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Erneuerbare Energien

Grüner Strom – Diese alternativen Stromquellen setzen sich durch

Nicht zuletzt seit der Nuklearkatastrophe Fukushima im Jahr 2011 sind grüne erneuerbare Energiequellen auf dem Vormarsch. Doch was verbirgt sich im Einzelnen hinter diesem Begriff und in welchem Maß tragen sie zum aktuellen Strombedarf bei?

© iStock/vencavolrab

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Noch 2014 setzte sich der Energiebedarf weltweit wie folgt zusammen:

  • 31,3 Prozent Mineralöl
  • 28,6 Prozent Kohle
  • 21,2 Prozent Erdgas
  • 4,8 Prozent Kernkraft
  • 14,1 Prozent Erneuerbare Energien
Fossile Brennstoffe neigen sich ihrem Ende zu und verschmutzen die Umwelt – das ist weder Geheimnis noch eine Neuigkeit. Dieses Problem rückt nicht zuletzt aufgrund der Debatte um den Klimawandel immer mehr in das Bewusstsein der Verbraucher, die sich immer mehr an Alternativen orientieren. Der Forderung nach erneuerbaren Energien wird Folge geleistet. Der Weltklimavertrag wurde ratifiziert und tritt 2020 in Kraft – jetzt müssen alle Nationen an einem Strang ziehen. Wir zeigen Ihnen welche Alternativen sich in den letzten Jahren bewährt haben und sicher für die Zukunft sind.

Welche erneuerbaren Energien gibt es?

Aktuell liegt der Anteil der erneuerbaren Energien an der Bruttostromerzeugung bei rund 30 Prozent, wobei der Wert über das Jahr verteilt stark schwankt und teilweise deutlich darüber liegt. Stundenweise erzielen Wind und Photovoltaik Spitzenwerte von bis zu 60 Prozent.

Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten decken konventionelle Energieträger bislang die Flautenzeiten ab, mittelfristig erhöht sich der Anteil der erneuerbaren Energien jedoch konstant, wobei der Ausbau der Energien auf unterschiedliche Energielieferanten setzt.

© Stock-VioNet

Solarenergie

Alles Leben auf der Erde bezieht seine Kraft aus der Sonne. So liegt es nahe, die Energie, die für das Pflanzenwachstum, Wetterverhältnisse und damit die Energiegewinnung über Wasserkraft und Biomasse ermöglicht, auch direkt zu nutzen. Längst sind Photovoltaikanlagen auf Hausdächern verbreitet, solarthermische Kraftwerke und Sonnenkollektoren nutzen die Sonnenstrahlung, um Strahlungsenergie in Storm oder Wärme umzuwandeln. 

  • Photovoltaikanlagen / Solarzellen wandeln das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Dabei nutzt ein Halbleiter den photovoltaischen Effekt, durch den unter dem Einfluss von Licht freie Ladungen entstehen, die über einen elektrischen Leiter abfließen. Der so entstandene Gleichstrom kann entweder direkt zum Betrieb elektrischer Geräte verwendet werden, oder wird in Batterien gespeichert. Nach der Umwandlung in Wechselstrom ist darüber hinaus eine Einspeisung in das öffentliche Stromnetz möglich, was vielfach von Privathaushalten praktiziert wird, die so ihre Investitionen refinanzieren. Batterien oder Laderegler ermöglichen eine Stromversorgung auch bei schwankender Sonneneinstrahlung. Die Photovoltaik stellt dabei auch in Zukunft eine wichtige Säule bei der deutschen Energiegewinnung dar, da sie ein kostengünstiges Ausbaupotenzial birgt und dabei wartungsarm und brennstoffunabhängig sind.
  • Solarthermische Kraftwerke bündeln die Sonneneinstrahlung mithilfe von Brennspiegeln. Diese erhitzen eine Flüssigkeit, welche wiederum eine Turbine antreibt, wodurch die Kraftwerke eine Mischform aus der innovativen solaren Wärmeerzeugung und dem konventionellen Betrieb einer Turbine darstellen. Die Anlagen kommen sowohl bei der Stromerzeugung als auch der Kraft-Wärme-Kopplung zum Einsatz. Als Standorte eignen sich vor allem sonnenreiche Regionen, da nur die direkte Strahlung der Sonne gebündelt werden kann, wohingegen diffuse Strahlung und niedrigere Einstrahlung, wie sie z. B. in Deutschland vorherrscht, keinen wirtschaftlichen Betrieb gewährleisten können.
  • Über Solarkollektoren wird Strahlung in Wärme umgesetzt. So lässt sich Wasser für den täglichen Bedarf erwärmen oder Gebäude beheizen, solarthermische Anlagen dienen ebenfalls der Erhitzung von Wasser sowie der Erzeugung von Kälte oder Prozesswärme. Ein großes Potenzial bietet die Technik in der Speicherung von Solarwärme im Sommer für den Winter und der Verteilung von heißem Wasser über Nahwärmenetze. Kleine Solaranlagen kommen aufgrund des EEG, das die Nutzung erneuerbarer Energien bei Neubauten vorsieht, aufgrund der einfachen Bauweise vielfach bei Wohnbauten zum Einsatz.

Windenergie auf dem Land

Kaum mehr wegzudenken sind die riesigen Windräder in der Landschaft. Vor allem im windreichen Norddeutschland steht viele dieser Kraftwerke. Allein Schleswig Holstein und Niedersachen decken 35 Prozent aller Windkraftanlagen Deutschlands ab und haben das Landschaftsbild in den vergangenen Jahren entscheidend verändert. Der Ausbau der Windenergie auch in küstenfernen Regionen soll entscheidend dazu beitragen, dass durch regenerative Energien bis zum Jahr 2035 auf 60 Prozent ansteigt. Neben dem weiteren Ausbau der Offshore-Windparks auf dem Meer stellt dabei die Ausweitung der Windkraftanlagen an Land einen bedeutenden Faktor dar, da diese ein kostengünstiges Ausbaupotenzial hat.

Deutschland gehört beim Ausbau von Windenergie dabei weltweit zu den führenden Staaten und liegt aktuell auf dem dritten Platz nach China und den USA. Um diesen Platz weiter auszubauen bedient man sich neben dem Neubau von Anlagen dem Repowering, bei dem alte kleine Anlagen an gut geeigneten Standorten durch leistungsstarke große Windräder ersetzt werden. Der Vorteil: Bei mittelfristig sinkender Zahl der Anlagen steigt der Energieertrag weiter an, das Landschaftsbild wird gleichzeitig entlastet, negative Auswirkungen auf Mensch und Natur verringern sich und die Netzauslastung steigt. Damit die Branche auch in Zukunft weiter wachsen kann, bedarf es deshalb der Wahl passender Standorte und transparenter Genehmigungsverfahren, welche die Akzeptanz der Beteiligten vor Ort steigern.

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Windenergie im Wasser

Großbritannien ist aktuell der Spitzenreiter bei der Gewinnung von regenerativer Energie aus Offshore-Windanlagen. Doch auch in Deutschland treibt man den Ausbau der Windräder auf hoher See weiter voran. 

Der Ausbau der Offshore-Windanlagen, die in Deutschland in der Nord- und Ostsee vorhanden sind, stellt ein bedeutendes wirtschaftliches Potenzial für die deutsche Industrie dar. Dabei ist die Erstellung der Anlagen technisch anspruchsvoller als der Bau der Anlagen auf Land: In Entfernungen von 30-40 Kilometern von der Küste herrschen Wassertiefen von ca. 40 Metern vor, in denen die Anlagen erbaut und verankert werden müssen, um hohen Windgeschwindigkeiten und einem starken Wellengang Stand zu halten. 

Gleichzeitig bedarf es der Anbindung der Windräder mithilfe von Seekabeln an das Stromnetz auf dem Festland. Auch die regelmäßige Wartung und Instandhaltung stellt die Betreiber vor Herausforderungen, da im Störungsfall eine rasche Behebung von Fehlern erforderlich ist, um einen wirtschaftlich effizienten Betrieb zu gewährleisten. Schließlich muss sowohl die Sicherheit für die Schifffahrt und den Luftverkehr, als auch eine Berücksichtigung des Naturschutzes gegeben sein.

© iStock-fotojog

Bioenergie

Biomasse als Energieträger ist aktuell der bedeutendste Markt in Deutschland – im Jahr 2013 wurden knapp zwei Drittel der erneuerbaren Energien aus Biomasse hergestellt. Die Biomasse wird dabei in fester, flüssiger und gasförmiger Form zur Strom- und Wärmeerzeugung und zur Herstellung von Biokraftstoffen genutzt, wobei ein weiterer Ausbau angestrebt wird. Doch wenngleich das technische Potenzial dafür in Deutschland vorhanden ist, ist die Erschließung kostenintensiv und das Potenzial von Anbauflächen ist begrenzt.

Den Rohstoff für die Energiegewinnung bilden dabei Restprodukte aus der Land- und Forstwirtschaft sowie Abfälle biogenen Ursprungs. Dazu zählen neben dem Alt- und Gebrauchtholz, Bioabfälle (z. B. die Biotonne), Gülle und Getreidestroh, wobei die energetische Nutzung der biogenen Rest- und Abfallstoffe dazu beiträgt, Nutzungskonflikte zwischen der energetischen und stofflichen Verwertung der Stoffe zu verhindern. Grundsätzlich gehören zur Bioenergie:

  • Holz
  • Pflanzenöl
  • Biodiesel
  • Bioethanol und Cellulose-Ethanol
  • Biogas
  • BtL-Kraftstoffe
  • Biowasserstoff
  • Muskelkraft (Fahrrad, Draisine, Nutz- und Zugtiere)

Der größte Rohstofflieferant ist Deutschland ist Holz – Waldholz, Altholz (Gebrauchtholz), Landschaftspflegematerial, aber auch Industrierestholz – wobei die Forstwirtschaft ein bedeutender Zulieferer für die Gewinnung von Energie aus Biomasse ist. Daneben liefert die Landwirtschaft mit Rapsanbau für die Biodieselproduktion sowie Substraten für die Biogaserzeugung und dem Anbau von stärke- und zuckerhaltigen Pflanzen zur Bioethanolherstellung wichtige Ausgangsmaterialien.

Geothermie

Geothermie bezeichnet Erdwärme, die aus der Zeit der Erdentstehung sowie der permanenten Reibung des flüssigen Erdkerns mit der festen Erdkruste stammt. Diese nutzt die in der Erde gespeicherte Wärme: Während die Temperatur in den ersten 100 Metern der Erdoberfläche konstant bei 10 Grad Celsius liegt, erhöht sie sich in den folgenden 100 Metern um jeweils 3 Grad Celsius. Zur Nutzung der Erdwärme bieten sich drei unterschiedliche Verfahren an:

  • die oberflächennahe Geothermie bis 400 Meter Tiefe
  • geothermische Systeme, die im Untergrund vorhandenes Wasser bis ca. 4.500 Meter Tiefe nutzen
  • Systeme, die Wärme aus tiefem Gestein nutzen, was bis ca. 5.000 Meter möglich ist.
Entsprechend des 2009 eingeführten EEG gilt für Neubauten eine Nutzungspflicht für erneuerbare Energien. Erdwärme spielt hier eine tragende Rolle, die über Wärmepumpen und oberflächennahe Erdwärmenutzung oder Fernwärme aus einer Geothermieanlage erfolgen kann. Die gewonnene Energie aus oberflächennaher Geothermie kann ein Gebäude dabei mit Heizwärme, Kälte und Warmwasser versorgen. Tiefe Geothermie hingegen wird durch gewerbliche Anbieter gewonnen, deren Anlagenbau durch die Bundesregierung gefördert wird.

© iStock-knaufb

Wasserkraft

Wasserkraft wurde bereits in der Antike genutzt – Mühlen, Säge- und Hammerwerke sind nicht umsonst an Flussläufen errichtet. Zur Energiegewinnung nutzt man die kinetische Energie des Wassers, die über Turbinen in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird, welche wiederum Maschinen oder Generatoren antreibt. 

Weltweit ist Wasserkraft nach der Gewinnung über Biomasse der größte Faktor bei der Energiegewinnung über regenerative Energien. Die Technologie ist ausgereift, Potenzial besteht in Deutschland vor allem in den südlichen Bundesländern, die durch den Voralpenraum über ein günstiges Gefälle verfügen. Unterscheiden lassen sich dabei verschiedene Wasserkraftwerke:

  • Kleinwasserkraftwerke werden sowohl im Inselbetrieb als auch netzgekoppelt eingesetzt, technisch handelt es sich um Speicher- oder Laufwasserkraftwerke, die aufgrund kleinerer Fallhöhen und Wassermengen nur geringere Leistungen liefern. Die Kosten für die Erstellung eines solchen Kraftwerks sind sowohl abhängig von der Leistung als auch der Fallhöhe, Standortbedingungen als auch ökologischen Maßnahmen.
  • Speicherkraftwerke nutzen das hohe Gefälle und die Speicherkapazität von Talsperren und Bergseen zur Stromerzeugung. In Talsperren-Kraftwerken befinden sich die Turbinen am Fuß der Staumauer, bei der Bergspeicherkraft wird das Wasser eines höher gelegenen Sees über Druckrohrleitungen mit einem Kraftwerk im Tal verbunden. Die Kraftwerke eignen sich gleichermaßen zur Deckung der Grundlast als auch einer Spitzenlast. Eine Ergänzung hierzu bieten Pumpspeicherwerke, die erzeugten Strom aus einer Schwachlastzeit in Form der Wasserkraft zwischenspeichern, um diese bei Bedarf wieder abzurufen.
  • Laufwasserkraftwerke nutzen die Strömung eines Flusses oder Kanals zur Stromerzeugung. Die Fallhöhe ist niedrig, die Wassermenge schwankt zwischen den Jahreszeiten. Um wirtschaftlich zu agieren, werden die Anlagen in der Regel zusammen mit Schleusen erbaut.

Systemintegration erneuerbarer Energien

Die Bundesregierung sieht vor, bis zum Jahr 2050 einen Anteil von 80 Prozent des deutschlandweiten Energiebedarfs über erneuerbare Energien zu decken. Entsprechend bedarf es der kontinuierlichen Integration der Energien in das Stromnetz, damit sie hier die konventionellen fossilen Energieträger nach und nach ersetzen können. Hierzu ist ein tiefgreifender Umbau des Energienetzes vonnöten. Als Ziel der Systemintegration hat die Bundesregierung entsprechend einige Ziele formuliert:

  • Ein sicherer Netzbetrieb bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien,
  • die Flexibilisierung von Stromerzeugung und -nachfrage,
  • ein intelligentes Zusammenspiel von Stromerzeugung, Verbrauch und modernen Netzen,
  • eine effiziente Nutzung der vorhandenen Netzstruktur.
Daraus ergeben sich Rahmenbedingungen für den weiteren Netzausbau sowie einer Anpassung der rechtlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen, die in der Lage sind, den Transformationsprozess intelligent zu steuern.

Problematisch erscheint bislang eine unzureichende Anpassung an die Nachfragesituation sowie die bislang wenig flexiblen Lastzeiten, die ein Lastmanagement erfordern.

Welche erneuerbaren Energien sind marktführend?

Insgesamt wurden im Jahr 2015 187,3 Mrd. Kilowattstunden erneuerbare Energie erzeugt. Bislang stellt die Energiegewinnung über Windkraft mit einem Anteil von etwa 42 Prozent den Hauptlieferanten erneuerbarer Energien dar. Die zweitgrößte Quelle sind die Biomassekraftwerke mit ca. 27 Prozent, gefolgt von Photovoltaik (21 Prozent) und Wasserkraft (10 Prozent). Mit 30 bzw. 35 Prozent geht der größte Anteil künftiger Investitionen in die Windenergie im Wasser bzw. an Land, wohingegen in andere Bereiche wesentlich weniger investiert wird. Der Wärmeverbrauch hingegen speist sich mit 88 Prozent zum größten Teil aus der Biomasse, Geothermie und Umweltwärme stellen mit 7 bzw. 5 Prozent nur einen marginalen Anteil bei der Wärmeerzeugung.

© iStock-StudioBarcelona

Warum brauchen wir erneuerbaren Energie?

Erneuerbare Energien sichern den Energiebedarf der Weltbevölkerung auf lange Zeit. Wie der Name schon sagt, erneuern sich die Rohstoffe immer wieder – oder sind wie im Falle der Sonnenenergie im menschlichen Verständnis unendlich, zumindest so lange die Sonne auf die Erde scheint. Dennoch hält die Industrie weiterhin an fossilen Rohstoffen fest – mit dem Ergebnis der Umweltverschmutzung und Risiken für Mensch und Natur.

Umweltschutz

Die Gewinnung fossiler Rohstoffe geht vielfach mit tiefgreifenden Eingriffen in die Umwelt einher: Beim Abbau von Kohle werden riesige Landstriche umgegraben, zurück bleiben leblos wirkende Wüstenlandschaften. Die Öl- und Gasförderung galt bisher als relativ sauber, stößt jedoch langsam an ihre Grenzen. Auch bleibt das Risiko von Tankerunglücken, die immer wieder empfindliche Ökosysteme an den Küsten zerstören. Neue Methoden, um die Rohstoffe weiterhin abzubauen – Fracking und die Gewinnung von Ölsand – sind weitaus weniger umweltfreundlich. Für die Gewinnung von Öl aus Ölsand – vorwiegend in Kanada – werden endlos wirkende Flächen umgegraben werden, und der ölhaltige Sand mit aufwendigen chemischen Prozessen vom Öl getrennt. Zurück bleiben Giftseen aus Chemikalien, die Natur ist auf lange Zeit zerstört. Das Fracking hingegen steht in der Kritik, durch den Eingriff in tiefliegende Gesteinsschichten zu erodieren, was zur Veränderung der geografischen Oberfläche führen kann.

Endlichkeit der fossilen und nuklearen Brennstoffe

Es ist kein Geheimnis, dass fossile Energien endlich sind. Öl, das durch das Verrotten von Pflanzen in einem Prozess entstand, der über mehrere Millionen Jahre ablief, und tief in der Erde eingeschlossen ist und Gasvorräte gibt es nicht in unbegrenzter Menge. Gleichzeitig steigt der Energiebedarf durch aufstrebende Schwellenländer wie China und Brasilien immer weiter an. Schon jetzt greifen Produzenten auf Abbaumethoden wie die Gewinnung von Öl aus Ölsand und das umstrittene Fracking zurück, die eine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen.

Auch Kohle ist aufgrund der hohen Treibhausgase bei der Gewinnung immer wieder umstritten, der Tagebau hinterlässt endlose Wüstenlandschaften an der Stelle einer intakten Natur.

Nicht als saubere Energie gelten Atomkraftwerke, die Energie aus radioaktiven Brennstäben gewinnen. Zum einen sind auch hier die Rohstoffe wie Uran endlich, zum anderen strahlen die Brennstäbe lange nach, sodass es Probleme bei der Entsorgung gibt: In Deutschland gibt es seit Jahrzehnten eine Debatte über Zwischen- und Endlager, Reaktorunglücke wie Tschernobyl und zuletzt Fukushima mahnen immer wieder, dass die Energiegewinnung nicht ohne Risiken ist. Das hat Deutschland dazu beflügelt sich früher als geplant aus der Atomenergie zurück zu ziehen. Zwar sind die Ziele der ehemaligen rot-grünen Regierung weiter nach hinten verschoben, doch die vereinbarten Laufzeitverlängerungen wurden durch CDU/CSU und dem ehemaligen Koalitionspartner FDP wieder zurückgenommen. Aller Voraussicht nach wird das letzte Atomkraftwerk in Deutschland nun nicht 2036, sondern bereits in fünf Jahren seine Pforten schließen.

© iStock-kav777

Strom vor der Haustür

Fossile Rohstoffe wie Gas und Öl werden vielfach in weit entfernten Teilen der Erde gewonnen und legen lange Wege zurück, um beim Verbraucher zu landen. Auch die Energie aus erneuerbaren Energien wird in Deutschland bislang in das Netz eingespeist, über die Börse gehandelt und ist Teil des bundesweiten Strommixes. Wo der Strom im eigenen Haushalt herkommt, ist kaum mehr nachvollziehbar. Dabei bestünde die Möglichkeit, Betreiber von Windrädern, Biogas- und Solaranlagen mit Abnehmern in der Umgebung zusammen zu bringen. Der Vorteil: Die Akzeptanz für das Windrad im Sichtfeld steigt, kleine regionale Anbieter werden gestärkt. Dies will das Start-up Lumenaza oder auch Anbieter wie Lichtblick oder die Naturstrom-Tochter Grünstromwerk ändern, das Verbraucher mit lokalen Akteuren zusammenbringt. In acht Regionen Deutschlands ist bereits ein Netzwerk aufgebaut, in denen Strom zu 50-100 Prozent aus lokaler Produktion stammt. Eine Hürde bei der weiteren Vermarktung stellt jedoch bislang die Regelung dar, dass Energie, die nach dem EEG gefördert wird, nicht als Ökostrom verkauft werden darf. 2017 soll eine Novelle des Gesetzes die Ausgangslage ändern.

Was ändert sich in der Zukunft?

Anfang November 2015 wurde in Paris der Weltklimavertrag als Nachfolger des Kyoto-Protokolls beschlossen. Das Straßburger EU-Parlament stimmte mit großer Mehrheit (610 Befürworter bei 38 Gegenstimmen und 31 Enthaltungen) für das erste verbindliche Klimaabkommen weltweit. Der Vertrag verpflichtet die Weltgemeinschaft, deutlich unter einer Erderwärmung von 2 Grad Celsius im Vergleich zur vorindustriellen Zeit zu bleiben und setzt damit ein deutliches Zeichen im Kampf gegen die Erderwärmung.

Damit das Abkommen in Kraft treten kann, bedarf es 55 Prozent der Stimmen von jenen Ländern, die für 55 Prozent des weltweiten Ausstoßes an Treibhausgasen verantwortlich sind. Dies wurde im Rahmen einer UNO-Generalversammlung im September erfüllt. Damit die durch das Straßburger Parlament beschlossene Ratifizierung Gültigkeit erlangt, mussten die EU-Staaten noch einmal separat zustimmen – eine rein formale Hürde. 

Das Abkommen gilt ab dem Jahr 2020, d. h. ab dann müssen die Vertragspartner die beschlossenen Maßnahmen verbindlich umsetzen. Die EU muss beispielsweise bis zum Jahr 2030 mindestens 40 Prozent weniger Treibhausgase ausstoßen als noch im Jahr 1990. Einen konkreten Plan zur Umsetzung gibt es bislang noch nicht – die Verhandlungen darüber sind Bestandteil gesonderter Treffen der EU-Minister.
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