flächen mit Futtermittelpflanzen bebaut werden.

Nahaufnahme einer blühenden Rapspflanze

Raps liefert unter anderem Bio-Diesel

Energie aus Wasserkraft

An vielen Bächen und Flüssen standen früher Mühlen, mit denen mit Hilfe von Wasserkraft Korn gemahlen wurde. Heute wird die Wasserkraft mit Generatoren in Strom umgewandelt.

Allerdings wird der Beitrag der Wasserkraft zur Stromerzeugung auch zukünftig nicht groß sein. Nur durch eine Modernisierung und Erweiterung der Anlagen lässt sich das nutzbare Potenzial leicht erhöhen, da die Fließgewässer keine weiteren Kraftwerke auch aus ökologischen Gründen verkraften.

Jede Wasserkraftnutzung ist mit einem Eingriff in die Natur und in die Landschaft verbunden. Das verändert die Ökologie von Fließgewässern.

Auch müssen wir uns aufgrund des Klimawandels auf trockene Jahre und damit eine geringere Nutzung der Wasserkraft einstellen. So ging 2018 die wasserbasierte Stromerzeugung in Deutschland aufgrund der sehr geringen Niederschläge zurück. Dadurch war 2018 das Jahr mit der geringsten Stromerzeugung aus Wasserkraft seit 1991.

Eine Wassermühle am Blautopf, der Quelle der Blau

Jahrhundertelang klapperten Mühlen am rauschenden Bach

Ausblick

Die Entwicklung des Ausbaus der erneuerbaren Energien hängt von politischen Vorgaben ab, aber auch von den Möglichkeiten des Ausbaus. Je weniger Energie wir verbrauchen, desto eher kann der Bedarf durch erneuerbare Energien gedeckt werden. Allerdings können die Entwicklungen in den Bereichen Elektromobilität und auch der weiteren Digitalisierung – Beispiel Smart Home – zu einem höheren Stromverbrauch führen. Auch beeinflusst die Größe der vorhandenen landwirtschaftlichen Fläche, wie viel Biomasse angebaut werden kann.

Die Stromnutzung aus Wind und Sonne ist abhängig vom Wetter. Steigt in Zukunft der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung weiter stark an, hätten eine Windflaute oder regenreiche Tage ohne Sonne stärkere Auswirkungen als heute.

Umso wichtiger sind Stromspeicher, die diese saisonalen und wetterbedingten Schwankungen abfedern können. So kann an windreichen Tagen die gewonnene Energie gespeichert und bei Windflauten aus dem Speicher geholt werden.

Daher ist ein Ausbau der Speichermöglichkeiten notwendig, um kurzfristig oder saisonal zu viel produzierte elektrische Energie zu speichern und später abrufen zu können. Ein Beispiel für Stromspeicher sind Pumpspeicherwerke, die Wasser aus einem Fluss oder See in einen höher gelegenen Teich pumpen und bei Bedarf wieder ablassen, um so erneut Strom mit Hilfe von Generatoren erzeugen.

Mittlerweile sind auch „Cloud-Lösungen“ in Vorbereitung – wie virtuelle Stromkonten und Strom-Gemeinschaften. Anstatt in einem stationären Stromspeicher wird überschüssiger Strom im öffentlichen Stromnetz gespeichert. In einem Stromkonto wird dies verbucht. Später wird der Strom wieder abgerufen und genutzt. Das erhöht die Dezentralisierung der Stromversorgung und verringert eine Anfälligkeit des Stromnetzes für Stromausfälle.

IFA - Smart Home

Digitalisierung kann zu einem höheren Stromverbrauch führen

Stand: 29.08.2019, 14:00

Darstellung: