erneuerbare Energien,
regenerative Energien, Alternativenergien, regenerierbare, das heißt sich erneuernde und im Gegensatz zu fossilen Energieträgern und Kernbrennstoffen - in menschlichen Zeiträumen gemessen — nicht erschöpfbare Energieformen. Sie gelten zudem als klima- und umweltverträglich, da mit ihrer Nutzung geringere Umweltbelastungen verbunden sind und mit Ausnahme der vorgelagerten Prozesskette (z. B. Anlagenherstellung) keine klimarelevanten Spurengase freigesetzt werden.
Das Energieangebot der erneuerbaren Energien basiert auf drei verschiedenen Energiequellen, der Wärmeenergie im Inneren der Erde, der Rotationsenergie der Erde und den Kernfusionsprozessen in der Sonne. Die im Erdinnern aus der Entstehungszeit der Erde gespeicherte Energie kann heute ebenso wie die aus radioaktiven Zerfallsprozessen eines Teils der Erdelemente resultierende Wärme als geothermische Energie (Erdwärme) nutzbar gemacht werden. Die Rotationsenergie der Erde führt im Zusammenspiel mit der Gravitationswechselwirkung zwischen Erde und Mond beziehungsweise Sonne zu der Entstehung der Gezeiten. Der Tidenhub zwischen Ebbe und Flut lässt sich in Gezeitenkraftwerken zur Stromerzeugung nutzen. Schließlich setzen die Kernfusionsprozesse in der Sonne Strahlungsenergie frei, die direkt zur Strom- oder Wärmeerzeugung auf der Erde beitragen kann oder in umgewandelter Form als Windenergie, Wasserkaft, Wellenenergie, Meeresströmungsenergie, Wärmeenergie von Luft, Wasser, Erdreich, Ozean oder als Biomasse zur Energiebereitstellung ein nutzbares Potenzial bietet.
Durch das umfangreiche und verschiedenartige natürliche Energieangebot ergeben sich zahlreiche technische Nutzungsmöglichkeiten der erneuerbaren Energien. Dennoch trugen sie 2000 in Deutschland insgesamt nur zu rund 1,3 % zur Deckung des Primärenergiebedarfs bei. (Dieser Berechnung liegt die heute üblicherweise verwendete Wirkungsgradmethode zugrunde, nach der früher häufig verwendeten Substitutionsmethode würde sich ein Anteil von rund 2,6 % ergeben.) An der Deckung des Strombedarfs aber waren sie bereits zu 7,1 % beteiligt. Ihre Bedeutung ist damit heute noch vergleichsweise gering. Für die Zukunft wird jedoch insbesondere infolge weltweit zunehmender Bemühungen zum Klimaschutz eine verstärkte Ausschöpfung der bestehenden Potenziale erwartet.
Bisher werden in Deutschland v. a. die klassischen erneuerbaren Energien zur Energiebereitstellung genutzt. Dazu gehören Wasserkraft, Klärschlämme und Müll (in der Energiestatistik wird Müll unter den erneuerbaren Energien eingeordnet, obwohl Müll im klassischen Sinne kein erneuerbares Energieangebot darstellt) sowie Abfallhölzer. Von geringerer Bedeutung sind demgegenüber nach wie vor die so genannten neuen erneuerbaren Energien (z. B. Windenergie, Geothermie, Sonnenenergie, Photovoltaik). Ihr Anteil am derzeit genutzten erneuerbaren Energieangebot hat sich allerdings von rund 7 % (1995) auf knapp 20 % (2000) erhöht. Dies ist insbesondere auf das dynamische Wachstum der Windenergie zurückzuführen. In nur fünf Jahren (1995-2000) hat sich die in Windkraftwerken installierte Leistung von 1 126 MW auf 6 113 MW erhöht. Das daraus resultierende Stromerzeugungspotenzial der Windenergie lag Ende 2000 bei 11,9 Mrd. kWh, was immerhin bereits 2,4 % der gesamten Nettostromerzeugung Deutschlands entspricht. Die Bedeutung der neuen Nutzungsformen wird sich - Prognosen zufolge - in der Zukunft weiter erhöhen. Bereits heute zeigt sich auch außerhalb der Windenergie in einigen Bereichen eine ausgeprägte Wachstumsdynamik (z. B. Photovoltaik), während die Potenziale der klassischen Nutzungsarten bereits zu größeren Teilen ausgeschöpft sind. Wachstumsfördernd wirken dabei die in den letzten Jahren durchgeführten bundespolitischen Maßnahmen, von denen die Verabschiedung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG), das 100 000 Dächer-Photovoltaikprogramm und das 200 Mio. DM-Investitionsförderprogramm die wichtigsten sind.
Weltweit liegt der Deckungsanteil der erneuerbaren Energien am Primärenenergieverbrauch bei rund 10,9 %. Aufseiten der Stromerzeugung tragen erneuerbare Energien etwa 20 % bei. Neben der Wasserkraft sind hier besonders die traditionellen Brennstoffe Brennholz, Holzkohle sowie Dung und pflanzliche Rohstoffe von Bedeutung. Auch global sind Zuwächse in allen Bereichen der Nutzung erneuerbaren Energien absehbar. Spezifische Marktanreizprogramme in Japan und den USA (1 Mio. Dächer-Programm) sind hierfür nur Beispiele. Zunahmen werden dabei vor allem auf dem Strommarkt erwartet.
Technische Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Energien
Bei der Umwandlung der Sonnenenergie unterscheidet man grundsätzlich zwischen der Stromerzeugung in Solarzellen (photovoltaische Stromerzeugung) oder Solarkraftwerken und der Wärmebereitstellung in Sonnenkollektoren.
Die direkte Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrische Energie beruht auf dem photoelektrischen Effekt. Einige Materialien (z. B. dotierte Halbleitermaterialien) setzen Elektronen frei, wenn sie mit Licht bestrahlt werden. In Solarzellen wird dieser Effekt zur Stromerzeugung genutzt. Als Ausgangsmaterial hat sich dabei insbesondere Silicium (Si) als geeignet erwiesen. Aus diesem Grund werden heute v. a. mono- und polykristalline, zunehmend aber auch amorphe Siliciumzellen eingesetzt. Im Labor erreichen diese Zellentypen Wirkungsgrade zwischen 18 und 23 % (mono-Si), 15 und 18 % (poly-Si) und 10 und 16 % (a-Si). Kommerzielle Solarzellen dieses Typs können Wirkungsgrade von 14 bis 16 % (mono-Si), 12 bis 13,5 % (poly-Si) und 5 bis 8,5 % (a-Si) erzielen. Darüber hinaus sind eine Vielzahl von anderen Zellentypen in der Entwicklung beziehungsweise in der Erprobung. Hierzu gehören insbesondere die verschiedenen Formen der Dünnschichtsolarzellen (z. B. GaAs, CdTe) und der Tandemzellen (z. B. Tandem-CIS). Neben einer Verbesserung des Wirkungsgrades und einer signifikanten Kostendegression erhofft man sich durch neue Entwicklungen (z. B. Grätzelzelle) v. a. eine Reduzierung des erforderlichen energetischen Aufwandes für die Herstellung, die heute noch zum Teil hochreine und damit sehr aufwendig herzustellende Materialien erfordert. Solarzellen werden bereits seit einigen Jahrzehnten für die Energieversorgung von Weltraumsatelliten kommerziell genutzt. Außerdem kommen sie v. a. in netzfernen Regionen zur dezentralen Stromerzeugung zum Einsatz (z. B. in Berghütten, Relais- und Wetterstationen im Gebirge). Zunehmend werden Photovoltaikanlagen aber auch an das öffentliche Netz angeschlossen. Dies erfolgt sowohl in zahlreichen kleineren Anlagen auf Dächern oder an Fassaden von Häusern als auch in einigen größeren auf Freiflächen installierten Solarzellenkraftwerken (z. B. Kobern-Gondorf, Neurather See) und in größeren gebäudeintegrierten Anlagen (z. B. Messe München, Fortbildungsakademie Mont Cenis). In Deutschland waren Ende 2000 bereits mehr als 20 000 Kleinanlagen und auch zahlreiche größere Anlagen mit einer Gesamtleistung von etwa 96,5 MW installiert. Im energiewirtschaftlichen Sinn ist die Photovoltaik damit zwar immer noch wenig bedeutsam, im Vergleich zu den anderen Techniken der Stromerzeugung auf der Basis erneuerbarer Energien weist sie aber die höchsten Wachstumsraten auf. Dabei ist nicht nur bemerkenswert, dass sich die installierte Photovoltaikleistung in nur fünf Jahren verachtfacht hat. Zudem ist in Deutschland in den letzten Jahren eine Vielzahl von neuen Produktionsstätten errichtet worden (Tabelle 1). Die technische Verfügbarkeit der photovoltaischen Stromerzeugung kann heute als hoch bezeichnet werden. Die Lebensdauererwartung von Solarzellen liegt heute bei mindestens 25 Jahren.
Solarkraftwerke arbeiten auf der Basis konzentrierender Kollektoren. Dabei wird die Solarstrahlung gebündelt und auf ein Wärmeträgermedium übertragen. Über eine Dampfturbine wird die Wärme letztlich in elektrische Energie umgewandelt. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen den Solartürmen (solarthermisches Turmkraftwerk) und Solarfarmen (solarthermisches Parabolrinnenkraftwerk). Beim Solarturm bündeln viele Parabolspiegel die Solarstrahlung auf einen punktförmigen Absorber an der Spitze eines Turmes und erzielen damit eine 300- bis 500fach höhere Strahlungsintensität. Den Wärmetransport zum Dampferzeuger übernimmt ein flüssiges Salzgemisch. Bei Parabolrinnenkraftwerken erfolgt eine 40- bis 80fache Konzentration der Solarstrahlung mit rinnenförmig angeordneten, parabolförmig gebogenen Spiegeln und einem öldurchflossenen Absorberrohr im Mittelpunkt. Den Solarkraftwerken werden außerdem die sehr robusten und wenig störanfälligen Aufwindkraftwerke zugeordnet. Hier erhitzt sich unter einem Zeltdach Luft, die vergleichbar den Effekten in einem Schornstein aufsteigt und dabei einen im Luftkanal angeordnete Windturbine antreibt.
Im Gegensatz zu Solarzellen können Solarkraftwerke nur die direkte Sonneneinstrahlung nutzen. Ihr Einsatzbereich ist daher auf den Sonnengürtel der Erde (im Allgemeinen bezeichnet man damit die Länder zwischen dem 30. Breitengrad nördlicher und dem 30. Breitengrad südlicher Breite) beschränkt. Um auch außerhalb der strahlungsreichen Zeit voll betriebsbereit zu sein, können sie mit einer fossilen Zufeuerung ausgerüstet werden (Hybridkraftwerk). Während Parabolrinnenkraftwerke in Kalifornien seit einigen Jahren kommerziell zur Anwendung kommen (dort ist insgesamt eine elektrische Leistung von rund 350 MW installiert), beschränkt sich die Nutzung von Turmkraftwerken bis heute im Wesentlichen auf Demonstrations- und Pilotanlagen. In sonnenreichen Gegenden stehen Solarkraftwerke aber an der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit. Sie können unter den gegebenen Randbedingungen die elektrische Energie deutlich kostengünstiger bereitstellen als Solarzellen. Weltweit liegen derzeit mehr als 50 Machbarkeitsstudien für derartige Kraftwerke vor, die auf ihre Realisierung warten (z. B. in Indien, Marokko und auf Kreta).
Im Bereich der Solarkraftwerke gibt es eine Vielzahl von Entwicklungslinien. So wird z. B. die Einbindung von Solarstrahlung in den hocheffizienten Gas- und Dampfturbinenprozess (GuD-Kraftwerke) untersucht. Darüber hinaus können neben den Großkraftwerken auf Turm- oder Farmbasis auch so genannte Dish-Stirling-Anlagen auf dezentraler Ebene zur Anwendung kommen. Bei derartigen Anlagen wird mithilfe beschichteter Membranhohlspiegel aus dünnem Stahlblech im Brennfleck ein Stirlingmotor mit Generator angetrieben.
Sonnenkollektoren werden heute v. a. als Flach- und Vakuumkollektoren ausgeführt. Sie dienen im Wesentlichen zur Wärmebereitstellung im Niedertemperaturbereich ( 100 ºC) einzelner Gebäude. Dabei decken sie im Allgemeinen nur den Grundlastbedarf ab und werden zu Zeiten hoher Nachfrage durch konventionelle Heizkessel unterstützt. Darüber hinaus gewinnen solare Nahwärmesysteme mit saisonaler Speicherung zur Versorgung ganzer Wohnkomplexe zunehmend an Bedeutung. In unterirdischen Langzeitspeichern wird das bis auf 95 ºC erwärmte Wasser in Zeiten geringerer Nachfrage gesammelt und gespeichert und in Zeiten hoher Nachfrage und unzureichendem Solarstrahlungsangebot zur Warmwasserbereitung genutzt. Hierdurch wird ein ganzjähriger Beitrag des solaren Systems zur Energiebereitstellung ermöglicht.
Insbesondere für die Warmwasserbereitstellung von Schwimmbädern (Beckenwassererwärmung) sind solarthermische Kollektorsysteme heute schon wirtschaftlich einsetzbar. In Deutschland waren Ende 2000 rund 2,9 Mio. m2 Kollektorfläche installiert. Neben der solaren Wärmebereitstellung können Sonnenkollektoren in Kombination mit Absorptionskälteanlagen auch zur Klimatisierung oder zu Kühlzwecken eingesetzt werden. Entsprechende Anlagen sind derzeit in der Erprobung beziehungsweise zum Teil bereits im kommerziellen Einsatz. Der Vorteil dieser Anwendungsform ist die meteorologisch bedingte weitgehende Gleichzeitigkeit von Energieangebot und Energienachfrage.
Die Nutzung der Windenergie hat eine lange Tradition und bereits einen hohen technischen Standard erreicht. Windkraftwerke bremsen die bewegten Luftmassen ab und wandeln einen Teil der kinetischen Energie in mechanische und über einen mechanisch-elektrischen Energiewandler letztlich in elektrische Engergie um. Sie arbeiten nach dem Widerstands- oder Auftriebsprinzip. Während in den 80er-Jahren v. a. Windkraftwerke aus dem Leistungsbereich unterhalb von 100 kW zur Anwendung kamen und Mitte der 90er-Jahre vorzugsweise Anlagen mit 500-600 kW elektrischer Leistung installiert wurden, hat sich heute die Konvertertechnik oberhalb von 1 MW installierter Leistung voll etabliert. Inwieweit sich der Trend der Leistungssteigerung auch in Zukunft fortsetzen wird, bleibt angesichts der hiermit verbundenen zunehmenden Materialanforderungen abzuwarten.
Die dem Wind entziehbare Leistung steigt proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit und linear mit der Querschnittsfläche des Rotors. Eine windtechnische Stromerzeugung ist daher auf windhöffige Standorte begrenzt. Günstige Bedingungen liegen bei Standorten mit einer jahresmittleren Windgeschwindigkeit von mehr als 4 m/s vor. In Deutschland betrifft dies im Wesentlichen die Küstengebiete sowie die Mittelgebirgslagen. Die neue Generation der Windenergiekonverter mit hohen Türmen ermöglicht aber auch zunehmend eine windtechnische Stromerzeugung im Binnenland. Darüber hinaus werden Windkraftwerke zum Teil bereits der Küste vorgelagert im Meer installiert (so genannte Offshoreanlagen im Gegensatz zu Onshoreanlagen auf der Landfläche). Diese nutzen das dort vorliegende, gegenüber den Landflächen deutlich günstigere Windenergieangebot. Zu den Pionieren auf diesem Gebiet zählen Dänemark, die Niederlande und Schweden.
Seit 1990 hat sich die installierte windtechnische Leistung in Deutschland von 62 MW auf 6 095 MW Ende 2000 fast verzehnfacht. Ende 2000 waren 9 359 Anlagen in Betrieb, Tendenz steigend. Während die Windenergie im bundesdeutschen Mittel ihren Stromerzeugungsanteil auf 2,4 % erhöhen konnte, liegt dieser Anteil in den Küstenländern, in denen die überwiegende Zahl der Windkraftwerke installiert ist, deutlich höher (beispielsweise knapp 17 % in Schleswig-Holstein). Deutschland ist damit weltweit das Land mit der höchsten installierten windtechnischen Leistung. An zweiter Stelle liegen die USA, gefolgt von Spanien und Dänemark.
Sehr hohe Potenziale der Windenergie und zunehmende Wachstumsraten sind auch in vielen Entwicklungsländern gegeben (z. B. Indien). Windkraftwerke können gerade in diesen Ländern dazu beitragen, das bestehende Leistungsdefizit ökologisch verträglich zu senken.
Die Sonneneinstrahlung hält auf der Erde einen Wasserkreislauf in Gang. Wasser verdunstet und fällt als Regen wieder auf die Erdoberfläche zurück. Aufgrund der relativen Höhenunterschiede der einzelnen Landflächen führt dies zu einer nutzbaren potenziellen Energie, die in Wasserkraftwerken ausgeschöpft wird.
Wasserkraftwerke werden weltweit und seit langem im großtechnischen Maßstab und mit hoher Zuverlässigkeit betrieben. Der Anteil der Wasserkraft an der Stromerzeugung liegt heute weltweit bei etwa 19 %. In Deutschland sind derzeit rund 300 größere Wasserkraftwerke (> 1 MW) und etwa 4 500 kleine Wasserkraftwerke installiert. Die korrespondierende Stromerzeugung lag 1999 bei 19,7 Mrd. kWh und damit bei knapp 5 % der gesamten deutschen Stromerzeugung. Die Wasserkraft ist damit in Deutschland nach wie vor die bedeutendste Form der Nutzung erneuerbarer Energien. Zudem ist eine Wirtschaftlichkeit an den meisten Standorten gegeben. Die hohen Anfangsinvestitionen in eine Wasserkraftanlage werden durch die lange Lebensdauer der Anlagen und das weitgehend kontinuierliche Energieangebot kompensiert.
Das technische Potenzial der Wasserkraftnutzung ist in Deutschland bereits zu mehr als 75 % ausgeschöpft. Die Errichtung neuer, größerer Wasserkraftwerke trifft zudem, infolge der Eingriffe in das Fluss- und Landschaftssystem, zunehmend auf Widerstände. Jedoch können zahlreiche in der Vergangenheit stillgelegte Anlagen reaktiviert und modernisiert sowie neue Klein- beziehungsweise Kleinstwasserkraftwerke gebaut werden.
Neben den Laufwasserkraftwerken können zusätzlich auch Speicherwasserkraftwerke (mit natürlichem Zulauf) zur Stromerzeugung beitragen. Außerdem werden Pumpspeicherkraftwerke zur Speicherung von elektrischer Engergie im großen Umfang genutzt. In diesen Kraftwerken wird elektrische Energie in Zeiten geringer Nachfrage als potenzielle Energie (Hochpumpen von Wasser) gespeichert, die dann in Zeiten größerer Nachfrage wieder zur Verfügung gestellt wird (Stromerzeugung über Wasserturbinen).
Wellen- und Gezeitenenergie, Meereswärme:
Die Nutzbarkeit von Wellen- und Gezeitenenergie zur Energiebereitstellung ist stark von den örtlichen Gegebenheiten abhängig und nur an einzelnen Standorten möglich. Die Potenziale sind weltweit aber insgesamt sehr begrenzt. Auch die Nutzung der Meereswärme in den tropischen Regionen wird diskutiert. In Deutschland scheidet die Nutzung der Gezeitenenergie aufgrund des zu geringen Tidenhubes und wegen zu geringer Meerestemperaturen aus. Dagegen könnte die Wellenenergie zukünftig lokale Bedeutung erlangen.
Biogene Energieträger:
Biogene Energieträger fallen in vielfältiger Form als Reststoffe (in der Forst- und Landwirtschaft, als organische Müllfraktionen, Klärschlämme und Deponiegase) an beziehungsweise können über einen Energiepflanzenanbau bereitgestellt werden. Für die einzelnen biogenen Energieträger sind eine Vielzahl von Nutzungsmöglichkeiten verfügbar, die durch eine mehr oder weniger effiziente Energieausnutzung gekennzeichnet sind.
Feste biogene Energieträger, z. B. Reststoffe aus der Forstwirtschaft (Waldrestholz) und aus der landwirtschaftlichen Bodennutzung (Stroh), Resthölzer aus der Industrie sowie Energiepflanzen, können in einfachen Kaminen, Einzelöfen und kleineren Kesseln zur Wärmeerzeugung verwendet werden. Ein effektiverer Einsatz ist in Hackschnitzelfeuerungsanlagen und in Heiz- beziehungsweise Blockheizkraftwerken möglich. Darüber hinaus können feste biogene Energieträger auch in bestehenden Kraftwerken (insbesondere in kohlegefeuerten Anlagen) mitverbrannt werden. In Großanlagen wird die Stromerzeugung auf der Basis biogener Energieträger bereits heute praktiziert, ist aber zumeist durch geringe elektrische Wirkungsgrade gekennzeichnet. Eine deutliche Verbesserung ist durch die Weiterentwicklung und Markteinführung von Holz- und Strohvergasungssystemen zu erwarten, die eine Nutzung biogener Energieträger in kleineren dezentralen Kraft-Wärme-gekoppelten Anlagen mit hohen Anlagennutzungsgraden ermöglichen. Zahlreiche Demonstrationsanlagen sind bereits in Betrieb.
Organische Hausmüllfraktionen können durch anaerobe Zersetzungsprozesse (Fermentation) in den gasförmigen Zustand überführt werden (methanhaltiges Biogas). Im Vergleich zur Kompostierung, bei der ausschließlich Niedertemperaturwärme energetisch genutzt werden kann, bietet die Gaserzeugung die Möglichkeit des nachgeschalteten Einsatzes von Gasmotoren mit Abwärmenutzung. Über das organische (Haus-)Müllaufkommen hinaus sind auch andere gewerbliche organische Abfallprodukte (z. B. Frittierfette) als biogene Energieträger verwendbar. Ebenso können Klärschlämme und tierische Exkremente in Bioreaktoren zu Klär- beziehungsweise Biogas umgewandelt werden.
In Deutschland waren Ende 1999 rund 1 090 Biomasseanlagen in Betrieb, die bei einer Leistung von knapp 450 MW etwa 1 170 Mio. kWh in das öffentliche Netz einspeisten.
Das Erdinnere besitzt eine deutlich höhere Temperatur als die Erdoberfläche. Diese geothermische Energie kann unter bestimmten Bedingungen durch Bohrungen erschlossen und aufgrund ihres geringen Temperaturniveaus für die Warmwasser- und Raumwärmebereitstellung genutzt werden. Interessant sind dabei v. a. Gesteine, die wasser- oder wasserdampfgefüllt sind (Aquifere) und leicht erschlossen werden können.
Geothermische Vorkommen mit hohen Temperaturen (> 150 ºC) können außerdem für die Stromerzeugung genutzt werden. Derartige Gegebenheiten liegen jedoch nur vor, wenn durch Bohrungen zugängliche Anomalien in den Erdschichten verfügbar sind (z. B. Magmaintrusionen vulkanischen Ursprungs). Das größte geothermische Kraftwerk mit einer Gesamtleistung von 900 MW befindet sich derzeit in Geysers (Kalifornien).
Neben der Erschließung von Erdwärmevorkommen natürlichen Ursprungs versucht man heute auch künstliche Hohlkörper im Erdinnern zu schaffen. Beim Hot-dry-Rock-Verfahren wird durch ein Bohrloch in mehreren Tausend Metern Tiefe kaltes Wasser mit hohem Druck in den abzukühlenden Gesteinsbereich gepresst. Unter dem hohen Druck wird die Scherfestigkeit des Gesteins überschritten und das Gestein hydraulisch gebrochen. In den entstehenden zahlreichen Klüften und Spalten kann das Wasser dem Gestein die Wärmeenergie entziehen und über ein zweites Bohrloch wieder an die Erdoberfläche transportiert werden.
In Deutschland wird derzeit an rund 24 Orten Erdwärme für die Warmwasserbereitung und Beheizung von Gebäuden herangezogen. Die erschlossene thermische Leistung beträgt mehr als 50 MW. In Baden-Württemberg werden außerdem Versuche mit dem Hot-dry-Rock-Verfahren durchgeführt.
Umweltwärme:
Die Erdoberfläche wird durch die Sonneneinstrahlung auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Diese Wärmeenergie in Luft, Erdboden, Fluss- und Grundwasser kann über Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung beitragen, indem sie auf ein höheres Temperaturniveau angehoben wird. Wärmepumpen arbeiten dabei nach dem Kühlschrankprinzip. Einem im Kreislauf geführten Arbeitsmittel wird Wärme aus der Umgebung zugeführt, wodurch es in die gasförmige Phase übertritt. In einem Verdichter wird das Gas erwärmt, in einem Kondensator kondensiert und dabei nutzbare Wärme freigesetzt. Wärmepumpen benötigen zum Betrieb mechanische Energie, die entweder über Gasmotoren oder elektrische Antriebe bereitgestellt werden muss. Aus diesem Grund können sie nicht vollständig den erneuerbaren Energien zugeordnet werden. Hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit muss geprüft werden, wieviel Einheiten Wärmemenge pro elektrischer oder mechanischer Energieeinheit erzeugt werden können. Gute Bedingungen für dieses als Arbeitszahl bezeichnete Verhältnis liegen dann vor, wenn sich Werte über 3,5 ergeben. Zudem ist darauf zu achten, dass in Wärmepumpen keine Arbeitsmittel zum Einsatz kommen, die zu einer Schädigung der Ozonschicht beitragen (z. B. FCKW). Ersatzstoffe sind bereits erprobt und auf dem Markt verfügbar. -In Deutschland sind heute etwa 60 000 Wärmepumpen in Betrieb.
Charakteristik des erneuerbaren Energieangebotes
Energieflussdichte und Flächenbedarf:
Die Energieflussdichte, das heißt die Energiebereitstellungsmöglichkeit bezogen auf die genutzte Fläche, der erneuerbaren Energien ist meist geringer als bei den herkömmlichen Formen der Energiebereitstellung. Dies führt häufig zu einem spezifisch hohen Flächenbedarf. Solarzellen benötigen beispielsweise eine Fläche von bis zu 20 000 m2 für die Erzeugung von 1 Mio. kWh elektrischer Energie. Der Vergleichswert für ein Steinkohlekraftwerk liegt bei einem Flächenbedarf (Betriebsgelände des Kraftwerks sowie Flächenbedarf für Bergbau und Kohlehalden) von unter 700 m2/Mio. kWh. Für die Windenergie schwankt der Flächenbedarf je nach Windverhältnissen und Konvertergröße zwischen 250 und 2 500 m2/Mio. kWh. Bei der Wasserkraftnutzung ist der Flächenbedarf mit 3-22 m2/Mio. kWh deutlich niedriger als etwa bei einem Kohlekraftwerk.
Verfügbarkeit und Versorgungssicherheit:
Hinsichtlich der Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien ist zwischen den Energieformen zu unterscheiden, die aufgrund der meteorologischen Gegebenheiten ein zeitlich deutlichen Schwankungen unterworfenes Energieangebot aufweisen und denjenigen, die entweder über eine geringe Schwankungsbreite verfügen beziehungsweise ein flexibles (weil speicherbares) Energieangebot ermöglichen. Zu Ersteren gehören insbesondere die photovoltaische und die windtechnische Stromerzeugung, die v. a. im Minuten- und Stundenbereich durch ausgeprägte Schwankungen gekennzeichnet sind. Darüber hinaus weist die Stromerzeugung aus Sonnenenergie einen ausgeprägten Tages- und Jahresgang auf.
Die Schwankungen im Energieangebot führen für diese Anlagen zu einer im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken geringeren Versorgungssicherheit. Die gesicherte Leistung, das heißt der so genannte Kapazitätseffekt schwankt dabei in Abhängigkeit der Jahres- und Tageszeit bei Windkraftwerken zwischen 3 und 17 % und bei Solarzellen zwischen 0 und 40 %. Im Jahresmittel liegt der Kapazitätseffekt für beide Energieformen im Bereich einiger weniger Prozent. Im Gegensatz dazu weist die Wasserkraft eine gesicherte Leistung von 35 bis 70 % auf.
Die Versorgungssicherheit der ein wechselndes Energieangebot aufweisenden Stromerzeugungsoptionen kann durch die Installation von Speichersystemen oder die Kombination mit anderen Stromerzeugungseinrichtungen (z. B. Dieselgeneratoren) deutlich erhöht werden. Während Speichersysteme für Strom heute einen großen Aufwand erfordern und zu hohen zusätzlichen Kosten führen, haben kombinierte Solar-Diesel- oder Wind-Diesel-Systeme insbesondere bei der dezentralen Stromerzeugung in nicht elektrifizierten Regionen der Erde eine hohe Bedeutung. Außerdem führt die Kombination unterschiedlicher erneuerbarer Energien und die regionale Verteilung der Anlagen aufgrund der jeweils unterschiedlichen Charakteristik zu spürbaren Ausgleichseffekten des Energieangebots und damit zu einer spezifisch höheren Versorgungssicherheit. In Deutschland speisen heute die meisten Anlagen den erzeugten Strom in das öffentliche Netz ein, das als Puffer für die Angebotsschwankungen wirkt. Die diesbezügliche Grenze der Aufnahmekapazität des bundesweiten Netzes wird auf rund 15 % Anteil fluktuierender Quellen geschätzt.
Umweltauswirkungen:
Die erneuerbaren Energien können im Vergleich zu den konventionellen Methoden der Strom- und Wärmebereitstellung als vergleichsweise umweltverträglich eingestuft werden. Die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien ermöglicht eine Verringerung der Umweltbelastung sowohl auf globaler Ebene (z. B. Klimaveränderungen, Risiken der Kernenergie) als auch auf lokaler Ebene (z. B. Luftverschmutzung durch lokale Schadstoffbelastung, bergbauliche Schäden und Beeinflussung des Grundwasserhaushaltes durch den Tagebau, Veränderung des Mikroklimas durch Kühlturmschwaden). Problematisch erweisen sich v. a. bei den Solarzellen der heute noch teilweise hohe Energieverbrauch für die Herstellung sowie ihr spezifisch hoher Flächenbedarf. Für die Windenergie sind die Auswirkungen hinsichtlich Lärmbelästigung, Schattenwürfen, Beeinflussung von Brutverhalten und Vogelflug sowie die Eingriffe in das Landschaftsbild durch eine optimierte Planung und Einpassung der Anlagen in die örtlichen Gegebenheiten zu minimieren. Für die Nutzung der Biomasse ist die lokale Schadstoffbelastung bei der Verbrennung biogener Brennstoffe zu beachten. Kritisch werden auch große Wasserkraftprojekte (z. B. Drei-Schluchten-Staudamm am Jangtsekiang) gesehen, die mit massiven Umsiedlungen verbunden und deren ökologische Folgeschäden ungeklärt sind.
Abhilfe für negative Umweltauswirkungen können v. a. technische Neuerungen (z. B. Schadstoffrückhaltesysteme bei der Verbrennung fester biogener Energieträger) und umsichtige Planungen (z. B. Ausweisung von Tabu- und Vorrangflächen für die Windenergie auf lokaler und regionaler Ebene) unter Einbeziehung der beteiligten Akteure schaffen.
Der kumulierte Energieaufwand für kristalline Solarzellen (photovoltaische Stromerzeugung) liegt heute zwischen 0,24 und 0,85 kWh (Primärenergie)/kWh (elektrische Energie). Dies führt zu energetischen Amortisationszeiten in der Größenordnung von 3 bis 9 Jahren, das heißt in diesem Zeitraum haben die Solarzellen die Energiemenge bereitgestellt, die für ihre Herstellung zuvor aufgewendet worden ist. Zukünftig werden daher v. a. neue und effizientere Herstellungsverfahren sowie der zunehmende Übergang auf neuartige Zellenarten (z. B. Dünnschichtzellen, Grätzelzellen) zu einer deutlichen Verringerung der energetischen Amortisationszeiten beitragen müssen. Für diese Solarzellen werden Amortisationszeiten von rund 1 Jahr für möglich gehalten. Derartige und zum Teil geringere Amortisationszeiten weisen andere Techniken zur Nutzung erneuerbarer Energien heute bereits auf.
Die technischen Potenziale zur Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland
Die technischen Potenziale beschreiben die Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Energien, die in Deutschland gegeben sind, wenn alle verfügbaren, das heißt »geeigneten«, Flächen für die Energiebereitstellung herangezogen werden. Sie stellen damit die theoretische obere Grenze der Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Energien dar und lassen andere Bewertungsfaktoren (insbesondere die Wirtschaftlichkeit) zunächst unberücksichtigt. Die technischen Potenziale der Stromerzeugung auf der Basis erneuerbarer Energien liegen in Deutschland insgesamt etwa in der Größenordnung des inländischen Nettostromverbrauchs (Tabelle 2). Bezogen auf den Endenergiebedarf an Brennstoffen ermöglichen die Nutzungsoptionen erneuerbarer Energien zur Wärmebereitstellung eine Abdeckung von rund 70 %.
Die in der Tabelle aufgeführten Potenziale geben die technisch möglichen Erzeugungspotenziale wieder. Die tatsächlich realisierbaren Endenergiepotenziale sind z. B. aufgrund von Transport- und Speicherverlusten, der erforderlichen Anpassung an den Nachfrageverlauf sowie der zum Teil auftretenden konkurrierenden Flächennutzungen (Belegung der Dachflächen mit Solarzellen oder mit Solarkollektoren) sowie wirtschaftlichen Randbedingungen geringer. Andererseits können zukünftige technische Anlagen- und Komponentenverbesserungen zu einer Erhöhung des Potenzials führen.
Wirtschaftlichkeit der Nutzung erneuerbarer Energien
Obwohl der mögliche Beitrag der erneuerbaren Energien zur Minderung der CO2-Emissionen weitgehend anerkannt ist, sind neben strukturellen Problemen (z. B. andauernde Überkapazitäten und fehlende Investitionsanreize in der Stromwirtschaft) v. a. die zum Teil noch vergleichsweise hohen Kosten das wesentliche Hemmnis für ihre verstärkte Nutzung. Die Tabellen 3 und 4 geben einen Überblick über die derzeitige Kostensituation der Strom- und Wärmebereitstellung.
Im Bereich der Stromerzeugung ist heute v. a. die Wasserkraftnutzung wirtschaftlich. Dies gilt insbesondere für die Reaktivierung und Modernisierung von bestehenden Altanlagen. Auch die windtechnische Stromerzeugung ist derzeit an günstigen Standorten konkurrenzfähig. Bei jahresmittleren Windgeschwindigkeiten von oberhalb 5 m/s liegen die durchschnittlichen Stromgestehungskosten häufig unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Einspeisevergütung (rund 17,8 Pf/kWh im Jahr 2000). Demgegenüber ist die photovoltaische Stromerzeugung heute noch um den Faktor 5 bis 10 teurer als eine konventionelle Stromerzeugung. Die Strombereitstellung aus Biogas liegt an der Schwelle der Wirtschaftlichkeit. Auch die Wärmebereitstellung aus biogenen Brennstoffen ist vielfach schon konkurrenzfähig. Die wirtschaftliche Nutzung solarthermischer Systeme beschränkt sich derzeit noch auf Nischenbereiche (z. B. solare Schwimmbadbeheizung). Allerdings ist bei der dargestellten Kostenbewertung der beträchtliche externe Nutzen (vermiedene Umweltschäden) noch nicht berücksichtigt.
Trotz der bereits in der Vergangenheit erreichten Kostensenkungen (bei der Windenergie haben sich die spezifischen Investitionserfordernisse innerhalb von 10 Jahren halbiert) wird es in Zukunft zu der aus Klimaschutzgründen notwendigen deutlichen Ausweitung der Nutzung von erneuerbaren Energien nur kommen, wenn weitere Kostenminderungen erreicht werden können. Hierzu bedarf es einer konsequenten Ausgestaltung der staatlichen Rahmenbedingungen und der Durchführung von Förder- und Markteinführungsprogrammen.
Zukünftige Bedeutung der erneuerbaren Energien
Folgt man den Trendentwicklungen der letzten Jahre, dann wird sich der Energieverbrauch weltweit weiter erhöhen. Ausgehend von rund 9,5 Gtoe (bei der Beschreibung des globalen Energiesystems wird häufig die Einheit Tonnen Öläquivalent [toe] benutzt: 1 toe entspricht 11 630 kWh) 1995 könnte er 2020 bereits zwischen 13,6 und 15,4 Gtoe und 2050 zwischen 19,8 und 24,8 Gtoe liegen. Dies sind die Trenderwartungen des Weltenergierates, die er 1995 in Tokio und in vergleichbarer Weise 1998 in Houston formuliert hat. Mit einer derartigen Entwicklung würden insbesondere die Forderungen der Klimawissenschaftler, die sich weltweit im Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) zusammengeschlossen haben, nach einer Halbierung des Ausstoßes von Kohlendioxid (CO2) bis zur Mitte des nächsten Jahrhunderts nicht erfüllt werden können. Im Gegenteil, die CO2-Emissionen würden weiter ansteigen und im Jahr 2050 — je nach Randbedingungen — bis zu doppelt so hoch sein wie heute. Eine Begrenzung der hiermit verbundenen Klimaveränderungen auf ein für die Ökosysteme der Erde verträgliches Maß wäre dann nicht mehr möglich.
Diese Trendentwicklung ist aber nach Aussagen der gleichen Organisation noch grundsätzlich umkehrbar. Die Vermeidung katastrophaler globaler Klimaveränderungen und der Umstieg in ein risikoarmes und dauerhaftes Energiesystem erfordern jedoch eine Strategie der forcierten Effizienzsteigerung und die konsequente Markteinführung erneuerbarer Energien. In seinem Szenario C1 hat der Weltenergierat skizziert, wie eine Langfriststrategie des Klimaschutzes auch dann noch möglich ist, wenn mittelfristig auf die Nutzung der Kernenergie verzichtet wird. Die Umsetzung dieser Strategie wird von dem WEC als ebenso realisierbar eingeschätzt wie die anderen von ihm beschriebenen Szenarien. Aufgrund des hier einbezogenen Ausbaus der Kernenergie zur Abdeckung des steigenden Energieverbrauchs sind diese aber mit wachsenden Risiken verbunden. Auch aus ökonomischer Sicht weist das risikominimierende WEC-Szenario C1 sogar eher Vorteile auf.
Der Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch, der im Vergleich zu den Trendbedingungen außerdem durch die Durchführung umfangreicher Energiesparmaßnahmen deutlich reduziert werden muss, liegt danach ausgehend von 17,7 % im Jahr 1995 im Jahr 2020 bei 21 % und im Jahr 2050 bei knapp 40 %. Langfristig muss er auf 80 % steigen, um die globale Erwärmung in tolerablen Grenzen halten zu können. Im Gegensatz dazu erhöht sich der Anteil der erneuerbaren Energien an der Bedarfsdeckung unter Trendbedingungen nur geringfügig gegenüber dem heutigen Niveau (rund 22,2 % im Szenario B des WEC im Jahr 2050). Die Realisierbarkeit eines derartigen Prozesses wurde auch für Deutschland in verschiedenen Szenarioanalysen beschrieben. Nach dem Szenario »Solare Energiewirtschaft« des DLR in Stuttgart wird z. B. dargestellt, dass nicht nur unser Energiebedarf bis zum Jahr 2050 um rund 40 % gesenkt werden muss, sondern dass die verbleibende Energienachfrage auch zu mehr als zwei Dritteln durch den Einsatz erneuerbarer Energien gedeckt werden muss. Nur dann wird es gelingen, die Vorgabe der Klima-Enquête- Kommission des Deutschen Bundestages zu erfüllen, nämlich den CO2- Ausstoß bis zur Mitte diesen Jahrhunderts um 80 % zu reduzieren.
Grundsätzlich gilt in technischer sowie in ökonomischer Hinsicht: Die forcierte Erhöhung der Umwandlungswirkungsgrade auf der Nachfrage- und Angebotsseite sowie die Verringerung des Nutzenergiebedarfs bei der Bereitstellung von Energiedienstleistungen (z. B. durch Wärmedämmung) schafft für die erneuerbaren Energien den erforderlichen Handlungsspielraum und reduziert damit auch die Kosten für den Einsatz heute noch teurer Technologien. Umgekehrt kann auch der verstärkte Ausbau der erneuerbaren Energien vor Ort zu einer Effizienzsteigerung beziehungsweise zu einer Energieeinsparung beim Anwender führen. Dies haben empirische Untersuchungen z. B. für die Installation von Photovoltaikanlagen in Deutschland nachgewiesen.
Die technischen Potenziale für den erforderlichen Ausbau der erneuerbaren Energien sind hoch genug. Ihre Ausschöpfung scheitert heute aber noch an einer Vielzahl von strukturellen, ökonomischen und institutionellen Hemmnissen. Diese können mittelfristig nur über eine konsequente Energie- und Klimaschutzpolitik überwunden werden, indem sektor- und zielgruppenspezifische Markteinführungs-, Anreiz-, Informations-, Beratungs- und Weiterbildungsprogramme für erneuerbare Energien und Energieeinsparung, die in einem effektiven Klimaschutzpfad untrennbar zusammengehören, aufgelegt werden. Den erneuerbaren Energien kann damit sowohl technologisch als auch ökonomisch zum Durchbruch und Deutschlandzu einer Spitzenposition in diesem Technologiebereich verholfen werden. Dabei steht Deutschland (neben den anderen Industrieländern) auch in der Verantwortung gegenüber den Ländern des Südens, die aufgrund der Klimaproblematik ihren zukünftigen Energieverbrauch zu wesentlichen Teilen auf der Basis erneuerbarer Energien decken müssen. Dies werden sie nur dann tun können, wenn die Einsatzreife, Modernität und Finanzierbarkeit dieser Techniken in den Industrieländern demonstriert wurde.
Für Deutschland ergibt sich hierdurch die Chance, international eine gute Ausgangsbasis für die Erschließung dieser Zukunftsmärkte zu sichern und zusätzliche qualifizierte und innovative Arbeitsplätze zu schaffen. Diese Chancen werden derzeit von der Energiepolitik und der Energiewirtschaft noch nicht ausreichend wahrgenommen.
Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie v. a. auch in den folgenden Artikeln:
Blockheizkraftwerk · Elektrizitätswirtschaft · Energieforschung · Energiepolitik · Energiesparen · Energiewirtschaft · Kraft-Wärme-Kopplung · Photovoltaik · Solararchitektur · Solarkraftwerk · Solartechnik · Solarzelle · Sonnenenergie · Sonnenkollektor
G. Altner u. a.: Zukünftige Energiepolitik (1995);
Mehr Zukunft für die Erde, hg. v. der Enquête-Kommission Schutz der Erdatmosphäre (1995);
R. Weber: E. E. Energieformen, Nutzungstechniken, Umwelteinflüsse (Vaduz 21995);
Jb. E. E. hg. v. F. Staiß (2000);
Energiedaten 2000, hg. v. Bundesministerium für Wirtschaft (2000);
M. Fischedick u. a.: Nach dem Ausstieg:Zukunftskurs e. E. (2000).
Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:
erneuerbare Energien: Aufbruch ins solare Zeitalter
erneuerbare Energien: Nutzung der Sonnenenergie
erneuerbare Energien: Windenergie
erneuerbare Energien: Perspektiven der Nutzung
Energieversorgung: Viele Wege führen zur Nutzenergie
Energieversorgung: Koexistenz verschiedener Energietechniken
Universal-Lexikon. 2012.