Letze Woche haben wir hier die konventionellen Energieträger wie Kohle, Gas oder Öl vorgestellt. Nun geht es hier weiter mit den zukünftigen Energiequellen, den Regenerativen, oder auch Alternativen. Viel Spass!
Sonnenenergie
Die Sonne sendet täglich 960 Billionen Kilowattstunden Energie auf die Erdoberfläche. Diese Energiemenge könnte den Weltenergiebedarf theoretisch 180 Jahre lang decken. Sonnenenergie ist eine nahezu unerschöpfliche Quelle, die noch geschätzte vier Milliarden Jahre zur Verfügung steht. Derzeit gibt es drei unterschiedliche Prinzipien, um Sonnenenergie zu nutzen: Solarthermie wird für die Unterstützung von Raumheizung und zur Brauchwassererwärmung verwendet. Zudem wird Solarthermie zur Erzeugung von Strom und
Prozesswärme genutzt. Durch die Erhitzung von Flüssigkeiten werden Dampfturbinen angetrieben, die Prozesswärme liefern und über Generatoren Strom erzeugen. Die Photovoltaik wird zur direkten Stromerzeugung eingesetzt. Deutschland ist bei der Nutzung von Sonnenenergie – auch dank hoher Subventionen – die weltweite Nummer eins. 2007 wurden in Deutschland 3,5 Terawattstunden
Sonnenstrom produziert. Das entspricht einem Anteil von 0,6 Prozent an der gesamten Stromerzeugung. Dazu kommen 3,7 Terawattstunden Heizenergie aus Sonnenkollektoren.
UMWANDLUNG IN STROM UND WÄRME
1 SOLARZELLEN | Dünnschicht-Solarzelle, Bifaciale Solarzelle, Konzentratorzelle
2 KOLLEKTOREN | Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren
3 KRAFTWERKE | Aufwind-, Solarturm-, Paraboloid-, Parabolrinnenkraftwerke
Photovoltaik
Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten Silizium, die Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandeln können. Ein Photovoltaikmodul besteht aus einem Verbund von mehreren Solarzellen. Diese produzieren auch bei bewölktem Himmel Strom und sind deswegen auch für Regionen mit geringer Sonneneinstrahlung geeignet. Der Wirkungsgrad kristalliner Siliziumsolarzellen hat mit 15 bis 19 Prozent derzeit sein Maximum erreicht – polykristalline Zellen erreichen in der Regel einen Wirkungsgrad um 15 Prozent, monokristalline Solarzellen um 19 Prozent. Aus diesem Grund ist ein Anstieg von Solarstrom vor allem durch die Nutzung größerer Flächen und über die Kostensenkung in der Großserienfertigung zu erreichen. Photovoltaikmodule haben die zur eigenen Herstellung benötigte Energie nach etwa drei Jahren produziert. Der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen befindet sich zwischen 6 und 12 Prozent. Dennoch spielen sie aufgrund deutlich geringerer Produktionskosten durch die Abkehr von Silizium als wesentlichem Halbleitermaterial die investierte Energie noch früher ein. Die Lebensdauer liegt bei mindestens 20 Jahren. Eines der größten Photovoltaikkraftwerke der Welt steht im bayerischen Arnstein und leistet 12,0 Megawattpeak (MWp). Der Anteil der Solarenergie am deutschen Primärenergiebedarf lag 2007 bei 0,00014 Prozent (Berechnung auf Basis der Zahlen von BMU).
VORTEILE
- keine CO2-Emissionen
- rasche energetische Amortisation
- wartungsfrei
- Lebensdauer mehr als 20 Jahre
- zentrale Energiequelle
NACHTEILE
- hohe Einstiegsinvestitionen nötig
- ohne Subventionen noch nicht konkurrenzfähig
- benötigt Schattenkraftwerke*
- Gleichstrom muss zur Einspeisung in Wechselstrom gewandelt werden
*Schattenkraftwerk: Kraftwerk, das Leistungsschwankungen von Wind- und Sonnenenergie ausgleicht und so die Grundlast im Stromnetz sichert.
Solarthermie
Solarkollektoren setzen Sonnenstrahlung in Wärme um. In sogenannten Vakuumröhrenkollektoren oder Flachkollektoren auf Hausdächern zirkuliert eine Trägersubstanz, die sich durch Sonneneinstrahlung auf bis zu 200 Grad Celsius erhitzt. 95 Prozent des Lichts kann in einem marktüblichen Kollektor in Wärme umgewandelt werden. In Röhrenkollektoren ist zusätzlich ein Spiegel integriert, der das Sonnenlicht auf einen Absorber konzentriert. Dadurch erreicht der Röhrenkollektor einen höheren Wirkungsgrad – auch bei diffusen Lichtverhältnissen. Bei beiden Kollektortypen wird die Wärme über die Trägersubstanz in Rohrleitungen aus dem Kollektor zu einem Warmwasserspeicher geführt. Ein Wärmetauscher überträgt die Energie der Trägerflüssigkeit auf das Brauchwasser oder speist Wärme in das Heizungssystem ein.
VORTEILE
- keine CO2-Emissionen
- rasche energetische Amortisation
- zentrale Energiequelle
NACHTEIL
- In Mitteleuropa ist im Winter eine zusätzliche Energiequelle notwendig
*Kilowattpeak (kWp): Maßeinheit für die maximale Leistung von Photovoltaikmodulen.
Ein Photovoltaikmodul mit einer Maximalleistung von 1 kWp erreicht bei idealen Bedingungen (optimale Außentemperatur, maximale Sonnen-einstrahlung) eine Leistung von einem Kilowatt.
Solarthermische Kraftwerke
In solarthermischen Kraftwerken wird das Sonnenlicht meist über parabolische Spiegel gebündelt und mit der über 100-fachen Energie auf
ein Trägermedium wie Thermo-Öl (Parabolrinnenkraftwerk), Salzschmelzen (Solarturmkraftwerk) oder Edelgase (Paraboloidkraftwerke) übertragen. Diese erreichen Temperaturen von 400 bis 2.500 Grad Celsius. Die Hitze des Trägermediums wird dann mit Hilfe von Dampfturbinen in elektrischen Strom und Prozessdampf umgewandelt. Das größte solarthermische Kraftwerk der Welt steht in der Wüste Kaliforniens. Das Parabolrinnenkraftwerk leistet 354 Megawatt und erzielt einen Strompreis von umgerechnet 12 Eurocent je Kilowattstunde. Aufwindkraftwerke zählen ebenfalls zu den Solarthermieanlagen, weil sie mit Hilfe des Sonnenlichts Luft unter einem Glasdach erwärmen. Die bis zu 70 Grad Celsius warme Luft entweicht über einen Turm und treibt dabei Turbinen an, die elektrischen Strom erzeugen. Die Nutzung von Solarthermie zur Stromerzeugung steht derzeit noch am Anfang, die meisten Anlagen sind noch im Prototypenstadium.
VORTEILE
- keine CO2-Emissionen
- liefern bis zu 800-mal mehr Strom als Photovoltaik
- liefern auch nachts Strom
NACHTEILE
- extrem hohe Investitionen nötig
- ohne Subventionen noch nicht konkurrenzfähig
- dezentrale Lage benötigt lange Übertragungswege
- nur in Gegenden mit sehr hoher Sonneneinstrahlung geeignet
ANGABEN AUF BASIS: Agentur für Erneuerbare Energien, Juni 2008
Geothermie
Die Erde ist ein gigantischer Energiespeicher. Wenige Meter unter der Oberfläche speichert sie die Wärme der Sonnenstrahlung, von innen
strahlt der 6.500 Grad Celsius heiße Erdkern Wärme in die äußeren Erdschichten ab. Bei Bohrungen ins Erdinnere steigt die Temperatur alle
100 Meter um etwa 3 Grad Celsius. In der Nähe von erloschenen Vulkanen herrschen zum Teil schon in 1.000 Meter Tiefe über 100 Grad Celsius. Mit Hilfe von Wärmepumpen kann man Erdwärme zum Heizen und zur Brauchwasserbereitung nutzen. 2007 haben in Deutschland etwa 300.000 Haushalte (BWP) auf diese Weise Heizenergie und Warmwasser gewonnen. In Geothermiekraftwerken werden heißwasserführende Schichten in 2.000 bis 3.000 Meter Tiefe angezapft (hydrothermale Geothermie).
Der aufsteigende Wasserdampf treibt Turbinen an, die Strom erzeugen. Das abgekühlte Wasser wird wieder in die Tiefe zurückgepumpt. Beim Hot-Dry-Rock-Verfahren werden etwa 200 Grad Celsius heiße, trockene Gesteinsschichten in 4.000 bis 5.000 Meter Tiefe angebohrt und mit Wasser geflutet. Das verdampfende Wasser strömt über Förderbohrungen unter hohem Druck zur Erdoberfläche und treibt im Kraftwerk stromerzeugende Turbinen an. Derzeit sind in Deutschland drei Geothermiekraftwerke in Neustadt-Glewe, Landau und Unterhaching am Netz. Die Stromleistung der Geothermiekraftwerke ist in Deutschland mit 400.000 Kilowattstunden pro Jahr derzeit unbedeutend. Auch die weltweite Stromproduktion ist mit 9.000 Megawatt noch sehr gering.
Geothermie als als Wärmequelle
VORTEILE
- keine CO2-Emissionen
- unerschöpfliche Energiequelle
- zum Heizen auch in geringen Tiefen ausreichend Wärme vorhanden
- keine Schwankungen wie bei Solarthermie
NACHTEILE
- Erdbohrung notwendig
- geologische Voraussetzungen nicht überall gegeben
Geothermische Kraftwerke
VORTEILE
- keine CO2-Emissionen
- Kraftwerke liefern auch nachts Strom
NACHTEILE
- hohe Investitionen nötig
- Zur Stromerzeugung sind sehr tiefe Bohrungen nötig
- Stromerzeugung trotz Subventionen nicht konkurrenzfähig
- geologisch-tektonische Probleme erschweren Anlagenbau
ANGABEN AUF BASIS: BMU: Erneuerbare Energie in Zahlen, Juni 2008 BWP: Bundesverband Wärmepumpe
Biomasse
Biomasse ist die vielseitigste erneuerbare Energiequelle: Sie liefert Wärme, Strom und Kraftstoffe. Zur Biomasse zählen Pflanzenreste und -abfälle aller Art, Holz, Energiepflanzen wie Raps oder Zuckerrohr sowie Gülle, Kuh- oder Hühnermist. Aus diesen organischen Stoffen wird über gesteuerte Zersetzungsprozesse Biogas gewonnen, durch chemische Prozesse Kraftstoff hergestellt oder durch Trocknung und Verpressen Festbrennstoff produziert.
Der nachwachsende Rohstoff gilt als klimaneutral, weil bei der Verbrennung nur so viel CO2 freigesetzt wird, wie zuvor durch das Pflanzenwachstum
gebunden wurde. Die Verbrennung von Biomasse liefert in Deutschland 87,5 Prozent der aus erneuerbaren Quellen stammenden Heizenergie. 83.000 deutsche Haushalte bezogen 2007 Wärme und Warmwasser durch Pelletheizungen (DEPV). Die Stromerzeugung aus fester und flüssiger Biomasse sowie aus Klär- und Biogas übertraf 2007 mit 23,8 Terawattstunden erstmals die von Wasserkraftwerken. Rund 3.500 Biogasanlagen produzieren in Deutschland Strom. Sie sind vor allem als lokale Minikraftwerke für landwirtschaftliche Betriebe geeignet. Groß dimensionierte Anlagen sind aus logistischen Gründen weniger umweltfreundlich – die Biomasse muss über weite Strecken transportiert werden, was die Umwelt belastet. Biokraftstoffe decken in Deutschland derzeit 7,6 Prozent des Kraftstoffbedarfs ab.
VORTEILE
- CO2-neutral
- liefert Strom, Wärme und Treibstoffe
- hohe Verfügbarkeit
- wächst nach
- Chance für die Landwirtschaft
NACHTEILE
- Anbau von Energiepflanzen verstärkt weltweite Nahrungsmittelknappheit und -teuerung
- Gefahr von zunehmender Überdüngung
- versteckte CO2-Emissionen durch Biomassetransport
- Förderung von Monokulturen
ANGABEN AUF BASIS: BMU: Erneuerbare Energie in Zahlen, Juni 2008 DEPV: Deutscher Energie-Pellet-Verband
WINDKRAFT
Windkraftanlagen nutzen die natürliche Luftbewegung zum Antrieb eines Rotors. Dessen Drehbewegung wird über ein Getriebe auf einen Generator übertragen, der elektrischen Strom produziert. „Onshore-Anlagen“ gewinnen die Windenergie auf dem Festland, „Offshore-Kraftwerke“ stehen im Meer und nutzen den konstanten Wind der Küstengebiete. Mit bis zu 65 Meter langen Rotorblättern erreichen die bis zu 500 Tonnen schweren Windräder eine Spitzenleistung von bis zu sechs Megawatt.
Dank gesetzlich geregelter Einspeisevergütung ist Deutschland heute der größte Windstromerzeuger der Welt. Mit 22.247 Megawatt ist Windenergie die größte Stromquelle aller erneuerbaren Energien. Fast 40 Terawattstunden speisten die Windräder 2007 ins deutsche Netz ein. Tendenz steigend: In Nord- und Ostsee sollen in den nächsten Jahren riesige Windparks entstehen. Ende 2007 wurden 19 Offshore-Projekte genehmigt, über 20 weitere Windparks sind geplant. Durch die Realisierung der beantragten Windparks könnte in den nächsten sieben Jahren allein in deutschen Küstengebieten eine Kapazität von rund 5.000 Megawatt hinzukommen, bis 2020 sind etwa 10.000 Megawatt angepeilt. Die Herstellung und Installation von Windkraftanlagen entwickelt sich in Deutschland zu einem wichtigen Industriezweig. Der Weltmarktanteil deutscher Hersteller liegt bei 37 Prozent.
Aktuell ist am 01.05.2011 der Offshore-Windpark Baltic 1 mit 21 Windrädern in der Ostsee 16 KM vor der Halbinsel Fischland-Darß- Zingst in Betrieb gegangen. Baltic 1 wird mit seinen 21 Windkraftanlagen und einer Leistung von knapp 50 Megawatt Strom für rund 50.000 Haushalte erzeugen. Zum Vergleich: Ein typisches Atomkraftwerk erzeugt durchschnittlich ein Gigawatt, also 20 Mal so viel. Dieses bei Umweltschützern nicht unumstrittende Projekt kann Folgen auf den weiteren Genehmigungsverlauf von Offshore Anlagen haben. Schuld daran haben die feinen "Ohren" von Schweinswalen, denn diese geschütze Art verliert aufgrund der ernormen Geräuschbelästigung beim Rammen der Fundamente die Orientierung.
VORTEILE
- keine Emissionen
- hohe Verfügbarkeit
- kurze Amortisationszeit
- zum Teil ohne Subventionen konkurrenzfähig
- hohes Zukunftspotenzial
- lokale Energiequelle
- neuer Industriezweig
NACHTEILE
- Leistungsschwankungen, besonders von Onshore-Anlagen
- optische Umweltverschmutzung,
- Vogelschlag und Eiswurf im Winter, Verschattung
- aufwändige Installation von Offshore-Anlagen
- weite Wege vom Stromproduzenten und zum Verbraucher (Offshore)
- Netzausbau noch nicht fortgeschritten
- Beeinträchtigung der Meeresbiologie
ANGABEN AUF BASIS: BEW: Bundesverband Windenergie, 2008 BMU: Erneuerbare Energie in Zahlen, Juni 2008
Wasserkraft
Wasserkraftwerke setzen die Strömungsenergie von Wasser über Turbinen in elektrischen Strom um. In Laufwasserkraftwerken wird Flusswasser gestaut und auf die Generatoren geleitet. Pumpspeicherkraftwerke können zusätzlich bei Überkapazitäten Wasser in ein hoch gelegenes Becken pumpen – um das Wasser bei erhöhtem Strombedarf durch Schwerkraft wieder als Energiequelle nutzen zu können. In Deutschland lag die Stromeinspeisung durch Wasserkraftwerke 2007 bei 20,7 Terawattstunden – etwa halb so viel wie durch Windkraftwerke. Das Potenzial der Laufwasserkraftwerke ist in Deutschland weitgehend ausgeschöpft, Steigerungen sind vor allem über Modernisierungen bestehender Anlagen möglich. Weltweit hat Wasserkraft einen Anteil von etwa 17 Prozent an der gesamten Stromerzeugung. Theoretisch könnte der weltweite Strombedarf über Wasserkraft gedeckt werden. Doch die Nutzung von Wasserkraft ist immer an erhebliche Eingriffe in die Landschaft und gewachsene Bevölkerungsstrukturen gebunden. Stauseen verschlingen ganze Städte und Täler: Für die Realisierung des umstrittenen Dreischluchten-Staudamms in China wurden eine Million Menschen umgesiedelt. Die größten Wasserkraftreserven gibt es in Russland, China, Indien, Indonesien und im Kongo. Mit neuen Technologien versuchen die Europäer, bisher ungenutzte Formen der Wasserkraft zu erschließen. In Wellenkraftwerken drückt die Brandung in einer Art Kamin Luft in die Höhe und zieht sie mit dem Wellental wieder heraus. Eine spezielle Turbine wandelt die erzeugte Luftbewegung in elektrische Energie um. Gezeitenkraftwerke nutzen den natürlichen Tidenhub, ähnlich wie ein Pumpspeicherkraftwerk, indem der Zufluss einer Meeresbucht bei Ebbe und Flut jeweils über Turbinen geleitet wird. Strömungskraftwerke funktionieren im Prinzip wie eine Windkraftanlage unter Wasser: Die Meeresströmung wird über Rotoren in elektrische Energie umgewandelt. Der aktuelle Anteil der Wasserkraft zur Deckung des Primärenergiebedarfs liegt bei etwa 0,5 Prozent.
VORTEILE
- keine Emissionen
- Laufwasserkraftwerke sind
- hochverfügbar
NACHTEILE
- in Deutschland weitestgehend ausgereizt
- sehr große Eingriffe in Landschaft und Natur
- sehr hohe Investitionen
- unstete Leistung von Gezeiten-, Strömungs- und Wellenkraftwerken
ANGABEN AUF BASIS: BMU: Erneuerbare Energie in Zahlen, Juni 2008 BMWi: Primärenergieverbrauch nach Energieträgern, 2007
IEA: Key World Energy Statistics, 2007
