Energie

Erneuerbare Energien

Bis 2045 will Deutschland klimaneutral sein. Ein Baustein, um dieses Ziel zu erreichen, ist der Umbau unseres Energiesystems – mit Strom, Treib- und Brennstoffen aus erneuerbaren Quellen.

Von Annika Franck

Energiewende entscheidend für Klimaziele

Bis 2045 muss Deutschland die Treibhausgas-Emissionen deutlich verringern – so schreibt es der verschärfte Klimaschutzplan der Bundesregierung von August 2021 vor. Denn Deutschland hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2045 treibhausgasneutral zu werden – also nur noch so viel Treibhausgase auszustoßen, wie auch wieder gebunden werden können.

Ab 2050 soll Deutschland sogar mehr Treibhausgase in natürlichen Senken einbinden, als es ausstößt. Das wären eine so genanne negative Emissions-Bilanz.

Um dieses Ziel zu erreichen, brauchen wir die sogenannte Energiewende, also die Umstellung der Energieversorgung. Das bedeutet: weg von Kohle, Gas, Erdöl und Atomkraft, hin zu Energie aus erneuerbaren Quellen.

Ziel ist es, die Vereinbarung des Pariser Klimaabkommens umzusetzen. Das Abkommen sieht vor, die Erderwärmung deutlich unter zwei Grad Celsius zu halten – im Vergleich zu den Durchschnittstemperaturen aus der Zeit vor der industriellen Revolution, also bis zur ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts.

Der Vorteil der erneuerbaren Energien: Sie versiegen nicht, sind nicht endlich wie etwa Kohle, Öl und Gas. Und ihre Nutzung ist nachhaltig – sorgt also für deutlich geringere Treibhausgas-Emissionen.

Das Grundprinzip der erneuerbaren Energien besteht laut Umweltbundesamt darin, "dass zum einen in der Natur stattfindende Prozesse genutzt werden. Zum anderen auch aus nachwachsenden Rohstoffen Strom, Wärme und Kraftstoffe erzeugt werden".

Sonnenenergie

Sonnenenergie kann auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Mit Photovoltaik-Anlagen, die beispielsweise auf dem Dach von Gebäuden installiert werden, wird elektrische Energie erzeugt.

Solarkollektoren wandeln Sonnenstrahlen in Wärmeenergie um. In den Kollektoren der Anlage zirkuliert eine Flüssigkeit, die Wärme aus dem so genannten Kollektor über einen Wärmetauscher an einen Wasserspeicher abgibt. In Deutschland werden solche solarthermischen Anlagen vor allem in Haushalten eingesetzt, um Warmwasser zu bereiten.

Vor allem in Ländern, in denen die Sonne sehr viel scheint, eignen sich auch solarthermische Kraftwerke.

Windenergie

Die Nutzung der Windenergie hat eine lange Tradition. Die Windmühlen von einst, mit denen das Korn gemahlen wurde, haben heute eher Seltenheitswert. Moderne Windenergieanlagen haben riesige Rotoren, häufig sind mehrere Anlagen in Windparks angeordnet.

In Windenergieanlagen nimmt das Windrad über den Rotor die Bewegungsenergie des Windes auf und wandelt sie in eine Dreh-Bewegung. In einem Generator wird aus dieser Energie dann Strom erzeugt. Ein Windrad funktioniert also ganz ähnlich wie ein Fahrrad-Dynamo. 

Energie aus Wind spielt in Deutschland eine wichtige Rolle beim Strom aus erneuerbaren Energien. Sie wird meist an Land gewonnen, aber auch auf dem Meer in sogenannten Offshore-Windparks.

Biomasse

Unter dem Begriff "Biomasse" werden unterschiedliche Rohstoffe zusammengefasst, die immer wieder nachwachsen. Hinter allen diesen Stoffen steht die Sonne: Ihre Energie ist es, durch die Photosynthese und damit das Pflanzenwachstum erst möglich werden.

Biomasse ist in flüssiger, fester und gasförmiger Form nutzbar: Für die energetische Nutzung von Biomasse können Pflanzen – wie Mais, Raps, Getreide, Holz – verbrannt werden. Aus den Pflanzen können flüssige Brennstoffe gewonnen werden, so genannte Biokraftstoffe. Biomasse kann aber auch in energiereiches Gas verwandelt werden, wenn Mikroben organische Stoffe vergären.

"Der Charme von Biomasse ist, dass man sie in allen Sektoren – Wärme, Strom, Verkehr – einsetzen kann", erklärt Volker Quaschning, Professor für Regenerative Energiesysteme an der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin.

Feste pflanzliche Bestandteile wie etwa Holz können, ähnlich wie Kohle, direkt zum Heizen genutzt werden. Das Öl aus Energiepflanzen wie Raps kann flüssige Kraftstoffe wie Benzin und Diesel ersetzen. Mais und andere Pflanzen und Pflanzenreste können, umgewandelt zu Gas, ebenfalls energetisch genutzt werden.

Wasserkraft

Wasserkraft nutzen die Menschen schon lange. An Bächen und Flüssen wurden Wasserräder angetrieben, mit deren Energie das Korn gemahlen wurde. Auch Sägewerke wurden häufig mit Wasserkraft betrieben. Bis 2004 war die Wasserkraft die bedeutendste Quelle regenerativer Energien.

Sie stammte vor allem aus Speicher- und Laufwasserkraftwerken. Dort wird das fließende Wasser eines aufgestauten Flusses über ein Gefälle auf Turbinen geleitet. Die Turbinen treiben einen Generator an, der die Energie in Strom umwandelt.

Für die direkte Stromerzeugung spielt Wasserkraft in Deutschland eine geringe Rolle. Als Speichermedium in Pumpspeicherkraftwerken ist sie dennoch wichtig und die häufigste Form der Energiespeicherung in Deutschland.

In Pumpspeichern wird – wenn zu viel Strom vorhanden ist – Wasser aus einem Fluss oder See in einen höher gelegenen Teich gepumpt. Wenn dann der Strombedarf steigt, wird das Wasser wieder abgelassen und über Generatoren Strom erzeugt.

Wie zuverlässig sind erneuerbare Energiequellen?

Ein Problem von Solar- und Windenergie: An vielen Tagen bleibt die Sonne bei uns hinter den Wolken verborgen. Und auch der Wind weht nicht immer dann, wenn wir besonders viel Energie benötigen. Daher heißt es immer wieder, dass wir für die sogenannte Grundlast auch weiterhin Kraftwerke brauchen, die mit konventionellen Kraftstoffen betrieben werden.

Die Agentur für Erneuerbare Energien schreibt: "Je größer der Anteil von Wind- und Solarenergie an der Stromproduktion ist, desto weniger Grundlastkraftwerke werden benötigt." Dafür, heißt es weiter, seien flexible Kraftwerke geeignet, die bedarfsgerecht Energie liefern, etwa Pumpspeicherkraftwerke und gut regelbare Biomasse-Kraftwerke, "aber auch Geothermie- und Gaskraftwerke".

Aber wie realistisch ist es, die Energieversorgung komplett aus erneuerbaren Quellen sicher zu stellen? In einer Studie von 2020 beschreibt die Denkfabrik "Agora Energiewende", dass eine Versorgung komplett aus erneuerbaren Energien möglich sei. Ein Instrument, um den Ausbau der erneuerbaren Energien zu fördern und voranzubringen, ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

"Wenn wir unsere Klimaziele erreichen wollen, dann müssen wir unser Energiesystem so umbauen, dass wir zukünftig weniger fossile Energieträger nutzen mit dem Ziel, auf die Nutzung fossiler Energie bis 2050 vollständig zu verzichten", sagt Martin Kaltschmitt, Leiter des Instituts für Umwelttechnik und Energiewirtschaft der TU Hamburg. 

Dazu gehöre vor allem die Nutzung von Strom aus Photovoltaik in Kombination mit Windenergie.

Viele Energiewirtschaftler gehen davon aus, dass der Stromverbrauch weiter steigen wird. "Viele Szenarienanalysen der letzten Jahre waren davon ausgegangen, dass mit effizienten Geräten der Stromverbrauch in den kommenden Jahren sinkt. Aber genau das Gegenteil ist bisher eingetreten", so Kaltschmitt. "Wir werden vermutlich zukünftig weitere deutliche Effizienz-Gewinne im Stromsektor sehen. Aber auch aus Klimaschutzgründen wird künftig in mehr Sektoren deutlich mehr Strom eingesetzt werden, zum Beispiel in der Elektromobilität. Dadurch wird insgesamt die Stromnachfrage deutlich ansteigen."

Auch der Einsatz von elektrisch betriebenen Wärmepumpen für Heizungen in Haushalten sorgt für größeren Strombedarf. Hinzu kommt, dass auch die Digitalisierung zu höherem Stromverbrauch führen könnte: Jede Suchmaschinen-Anfrage sorgt für Energieverbrauch in den Rechenzentren dieser Welt.

Energiespeicher und Sektorenkopplung

Als einen Baustein für die Energieversorgung der Zukunft sehen Experten die sogenannte Sektorenkopplung. Dabei geht es vor allem um die Verzahnung unterschiedlicher Energie-Sektoren: Die reine Stromerzeugung macht rund ein Drittel des Stromverbrauchs aus, ein weiteres Drittel entfällt auf die Wärmeproduktion, ein weiteres Drittel auf Treibstoffe.

Bisher sind dies voneinander getrennte Geschäftsbereiche. "Wir müssen das zusammen denken", betont Dirk Uwe Sauer, Professor für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik an der RWTH Aachen. Weil künftig Strom eine größere Rolle spielen wird, müsse man die unterschiedlichen Bereiche miteinander verknüpfen.

Mit Hilfe der Verknüpfung soll mehr Zuverlässigkeit und Flexibilität möglich werden. Man kann beispielsweise Speicher aus unterschiedlichen Bereichen nutzen: Wenn überschüssiger Strom aus erneuerbaren Quellen vorhanden ist, können beispielsweise synthetische Kraftstoffe erzeugt werden. Synthetische Kraftstoffe werden aus "grünem" Strom und Kohlendioxid (CO2) hergestellt. Sie können wie Diesel und Benzin in Verbrennungsmotoren eingesetzt oder beigemischt werden.

Mit überschüssigem Strom kann man auch "grünen" Wasserstoff herstellen. Der kann in der Industrie verwendet (etwa in der Stahlerzeugung), als Brennstoff genutzt oder wieder in Strom umgewandelt werden. Allerdings geht bei solchen Umwandlungsprozessen immer Energie verloren – der Wirkungsgrad nimmt dann ab. Am wirksamsten ist es also, die Energie möglichst dann zu nutzen, wenn sie entsteht.  

In ihrem Klimaschutzgesetz hat sich die Bundesregierung Ende 2019 zum Ziel gesetzt, bis 2030 einen Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch von 65 Prozent zu erreichen. Bis 2050 will Deutschland komplett treibhausgasneutral sein.

Das bedeutet, dass wir dann nur noch so viel Treibhausgase emittieren dürfen, wie auch wieder gebunden werden können. Um diese Ziele zu erreichen, müssen die erneuerbaren Energien ausgebaut werden.

(Erstveröffentlichung 2021. Letzte Aktualisierung 05.11.2021)