Erneuerbare Energien – regenerative Quellen für sauberen Strom

Daher befindet sich Ökostrom auf dem Vormarsch, der aus regenerativen Energiequellen wie Wind, Wasser, Erdwärme, Biomasse und der Sonne erzeugt wird. Betrachten wir hier einmal die verschiedenen Formen, Vorteile und den derzeitigen Erfolg von erneuerbaren Energien.

Inhaltsverzeichnis

• Erneuerbare Energien im Strommix
• Transformation des Strommarktes
• Welche Arten von erneuerbaren Energien gibt es?
  • Photovoltaik und Solarthermie
  • Windkraft
  • Geothermie
  • Biomasse
• Wie kann man erneuerbare Energien speichern?
• Zusammenfassung
   

Der Strommix macht’s!

Eine der größten Herausforderungen von erneuerbaren Energien ist jedoch ihre Unregelmäßigkeit. Während Strom aus konventionellen Kraftwerken konstant verfügbar ist, schwankt das Ökostrom-Angebot je nach Wetter, Jahreszeit und Region. Dem kann abgeholfen werden – mit einem Strommix aus erneuerbaren Energien. Wenn einmal nicht genügend Windkraft vorhanden ist, z.B. weil es ein windstiller Tag in der Region der Windkraftanlagen in der Ostsee ist, wird dieses Defizit durch andere Energieträger oder durch Windstrom aus anderen windigeren Gegenden ausgeglichen. Wichtig sind hierbei auch genügend Speichermöglichkeiten für Ökostrom, welche die Schwankungen ausgleichen sollen. 

Erneuerbare Energien transformieren den Strommarkt.

Strom aus regenerativen Energien stellt den Energiemarkt also vor mehrere Herausforderungen. Wo vorher zentrale Kraftwerke den Strom verteilten und Konzerne faktisch eine Monopolstellung innehatten, entstehen mit der Energiewende kleine, dezentrale Versorgungsinseln. Diese Inseln gilt es nun miteinander zu vernetzen. Vor allem private Haushalte werden zu Erzeugern und müssen in die Energieinfrastruktur integriert werden. Rund 1,3 Millionen der 1,6 Millionen deutschen Photovoltaik-Anlagen sind maximal 30 kWp groß und gehören damit meist Haushalten oder Landwirten.

Da das Angebot von Strom aus Wind und Sonne schwankt, bspw. an Tagen mit strahlendem Sonnenschein oder zu Zeiten geringen Verbrauchs, müssen Netzschwankungen irgendwie ausgeglichen werden. Hier bieten intelligent miteinander vernetzte Stromspeicher die Möglichkeit, überschüssige Energie kurzfristig zwischen zu speichern. Die Herausforderungen der Energiewende lassen sich also nur dann lösen, wenn die Infrastruktur digitalisiert wird und es genügend Speichermöglichkeiten in jeder Region gibt. 

Die Formen von erneuerbaren Energien.

Die erneuerbaren Energien haben sich in Deutschland mittlerweile bereits fest etabliert. Knapp zwei Jahrzehnte nach der Einführung des EEG im Jahr 2000 sind Wind, Sonne und andere nachhaltige Energiequellen bereits konkurrenzfähig zu Kohle- und Atomstrom geworden. Sie sind sogar günstiger, bezieht man die Folgekosten fossiler und nuklearer Energie mit ein. Wie weit wir bereits gekommen sind, zeigt dieses Beispiel: Am 15. Mai 2016, einem sonnigen und windigen Sonntag, konnte in Deutschland zum ersten Mal für rund eine Stunde 100 Prozent des gesamten Strombedarfes durch erneuerbare Energie abgedeckt werden. Ein Erfolg für die Erneuerbaren und für unsere Energiezukunft!

Welche Möglichkeit der Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen es mittlerweile gibt, soll hier nun gesammelt vorgestellt werden. Vorgestellt werden Methoden der Energie- und Wärmeerzeugung aus Photovoltaik, Solarthermie, Windkraft, Erdwärme und Biomasse. Selbstverständlich gibt es aber noch viele andere interessante Ansätze wie zum Beispiel Gezeitenkraftwerke, Fallwindkraftwerke oder Osmosekraftwerke.

Photovoltaik und Solarthermie.

Die Sonne stellt ein gigantisches Kraftwerk dar. Unablässig verschmelzen in ihr Wasserstoffkerne zu Helium und setzen dabei riesige Energiemengen frei. Diese Energie erreicht unseren Planeten in Form von warmen, hellen Sonnenstrahlen, welche umgerechnet täglich den weltweiten Energiebedarf von acht Jahren decken könnten. Diese gewaltige Energiemasse lässt sich auf zwei Arten nutzen - entweder zur direkten und indirekten Erhitzung von Flüssigkeiten oder zum Erzeugen von Strom. Bei den Anlagen zur Erzeugung von Wärme spricht man von solarthermischen Anlagen. Bei der Erzeugung von Strom handelt es sich um Photovoltaik-Anlagen. Im Volksmund wird beides oft umgangssprachlich als Solaranlage verallgemeinert.

Bei der Wärmeerzeugung sind in Deutschland solarthermische Solaranlagen auf Hausdächern am weitesten verbreitet. Sie sammeln das Sonnenlicht über Kollektoren und erhitzen damit eine Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit erwärmt Wasser in einem Heizkessel, das dann wiederum zum Heizen oder als Warmwasser genutzt werden kann. Damit lässt sich ein Großteil der Heizkosten und der bisher verwendeten Brennstoffe sparen. Außerhalb von Haushalten werden solarthermische Kraftwerke betrieben, die mit Parabolrinnen, Parabolspiegeln oder Heliostaten arbeiten. Sie bündeln die Lichteinstrahlung zum Beispiel über zahlreiche Spiegel auf einen Absorber. In diesem entstehen dann extrem hohe Temperaturen, so dass Wasserdampf erzeugt werden kann. Eine  Turbine verwandelt diese Wärme dann in elektrische Energie. Solche Solarkraftwerke können ganze Regionen mit umweltfreundlichem Strom versorgen, je nach Kapazität der Anlage.

Bei Hausdachanlagen, die Strom erzeugen, handelt es sich um Photovoltaik-Anlagen. Sie erzeugen Strom aus Tageslicht. Während ihre Energie in der Vergangenheit hauptsächlich komplett ins Netz gespeist wurde, wird heute zumeist versucht, den Großteil der Energie für den Eigenverbrauch zu nutzen. Durch stark gesunkene Preise bei Solarstromspeichern, werden PV-Anlagen und Speicher häufig kombiniert und ermöglichen es Haushalten damit, sich bis zu 75 % im Jahr mit selbst erzeugter Energie zu versorgen. Der durch Photovoltaik erzeugte Sonnenstrom lässt sich zudem für die Erzeugung von warmem Wasser nutzen, indem ein elektrischer Heizstab zum Einsatz kommt. So kann man nicht nur Stromkosten sparen, sondern zeitgleich seine Heizkosten senken.

Neben den privat genutzten Photovoltaik-Anlagen, die in der Regel bis maximal 30 kWp erreichen, gibt es auch größere Anlagen bis hin zur Kraftwerksgröße. Eine der größten deutschen Photovoltaik-Anlagen im brandenburgischen Neuhardenberg erreicht 145 MWp.

Erneuerbare Energiequelle Windkraft.

Schon im Mittelalter nutzte man mithilfe von Windmühlen die Kraft des Windes, um damit Korn zu mahlen. Moderne “Mühlen”, also Windräder, funktionieren nach demselben Prinzip, erzeugen heutzutage aber Strom. Dank genauer Wettervorhersagen operieren die Windkrafträder heutzutage natürlich weitaus verlässlicher, windarme Phasen können so besser vorhergesehen werden.

Besonders windsicher sind die Küstenregionen. Dort stehen sogenannte Offshore-Anlagen im Meer, die sich die Winde zunutze machen. Ganze Windparks zieren beispielsweise die Nord- und Ostsee. Dabei handelt es sich oft um Großprojekte - der Bundesverband Windenergie zählte im Jahr 2016 dabei fast 1.000 Anlagen.

Zusätzlich zu den Offshore-Windparkanlagen gibt es Onshore-Anlagen, also Windräder, die an Land stehen - in Deutschland derzeit bis zu 30.000.  Innerhalb der letzten Jahre sind sie deutlich effizienter und leistungsstärker geworden, so dass moderne Anlagen heute schon die doppelte Leistung erzeugen können, wie alte Anlagen ähnlicher Größe. Im privaten Umfeld sind Windräder noch nicht sehr verbreitet. Die sogenannten Kleinwindkraftanlagen stehen dabei für Haushalte für Leistungen bis 5 oder 6 kWp bereit. Im landwirtschaftlichen Umfeld können sie auch Leistungen bis 30 kWp erreichen. Gerade in Norddeutschland kann es sinnvoll sein, eine Kleinwindkraftanlage mit einer Photovoltaik-Anlage und einem Batteriespeicher zu kombinieren, um einen hohen Eigenverbrauch zu erlangen.

Geothermie - Erneuerbare Energie aus der Erde.

Unsere Erde besitzt einen weichen Kern. Bis zu 5.000 Grad Celsius heiß ist das zähflüssige Innere unseres Planeten, welches unter der 10 - 70 Kilometer dicken Erdkruste brodelt. Doch diese Erdwärme steigt in erreichbare Tiefen auf, in denen sie in Wärme oder Strom verwandelt werden kann. Erdwärme hängt dabei immer von den geologischen Voraussetzungen ab. Ihr Potenzial als erneuerbare Energie wird aber sehr hoch eingeschätzt.

Bei der tiefen Geothermie pumpt ein Wärmekraftwerk bis zu 200 Grad Celsius heißes Wasser aus bis zu fünf Kilometern Tiefe. Wenn das Wasser heiß genug ist, kann daraus Strom erzeugt werden. Geothermie ist auch schon in nur wenigen Metern Tiefe möglich. Um diese zu nutzen, vergräbt man Erdwärmesonden im Boden, die im Winter Gebäude oder ganze Straßen heizen können.

Erdwärmepumpen arbeiten mit dieser Umweltwärme und machen sich Temperaturunterschiede in der Umgebung zunutze. Die Umweltwärme erwärmt ein flüssiges Kühlmittel, das bald verdampft. Anschließend verdichtet ein Kompressor das nun gasförmige Gemisch, welches dadurch heißer wird. Diese Hitze gibt die Wärmepumpe dann an das Heizsystem oder das Warmwasser ab. Ein solches System braucht lediglich Strom und keine Brennstoffe mehr. Viele Besitzer einer PV-Anlage und eines Solarstromspeichers koppeln ihre Geräte daher mit einer solchen Wärmepumpe - und betreiben sie so mit eigenem Strom. Dadurch werden die eigenen Heizkosten effektiv gesenkt.

Biomasse – sichere Grundlast mit Kritikpunkten.

Eine weitere Form der erneuerbaren Energien ist die Biomasse. Dafür werden meistens Pflanzen wie Raps oder Mais verwendet und in großen Tanks eingelagert. Bei ihrer Zersetzung entsteht Gas, das zur Energieerzeugung verbrannt wird oder als Öl in Biokraftstoffe einfließt. Der ökologische Nutzen von Biomasse ist allerdings umstritten und mit der Kontroverse “Tank oder Teller” umrissen. Schließlich handelt es sich bei den verwendeten Produkten eigentlich um Nahrungsmittel, die sich auf Agrarflächen befinden, die anderweitig genutzt werden könnten. Ein weiterer Kritikpunkt sind die Umweltschäden durch riesige Mais- Monokulturen, die – da nicht für den Verzehr vorgesehen – auch noch gespritzt werden. Im Gegensatz zu den großen Biogas-Anlagen, können kleinere Betriebe zum Beispiel auch mit Gülle betrieben werden, die ohnehin in der Landwirtschaft anfällt.

Wie kann man erneuerbare Energien speichern?

Leider sind nicht alle regenerativen Energien gleich gut speicherbar. Das Angebot von erneuerbaren Energien schwankt stark: Sonnenenergie steht nur zur Verfügung, wenn die Sonne scheint, Windenergie, wenn der Wind weht. Batteriespeicher, wie die sonnenBatterie, wirken dem entgegen und speichern die erzeugte Energie. Wenn der Strom benötigt wird, kann er über den Stromspeicher wieder zur Verfügung gestellt werden. Auch bestimmte Wasserkraftwerke können eine Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage von Energie teilweise ausgleichen, indem sie überschüssigen Strom nutzen, um Wasser in Seen zu pumpen und ihn dann später über energieerzeugende Turbinen wieder verfügbar zu machen. Allerdings ist die Leistung dieser Kraftwerke ebenfalls begrenzt und es existieren nur wenige geeignete Standorte in Deutschland.

Eine weitere Möglichkeit stellt die "Power to gas"-Methode dar, bei der aus Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom ein Brenngas hergestellt wird. Dieses Gas kann wiederum gespeichert werden und später als elektrische Energie, Wärme zum Kochen oder Heizen oder auch für Gasfahrzeuge genutzt werden.

Zusammenfassung: Erneuerbare Energien

Photovoltaik und Solarthermie: 

• Solarthermie: Nutzung der Sonnenstrahlen zum Erhitzen für Flüssigkeiten für warmes Wasser oder zum Heizen
• Photovoltaik Anlagen: Nutzung der Sonnenstrahlen, zur Erzeugung von Strom 
• in Kombination mit einem Speicher kann bis zu 75% Eigenversorgung durch selbst erzeugten Strom bedeuten
• beide Methoden auch für private Haushalte geeignet

Erneuerbare Energiequelle Windkraft:

• Wind bewegt die Windräder, dadurch entsteht Strom
• onshore (am Land) & offshore (Windparks im Wasser) Anlagen
• private Nutzung eher gering, Kleinwindkraftanlagen für den Haushalt bis 5 oder 6 kWp
• Kleinkraftanlage + Photovoltaik-Anlage + Batteriespeicher für Norddeutschland interessant

Geothermie - Erneuerbare Energie aus der Erde:

• Geothermie bedeutet ein Wärmekarftwerk pumpt heißes Wasser, aus ca 5 km Tiefe nach oben, daraus kann dann Strom erzeugt werden
• Nutzung z.B. durch Erdwärmesonden um Straßen & Gebäude zu heizen
• privat: Erdwärmepumpe gibt Hitze an das Heizsystem ab oder für Warmwasser & helfen bei der Heizkosten Senkung
• Kopplung von PV Anlagen + Speicher gibt die Möglichkeit Wärmepumpe durch eigenen Strom zu betreiben, somit Heizkosten und Stomkostenersparniss

Biomasse – sichere Grundlast mit Kritikpunkten:

• Biomasse : Pflanzen wie z.B. Raps & Mais werden in großen Tanks gelagert & durch die Zersetzung entsteht Gas
• Dieses wird zur Energieversorgung verbrannt oder als Öl in Biokraftstoffe genutzt
• ggf. Biogas - Anlagen durch Gülle betrieben
• Biomasse ist eher kein Thema für den privaten Verbrauch