Klimaforum Kiel (de)

Die Windenergie ist mit großem Abstand die wichtigste Form der erneuerbaren Energien in Deutschland. Im Jahr 2022 hat sie von allen Technologien, erneuerbare und konventionelle, die meiste elektrische Energie in das Stromnetz eingespeist. Bundesweit lag der Anteil der Windenergie an Land und auf See am deutschen Strommix 2021 bei 22,6%.

Flaute beim Zubau der Windenergie

Um möglichst schnell eine klimaneutrale Stromversorgung zu realisieren, plant die Bundesregierung, die Windenergie schneller auszubauen. Das Ziel ist es, die für Windenergieanlagen verfügbaren Flächen von derzeit 0,5% (Stand 2022) auf 2% im Jahr 2032 auszuweiten. Seit dem Höhepunkt 2017 ist der Zubau von Windenergie gesunken (Stand 2022) und die notwendigen Ziele wurden bei Weitem nicht erreicht, was unter anderem an langen Genehmigungsverfahren liegt. Zudem gibt es Akzeptanzprobleme in der Gesellschaft, denen mit mehr Beteiligungsmöglichkeiten für Bürger:innen (Beispiel Bürger:innenwindparks) und stärkerer regionaler Wertschöpfung begegnet werden kann.

Geographische Verteilung der Windenergieanlagen

Bei der Windenergie in Deutschland gibt es ein klares Nord-Süd-Gefälle. Das Land Schleswig-Holstein produziert beispielsweise sehr viel Strom aus Windenergie, denn die flache, weite Landschaft und die beständigen Winde auf Nord- und Ostsee eröffnen viele gute Standorte für Windenergieanlagen. Die installierte Leistung an Land in Schleswig-Holstein übersteigt die in Baden-Württemberg und Bayern zusammen um mehr als das Anderthalbfache, obwohl auch dort ein großes Potenzial für die Windenergie besteht.

Dieses Gefälle ist auch deshalb problematisch, weil der Strombedarf in gegensätzlicher Richtung verteilt ist. Je näher die Stromproduktion am Verbrauch ist, desto weniger Stromleitungen werden benötigt und desto geringer fallen Verluste beim Transport aus.

Wie funktioniert eine Windenergieanlage?

Vom Prinzip her sind Windenergieanlagen recht einfach aufgebaut. Auf dem durchschnittlich über 130m hohen Turm sitzt eine drehbare Gondel (auch Generatorhaus genannt), die sich nach dem Wind ausrichten kann. In ihr befindet sich der Generator mit allen dazugehörigen Systemen und bei vielen Anlagen ein Getriebe. An dem Getriebe ist der Rotor befestigt, der von außen sichtbar ist und üblicherweise einen Durchmesser von über 100m hat.

Der Wind, der auf die Rotorblätter trifft, wird ähnlich wie bei einem Flugzeugflügel abgelenkt, sodass eine Kraft in Umfangsrichtung erzeugt wird, die den Rotor dreht. Das Getriebe passt die Drehzahl so an, dass der Generator im optimalen Betrieb läuft. Der Generator wandelt ähnlich wie ein Dynamo am Fahrrad die Energie des drehenden Rotors in elektrische Energie um. Von dort aus gelangt der Strom in das Stromnetz.

Technologien zur Nutzung der Solarenergie hängen stark vom Standort ab. In Regionen mit viel Sonnenschein können solarthermische Kraftwerke errichtet werden, wohingegen in Deutschland Solarmodule (auch Photovoltaik-Module genannt) zum Einsatz kommen.

Solarmodule wandeln die Energie des Sonnenlichts direkt in elektrische Energie um und haben im Vergleich zu den solarthermischen Kraftwerken einen geringeren Wirkungsgrad. Dafür lassen sie sich aber fast an beliebigen Orten einfach montieren und leisten auch in kleinen Größen, beispielsweise als sogenanntes „Balkonkraftwerk“, einen Beitrag zum Klimaschutz. Für viele Menschen in Deutschland ist ein Solarmodul am Haus der Einstieg in die persönliche Energiewende. 

Die zahlreichen kleinen und großen Solaranlagen leisteten zusammengenommen einen Beitrag von 9,3% der deutschen Stromerzeugung im Jahr 2021. Damit ist die Solarenergie nach der Windenergie die zweitwichtigste erneuerbare Stromquelle in Deutschland. Mit einem Zubau von über 6 Gigawatt elektrischer Leistung im Jahr 2022 hat die Solarenergie als einzige erneuerbare Energietechnik die Ausbauziele der Bundesregierung erreicht.

Solarthermische Kraftwerke

Das Grundprinzip von solarthermischen Kraftwerken besteht darin, das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln auf eine kleinere Fläche zu fokussieren, um so Öl oder eine Salzlösung zu erhitzen. Damit wird wiederum Wasser zum Betrieb einer Dampfturbine erhitzt. Um die Stromerzeugung in der Nacht fortzuführen, wird ein Wärmespeicher genutzt.

Kraftwerke dieser Art existieren bereits weltweit, beispielsweise in Spanien, Algerien und Marokko. Sie stehen meist in sonnenreichen Gegenden, die ausreichende Flächen für die Aufstellung der Spiegel bieten. An geeigneten Standorten sind sie die preisgünstigste Form der Stromerzeugung.
 

Bioenergie bezeichnet die Verwendung von pflanzlichen oder tierischen Stoffen zur Erzeugung von Wärme und Strom. Das kann auf unterschiedliche Weise geschehen, beispielsweise in einer Biogasanlage, in der bei der Zersetzung der Biomasse Methan produziert wird, welches anschließend in einem Blockheizkraftwerk zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden kann. Auch beim Tanken von Biokraftstoff oder beim Heizen mit Holz wird Bioenergie genutzt.

Wird die gesamte Energiebereitstellung aus erneuerbaren Quellen betrachtet, bildet die Bioenergie hier mit mehr als der Hälfte den größten Anteil. Der größte Teil der Bioenergie wird zur Wärmeerzeugung genutzt, gefolgt von der Stromproduktion und der Herstellung von Biokraftstoffen.

Die Nutzung der Bioenergie in Deutschland ist umstritten. Die Gründe dafür sind der hohe Flächenverbrauch, die niedrige Effizienz im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien sowie die ökologischen Auswirkungen der intensiven Landnutzung.

Flächenkonkurrenz

Im Jahr 2020 wurden in Deutschland ca. 13% der landwirtschaftlichen Flächen für den Anbau von sogenannten Energiepflanzen, also zum Beispiel Raps und Mais, genutzt. Sie stehen in direkter Konkurrenz zur Produktion von Nahrungs- und Futtermitteln. In dem Zeitraum von 2007 bis 2014, als besonders viele Biogasanlagen in Deutschland in Betrieb genommen wurden, die unter anderem Biokraftstoffe produziert haben, wurde dieser Konflikt in der „Teller oder Tank“-Debatte diskutiert.

Für die Bioenergieproduktion genutzte Flächen stehen nicht mehr für andere Klima- und Naturschutzmaßnahmen zur Verfügung. Dazu zählen beispielsweise die Wiedervernässung von Mooren, die Ausweitung von Naturschutzgebieten zur Bekämpfung des Artensterbens und die Wiederaufforstung von Wäldern. In der Europäischen Union schränken Nachhaltigkeitsanforderungen ein, auf welchen Flächen Energiepflanzen angebaut werden dürfen. Untersagt ist beispielsweise der Anbau auf trockengelegten Mooren.

Ökologische Auswirkungen

Der Anbau von Energiepflanzen geht häufig einher mit dem verstärkten Einsatz von Dünger und Pestiziden, die negative Auswirkungen auf das Wasser und die Bodenqualität haben. Außerdem werden Mais, Raps, Fichten und andere Pflanzen zur Produktion von Bioenergie meist als Monokulturen angepflanzt, die die Artenvielfalt bedrohen und die Verbreitung von Schädlingen begünstigen.

Der Import von Bioenergie, beispielsweise in Form von Biokraftstoffen, ist unter anderem deshalb umstritten, da er zu Landnutzungsänderungen im Ausland führt. Es ist davon auszugehen, dass die Nachfrage nach Nahrungsmitteln in Deutschland und dem Exportland konstant bleibt oder gegebenenfalls sogar steigt. Die Nachfrage aus Deutschland nach Biokraftstoffen führt daher zu einer Ausweitung der Anbauflächen von Energiepflanzen im Exportland. Diese Landnutzungsänderungen verursachen neben anderen Schäden am Ökosystem zusätzliche Treibhausgasemissionen. Der Effekt wird mit dem Begriff „indirekte Landnutzungsänderungen“ beschrieben und ist auch Bestandteil von Klimamodellen.

Effizienz

Jeder Umwandlungsschritt in einer Produktionskette verursacht Verluste und bei der Produktion von Bioenergie gibt es sehr viele Umwandlungen. Die Energiepflanzen nutzen für ihr Wachstum Sonnenenergie und speichern diese in ihrer Biomasse. Anschließend werden sie beispielsweise in einer Biogasanlage weiterverarbeitet. Hier zersetzen Mikroorganismen die Biomasse und produzieren dabei Wärme und Methan. Das Methan kann nun in einem Blockheizkraftwerk verbrannt werden, um Wärme und elektrischen Strom zu gewinnen.

In einem Solarmodul wird dagegen die elektrische Spannung direkt durch die Anregung der Elektronen durch Photonen der Sonnenstrahlung erzeugt. Von der Sonnenenergie bis zur elektrischen Energie passieren viel weniger Umwandlungsschritte als bei der Bioenergie.

Obwohl auch auf diese Weise nur ca. 20% der einfallenden Sonnenenergie genutzt werden, könnte mit Solarmodulen trotzdem 40-mal mehr Energie produziert werden, als wenn die gleiche Fläche für Bioenergie genutzt würde. Solar- und Windenergieanlagen können darüber hinaus auch auf Böden betrieben werden, die für eine landwirtschaftliche Nutzung ungeeignet sind.

Zukünftige Entwicklung

Die meisten Studien gehen davon aus, dass die Erzeugung von Energie aus Biomasse in Zukunft abnehmen wird. Mit Bezug unter anderem auf die oben genannten Gründe empfiehlt auch das Umweltbundesamt, die Nutzung der Bioenergie nicht weiter auszuweiten. Der Erfolg der Energiewende sei nicht gebunden an den Ausbau der Bioenergie.

Langfristig erhöht sich der Anteil erneuerbarer Energien am deutschen Strommix. Im Jahr 2021 lag er bei ca. 41%. Je größer dieser Anteil wird, desto mehr gewinnen Speichermöglichkeiten an Bedeutung. Diese verschiedenen Speicher erfüllen gleich mehrere Aufgaben. Sie können uns helfen, mehr erneuerbaren Strom zu nutzen, das Stromnetz insgesamt stabiler zu machen und kurz- und langfristige Lücken bei der Stromversorgung abzudecken.

Als Speichermöglichkeiten stehen uns verschiedene Technologien zur Verfügung. Häufig werden sie in Bezug auf ihren Einsatzzweck unterschieden, denn es werden sowohl langfristige als auch kurzfristige Speicher benötigt.
Unter der langfristigen Speicherung versteht man meistens das Ziel, saisonale Schwankungen auszugleichen. Da in Deutschland im Winter mehr Energie benötigt wird, beispielsweise zum Heizen, aber gleichzeitig weniger Solarstrom produziert wird, muss ein Ausgleich zwischen den Jahreszeiten stattfinden. Speicher mit diesem Einsatzzweck sollten daher geeignet sein, große Mengen Energie über mehrere Monate vorhalten zu können.

Der Ausgleich von Schwankungen über den Verlauf eines Tages ist die Aufgabe von kurzfristigen Speichern. Größere Batterien werden im privaten Bereich schon zu diesem Zweck eingesetzt. Das Ziel ist hier oft, die Stromerzeugung der Solaranlage und den Stromverbrauch zuhause auszugleichen. Solche Speicher sollten also in kurzer Zeit kleinere Mengen Energie über einige Stunden bereithalten können.

Batterien

Die für die Energiewende nutzbaren Batteriespeicher stehen in Deutschland in der Garage und im Keller – die Rede ist von Elektrofahrzeugen und Heim-Batteriespeichern. Sie eignen sich insbesondere für die kurzfristige Speicherung von erneuerbarem Strom. Werden sie intelligent vernetzt, können sie zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen und auf diese Weise dafür sorgen, dass insgesamt mehr erneuerbare Energie genutzt wird.

Eine stationäre Batterie zuhause erfüllt diese Funktion bereits im kleinen Maßstab. Sie wird meistens dafür genutzt, den Anteil des mit einer Solaranlage selbst erzeugten Stroms zu erhöhen. Dazu wird der Speicher über die Mittagszeit aufgeladen, wenn die meisten Menschen außer Haus bei der Arbeit oder in der Schule sind. Folglich ist der Stromverbrauch in dieser Zeit niedrig, aber gleichzeitig produziert die Solaranlage besonders viel Strom, weil die Sonne direkt auf sie einstrahlt. Am Abend ist die Situation umgekehrt, denn beim Kochen und Fernsehen wird Strom verbraucht, während die Solaranlage kaum noch Strom liefern kann. In dieser Zeit wird der Bedarf vom Batteriespeicher gedeckt. Auf diese Weise werden Produktion und Verbrauch aufeinander abgestimmt und der Solarstrom kann besser genutzt werden.

Batterien in Elektrofahrzeugen oder in anderen Bereichen können theoretisch auf die gleiche Weise eingesetzt werden. Notwendig ist dazu die Vernetzung möglichst vieler Speicher und die Schaffung von Anreizen, die eigene Batterie für diese gemeinschaftliche Nutzung zur Verfügung zu stellen.

Pumpspeicherkraftwerke

Ein Pumpspeicherkraftwerk besteht aus zwei Becken, einem oberen und einem unteren, die durch ein Rohr verbunden sind. Überschüssiger Strom wird genutzt, um Wasser vom unteren ins obere Becken zu pumpen. Bei Bedarf stürzt das Wasser durch das Rohr wieder nach unten, wo sich eine Turbine befindet, die die Energie des fließenden Wassers zurück in elektrischen Strom wandelt.

Damit diese Speicher optimal funktionieren, muss ein Mindest-Höhenunterschied zwischen den beiden Becken liegen. Geeignete Orte für den Bau neuer Pumpspeicherkraftwerke gibt es in Deutschland kaum, sodass diese Technologie allein unseren Bedarf an Speicherleistung nicht decken kann. Außerdem stellen diese Speicher einen großen Eingriff in die Natur dar, was ein weiterer Nachteil ist.

Vorteilhaft sind dagegen die ausgereifte Technik und der hohe Wirkungsgrad von bis zu 80%. Allerdings überwiegen in Deutschland die Nachteile, sodass Pumpspeicherkraftwerke in Zukunft eine untergeordnete Rolle als Energiespeicher spielen werden.

Power-to-Gas

Bei der Power-to-Gas-Technik wird mit erneuerbarem Strom ein Elektrolyseur betrieben. Darin wird aus flüssigem Wasser gasförmiger Wasserstoff hergestellt. Werden tatsächlich erneuerbare Energien zur Wasserstoffproduktion eingesetzt, spricht man von „Grünem Wasserstoff“.

Grüner Wasserstoff kann auf vielfältige Weise eingesetzt werden, um Bereiche zu transformieren, die auf anderen Wegen nicht klimaneutral werden können, beispielsweise die Stahlproduktion und der Betrieb von Flugzeugtriebwerken. Darüber hinaus kann grüner Wasserstoff auch zur langfristigen Speicherung von erneuerbarem Strom dienen.

Um den Wasserstoff für diese Zwecke zu nutzen, kann er teilweise direkt als Energieträger dienen oder er wird durch weitere Verfahren zu Methan oder Ammoniak verarbeitet. Methan ist dabei nichts anderes als der Hauptbestandteil des Erdgases. Dieses „grüne Methan“ könnte daher ohne Probleme im bestehenden Erdgasnetz gespeichert und transportiert werden.
Wasserstoff kann in einer Brennstoffzelle wieder zurück in elektrischen Strom gewandelt werden. Dabei reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, wobei ein Ladungsaustausch stattfindet und so eine elektrische Spannung erzeugt wird. Diese Umwandlung geschieht nicht ohne Verluste, der Wirkungsgrad liegt derzeit bei ca. 60%. Wird Wasserstoff als Speicher genutzt, müssen zusätzlich die Verluste bei der Umwandlung im Elektrolyseur von Strom zu Wasserstoff berücksichtigt werden. Der Wirkungsgrad insgesamt beträgt dann ca. 36-48%, das heißt man erhält derzeit weniger als die Hälfte des Stroms zurück, die man anfangs in den Speicher geleitet hat.

Der niedrige Wirkungsgrad dieser Speichertechnik wird durch die Nutzung als saisonaler, also langfristiger Speicher relativiert, da sie nur selten zum Einsatz kommt. Außerdem wird vor allem überschüssiger Strom eingespeichert werden, der anderenfalls nicht vom Netz aufgenommen werden könnte.

Aufgrund der vielfältigen Anwendungsbereiche von grünem Wasserstoff sprechen ihm Politik, Wirtschaft und Wissenschaft eine zentrale Rolle in der Energiewende zu. 

Das Ziel der Bundesregierung in Deutschland ist es, bis zum Jahr 2030 sechs Millionen Wärmepumpenheizungen zu installieren. Zurzeit heizen die meisten Menschen in Deutschland mit Gas und Öl. Die stoßen bei der Verbrennung große Mengen an Treibhausgasen in die Atmosphäre aus und verbrauchen viel Energie. Wärmepumpen arbeiten dagegen sehr effizient und verursachen im Betrieb mit Ökostrom keine Treibhausgasemissionen. So kann eine Wärmepumpe mit einer Kilowattstunde elektrischer Energie ca. drei bis fünf Kilowattstunden Wärmeenergie produzieren. Obwohl Wärmepumpen im Betrieb meistens günstiger sind als andere Heizsysteme, haben sie im Vergleich hohe Anschaffungskosten. Um trotzdem mehr Menschen dazu zu bewegen, sich eine Wärmepumpe anzuschaffen, gibt es vom Staat entsprechende Förderungen.

Funktionsweise einer Wärmepumpe

Wärmepumpen nutzen elektrischen Strom und Wärmeenergie aus der Umgebung, um Wasser zu erhitzen, das dann zum Heizen und Duschen verwendet werden kann. Die Wärmeenergie kann dabei aus dem Erdreich kommen, aus dem Grundwasser oder auch aus der Luft. Selbst im Winter, wenn es draußen eisig kalt ist, enthält die Luft noch jede Menge Wärmeenergie, die eine Wärmepumpe nutzen kann. Wie das funktioniert, ist hier kurz erklärt.
Im einfachsten Fall ist eine Wärmepumpe aus zwei Wärmetauschern, einem Verdichter und einem sogenannten Expansionsventil aufgebaut.

Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe saugt ein Ventilator Umgebungsluft an und leitet sie zu einem Wärmetauscher weiter. Der Wärmetauscher wird von einem Kältemittel durchflossen, das die Eigenschaft hat, seinen Aggregatzustand bereits bei sehr niedrigen Temperaturen von flüssig zu gasförmig zu ändern. Solche Kältemittel werden auch in Kühlschränken eingesetzt, die nach dem gleichen Prinzip arbeiten wie Wärmepumpen, bloß umgekehrt.

Das Kältemittel tritt flüssig in den Wärmetauscher ein, verdampft anschließend durch die Aufnahme von Wärme aus der vom Ventilator angesaugten Luft und verlässt den Wärmetauscher in gasförmigem Zustand. Danach geht es durch den Verdichter, der den Druck im Kältemittel erhöht und damit auch seine Temperatur. Die elektrische Energie, die eine Wärmepumpe verbraucht, wird zum größten Teil für den Verdichter benötigt.

Jetzt gelangt das Kältemittel zum zweiten Wärmetauscher, der die Wärmepumpe mit dem Heizungssystem verbindet. Auf der einen Seite des Wärmetauschers fließt also das Kältemittel entlang, auf der anderen das Wasser, das danach durch die Heizungen läuft. Damit das Kältemittel die aufgenommene Energie wieder abgeben kann, wechselt es seinen Aggregatzustand. Diesmal ist das Kältemittel zu Beginn gasförmig und wird beim Durchlaufen des Wärmetauschers flüssig, während es das Wasser für die Heizung aufwärmt.
Nach diesem zweiten Wärmetauscher hat das Kältemittel seine Aufgabe, Wärme von draußen nach drinnen zu transportieren, erfüllt. Es durchläuft jetzt noch ein Expansionsventil, in dem es entspannt wird. Das bedeutet, dass der Druck im Kältemittel verringert wird. Danach befindet es sich wieder im Ausgangszustand und beginnt seinen Weg durch die Wärmepumpe von Neuem.

Der einfachste Weg, Treibhausgasemissionen durch die Energieerzeugung zu vermeiden, ist, die Energie gar nicht erst zu verbrauchen. Das gilt vor allem dann, wenn Einsparungen durch kleine Verhaltensänderungen oder geringe Investitionen erzielt werden können. Gemäß einer EU-Richtlinie muss Deutschland den Endenergieverbrauch bis 2030 um 24% gegenüber dem Stand von 2008 verringern, derzeit sind wir bei knapp über fünf Prozent. Mit Endenergie ist dabei die Energieform gemeint, die bei dem jeweiligen Verbraucher ankommt, also beispielsweise Strom, Gas, Heizöl oder Fernwärme.

Großer Verbrauch und großer Hebel – Einsparpotenziale in der Industrie

In den Bereichen Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen wird 70% des gesamten Stroms in Deutschland verbraucht. Fast die Hälfte entfällt auf die Industrie, sodass Einsparpotenziale hier eine besonders große Wirkung entfalten können.

Eine Studie für die Nationale Klimaschutzinitiative hat im Jahr 2020 bei der Beleuchtung, Pumpen sowie Lüftungs- und Druckluftsystemen die größten Stromsparpotenziale in Deutschland identifiziert. Zahlreiche Regelungen der Europäischen Union sorgen bereits für einen verringerten Stromverbrauch, beispielsweise durch den vorgeschriebenen Einsatz effizienter Elektromotoren und Beleuchtungssysteme. Dennoch gibt es weiterhin viele Möglichkeiten, den Energieverbrauch in der Industrie zu senken.

Diese Energiespartipps helfen, den privaten Verbrauch zu senken

Um das Einsparziel von 24% bis 2030 zu erreichen, müssen alle mit anpacken. Einen Teil zu dieser Aufgabe können auch Privathaushalte beitragen. Die folgenden Tipps können beim Energiesparen helfen:

Zuhause:

• Im Winter die Raumtemperatur senken
• Heizungsanlage auf korrekte Einstellung prüfen lassen
• Warmwasserverbrauch reduzieren
• Kurz, aber dafür auf Durchzug lüften
• Wärmedämmung an Fenstern und Außentüren
• Waschmaschine mit 20-40°C betreiben
• Kühlschrank nicht zu kalt einstellen
• Standby-Geräte komplett abschalten

Unterwegs:

• Fahrrad oder öffentliche Verkehrsmittel nutzen
• Beim Autofahren die Geschwindigkeit reduzieren, vorausschauend fahren, Fahrgemeinschaften bilden und kurze Strecken vermeiden
• Auf Inlandsflüge verzichten
• Keine Kreuzfahrten unternehmen

Beim Einkaufen:

• Gebraucht kaufen
• Energieeffiziente Geräte kaufen
• Lebensmittel lokal und ökologisch kaufen
• Möglichst vegan oder vegetarisch einkaufen
• Unverpackte Waren bevorzugen