Erneuerbare Energien - Referatsnotizen

    Das im Jahr 2000 in der ersten Form erlassene Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)) war maßgeblich für den Strombereich.[48]
    Seit dem Jahr 2009 wird mit dem Gesetz zur Förderung erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWG)) auch die Wärmebereitstellung gefördert.
    Seit dem Jahr 2007 ist das Biokraftstoffquotengesetz gültig, das die zuvor bestehenden Steuervergünstigungen zur Förderung von Biokraftstoffen ablöste.
    Die EU-Richtlinie zu den erneuerbaren Energien vom 23. April 2009 (2009/28/EG)[49] schreibt den Mitgliedsstaaten der Europäischen Union den Erlass von staatlichen Regelungen vor, die die Verwendung der erneuerbaren Energien in den Bereichen Strom, Wärme und Kälte sowie Verkehr fördern, damit bis 2020 ein Gesamtanteil dieser Energien am Energiegesamtverbrauch innerhalb der EU von 20 % erreicht wird.


Anteil der erneuerbaren Energien

Im Jahr 2011 lag der aus erneuerbaren Energien gedeckte Endenergieverbrauch in Deutschland bei 12,2 % des Gesamtverbrauchs. Der Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtstromverbrauch betrug 20,0 %, bei der Wärmebereitstellung 10,4 % und am gesamten Kraftstoffverbrauch 5,4 %. Die Erneuerbaren Energien nahmen damit laut vorläufigen Daten des BDEW nach der Braunkohle mit einem Anteil von 24,6 % den zweiten Platz in der Stromerzeugung ein, dahinter folgten Steinkohle mit 18,6 %, Kernkraft mit 17,7 % und Gaskraftwerke mit 13,6 %.[50]

Zugleich stellten die Erneuerbaren Energien 35 % der gesamten inländischen Primärenergiegewinnung (1.452 PJ), womit sie knapp hinter Braunkohle mit 38,5 % bzw. 1.595 PJ die zweitwichtigste Form der einheimischen Energiegewinnung waren. Zum Vergleich: Steinkohle lag mit 8,7 % bzw. 360 PJ noch hinter Erdgas und Erdölgas mit 9,2 % bzw. 383 PJ auf Rang vier der einheimischen Primärenergieträger.[51]

Im ersten Halbjahr 2012 stieg der Anteil der Erneuerbaren Energien am Strombedarf Deutschlands laut BDEW erstmals über 25 %. Von den insgesamt 261,5 TWh an elektrischer Energie wurden 67,9 TWh durch die Erneuerbaren Energien bereitgestellt. Der größte Anteil entfiel dabei auf die Windkraft, die 24,9 TWh produzierte und damit 9,2 % des Strombedarfs deckte. Es folgten die Biomasse mit 15,3 TWh (5,7 %), die Photovoltaik, die mit 14,4 TWh bzw. 5,3 % die Wasserkraft überholte und ihren Beitrag verglichen mit dem Vorjahreshalbjahr um 47 Prozent steigerte, sowie die Wasserkraft mit 10,8 TWh (4,0 %).[52][53]




Im Jahr 2011 sparten die erneuerbaren Energien in Deutschland fossile Brennstoffimporte im Wert von 11 Mrd. Euro ein.





Ökologische Bewertung

Die unterschiedlichen Technologien zur Nutzung jeder Form von Energie, also auch erneuerbarer Energien, haben grundsätzlich immer Auswirkungen auf die Biosphäre, also auch auf Menschen und das ihr Leben ermöglichende Ökosystem. Dabei müssen auch Aufbau und Abbau der Anlagen (Warenlebenszyklus), Herstellung, Betrieb, Entsorgung etc. betrachtet werden. Diese Auswirkungen müssen verstanden, quantitativ dargestellt und mit den Alternativen verglichen werden. Erst dann werden Nutzen und Schaden in der Energie- und Entropiebilanz[135], für die Artenvielfalt und soziale Folgen deutlich.
Solarenergie
→ Hauptartikel: Photovoltaik#Umweltschutz

Die Energetische Amortisationszeit in Deutschland für mono- und polykristalline Zellen beträgt derzeit ca. 3,5 Jahre und für Dünnschichtmodule zwischen 0,5 und rund einem Jahr, d. h. in dieser Zeit hat die Solarzelle wieder die Energie hereingespielt, die insgesamt zu ihrer Herstellung verbraucht wurde. Die Lebensdauer der Solaranlagen beträgt mind. 30 Jahre (Garantie der Hersteller).[136][137]

Wie bei allen elektronischen Bauteilen werden zum Teil giftige Schwermetalle sowie etwa zwölf Kilogramm Silizium pro Kilowatt installierter Leistung (mono- und polykristalline Zellen) benötigt. Diese Stoffe verbleiben bei Silicium- und CIGS-Technologien jedoch weitgehend in der Fabrik. Hier enthält das fertige Solarmodul selbst keine giftigen oder gefährlichen Stoffe und stellt einen recyclebaren Wertstoff dar. Module auf Cadmium-Tellurid-Basis enthalten giftige Schwermetalle, sind jedoch auch recyclebar. Bei solarthermischen Sonnenkollektoren werden ungiftige Metalle wie Kupfer und Aluminium verwendet.
Wasserkraft
→ Hauptartikel: Wasserkraftwerk#Ökologische_Auswirkung

Die Errichtung von Talsperren und Staumauern stellen einen massiven Eingriff in die Umwelt dar. So mussten im Fall des chinesischen Drei-Schluchten-Damms mehr als eine Million Menschen umgesiedelt werden. Bei vielen Stauseeprojekten kam es zu Veränderungen im Ökosystem, da riesige Flächen geflutet wurden und in die saisonalen Wasserstandschwankungen der Flüsse eingegriffen wurde.

In Regionen mit Wassermangel kommt es zu Nutzungskonflikten. So staut zum Beispiel Tadschikistan den Syrdarja (und Nebenflüsse) im Sommer auf, um im Winter Energie zu gewinnen. Das unterhalb gelegene Kasachstan benötigt das Wasser aber im Sommer für seine Landwirtschaft.

Auch Laufwasserkraftwerke greifen in die Flusslandschaft ein. Allerdings werden die meisten europäischen Flüsse ohnehin für die Binnenschifffahrt aufgestaut.
Windenergie
→ Hauptartikel: Windkraftanlage#Umweltauswirkungen

Windparks werden von einigen Landschaftsschützern kritisch gesehen. An bestimmten Standorten besteht unter Umständen eine Gefahr für Vögel oder Fledermäuse (Vogel- und Fledermausschlag). Laut NABU sterben in Deutschland jährlich etwa eintausend Vögel durch Kollision mit einer Windkraftanlage, was ca. 0,5 Vögeln pro Anlage und Jahr entspricht. Dem gegenüber stehen etwa fünf bis zehn Millionen getöteter Vögel durch Straßenverkehr und Stromleitungen.[138] Einfluss auf die regionalen Windverhältnisse wurde bisher nicht festgestellt. Um lokale Beeinflussungen zwischen den einzelnen Anlagen zu minimieren werden sie mit etwas Abstand untereinander (in Hauptwindrichtung meist drei Rotordurchmesser nebeneinander und acht bis zehn Rotordurchmesser hintereinander) errichtet.

Lärm- und Infraschallentwicklung können prinzipiell belastend sein; in den gesetzlich vorgegebenen größeren Entfernungen gehen die Schallemissionen jedoch normalerweise im Hintergrundrauschen unter, das im Wesentlichen von Verkehr und Industrie sowie dem lokalen Wind geprägt wird.[139] Der „Disco-Effekt“ durch Reflexion der Sonne an den Windkraftanlagen wird inzwischen durch Auftragung matter Farben auf den Windflügeln vollständig vermieden,[140] jedoch kann auch der Schattenschlag der Rotorblätter negativ wahrgenommen werden. Zur Minimierung des Schattenschlages werden zeit- und sonnengesteuerte Abschaltsysteme eingesetzt,[141] die den Schattenschlag auf die per Immissionsschutzgesetz maximal zulässige Schattenwurfdauer von theoretisch 30 Stunden pro Jahr (entsprechend etwa 8 Stunden real) und 30 Minuten pro Tag begrenzen.[142]

Bei bestimmten Typen von Windkraftanlagen wird Neodym als Baumaterial für den Generator eingesetzt. Der Abbau dieses seltenen Metalles geschieht überwiegend in China und erfolgt dort mit Methoden, die sowohl die Umwelt als auch die Arbeiter schädigen.[143] Die deutschen Windanlagenhersteller REpower Systems und Enercon betonen, kein Neodym in ihren Windanlagen zu verbauen.[144]
Bioenergie
→ Hauptartikel: Bioenergie

Bioenergie umfasst die Nutzung von festen, flüssigen und gasförmigen biogenen Energieträgern, vor allem von Holz, landwirtschaften Produkten (Energiepflanzen) und organischen Abfällen.

Die Verbrennung von Biomasse kann mit Gefahren für die menschliche Gesundheit einhergehen, wenn sie an offenen Feuerstellen oder in Öfen ohne Filtersysteme erfolgt, da Luftschadstoffe wie Stickoxide, Schwefeldioxid und Feinstaub entstehen. In Deutschland ist die Nutzung in Öfen, Kaminen und anderen Anlagen in der Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen (1. BImSchV) geregelt und schreibt Grenzwerte und verschiedene Maßnahmen, wie z. B. Filtersystem, vor. (siehe auch Artikel Holzheizung)

Die verfügbare Fläche für den Anbau der Biomasse ist begrenzt und kann in ein Spannungsverhältnis zum Nahrungsmittelanbau und zum Natur- und Landschaftsschutz (z. B. Schutz der Biodiversität) geraten. Während beispielsweise die Nutzung landwirtschaftlicher Rest- und Abfallstoffe als unproblematisch gilt, ist der intensive Anbau von Nahrungspflanzen oder die Reservierung von Anbauflächen für geeignete Pflanzen (beispielsweise Zuckerrohr) zur Herstellung von Treibstoffen in die Kritik geraten. Insbesondere Palmöl steht in der Kritik, da häufig artenreiche und als Kohlenstoffspeicher fungierende tropische Regenwälder für Ölpalmenplantagen gerodet werden und dabei der gespeicherte Kohlenstoff beim Brandroden wieder als CO2 freigesetzt wird. (siehe Artikel Flächen- bzw. Nutzungskonkurrenz und Nahrungsmittelkonkurrenz)

Diskutiert wird auch der Nutzen von Biokraftstoffen. Für die Erzeugung z. B. von Rapsöl werden große Mengen an synthetischen Düngemitteln (Mineraldünger) und Pestiziden eingesetzt, die Mensch und Umwelt belasten. Strittig ist bisher auch, wie groß der Beitrag zum Klimaschutz ist, da z. B. durch Stickstoffdüngung verursachte Emissionen des sehr starken Treibhausgases Lachgas (rund 300-fach stärkeres Treibhausgas als CO2) schwer zu quantifizieren sind. Zahlreiche Gutachten bestätigen die positive Klimabilanz von Biodiesel, betonen aber die Bedeutung der Anbaumethoden.[145] Mit gesetzlichen Vorgaben (EU-Richtlinie 2009/28/EG (Erneuerbare-Energien-Richtlinie) und deren Umsetzung in deutsches Recht mit der Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung) soll die nachhaltigere Erzeugung von Biokraftstoffen sichergestellt werden.

Von noch in der Entwicklung befindlichen Biokraftstoffen der zweiten Generation, wie Cellulose-Ethanol und BtL-Kraftstoffe erhofft man sich bessere ökologische Bilanzen, da diese Ganzpflanzen und Reststoffe nutzen und so höhere Erträge pro Fläche liefern können als die derzeit dominierenden Ölpflanzen. Jedoch ist der Herstellungsprozess deutlich aufwendiger als bei den Biokraftstoffen der ersten Generation.

Biomasse eignet sich auch zur Herstellung von Wasserstoff in einer Wasserstoffwirtschaft.
Geothermie
→ Hauptartikel: Geothermie#Ökologische Aspekte

Auch bei der Geothermie können negative Umwelteinwirkungen eintreten. Bei der Stimulation von untertägigen Wärmeübertragern können seismische Ereignisse auftreten, die jedoch meist unterhalb der Fühlbarkeitsgrenze liegen (Dezember 2006, Basel, Magnitude 3,4). Diese haben jedoch bisher weltweit weder Personenschäden noch strukturelle Gebäudeschäden verursacht. In Basel wurden jedoch Bagatellschäden mit einer Gesamtsumme von 3 und 5 Millionen Franken (ca. 1,8 bis 3,1 Millionen Euro) auf dem Kulanzwege durch Versicherungen entschädigt.[146] Das Projekt wurde eingestellt. Der verantwortliche Ingenieur wurde zunächst zwar angeklagt, dann aber freigesprochen.
Unter bestimmten geologischen Bedingungen, die Anhydrit-haltige Gesteinsschichten beinhalten, und vermutlich unsachgemäßer Ausführung der Bohrarbeiten können auch erhebliche kleinräumige Hebungen der Erdoberfläche auftreten, wie im Jahr 2008 in Staufen geschehen.







Zeitliche Verfügbarkeit von Strom aus erneuerbaren Energien
nach VDEW: Verlauf des winterlichen Stromverbrauchs (Last) über verschiedene Wochentage und Einsatz von Grund- Mittel- und Spitzenlastkraftwerken am Lastverlauf werktags (schematisch)
Tatsächliche Stromerzeugung in Deutschland an zwei sonnenreichen, windarmen Maitagen im Jahr 2012
→ Hauptartikel: Kraftwerksmanagement

Der Bedarf an Strom (Lastgang) schwankt stark. Da elektrische Energie nur aufwendig und mit Verlusten speicherbar ist, wird sie durch das Kraftwerksmanagement durch technische und organisatorische Maßnahmen entsprechend dem Bedarf bereitgestellt. In Deutschland wurden die sogenannte Grund- bzw. Mittellast bisher vor allem von Braunkohle- und Kernkraftwerken bzw. Steinkohlekraftwerken abgedeckt. Die Spitzenlast lieferten vor allem Gas- und Pumpspeicherkraftwerke. Mit zunehmenden Anteilen an Strom aus erneuerbaren Energien ist ein verändertes Kraftwerksmanagement notwendig. Zwar können Geothermiekraftwerke Grundlast und Wasserkraftwerke, Biomassekraftwerke und Biogasanlagen Grundlast und/ oder Spitzenlast abdecken. Die Stromerzeugung aus Sonnenenergie und Wind unterliegt dagegen starken Schwankungen. Teilweise korrelieren diese aber mit dem Tages- bzw. Jahres-Lastgang. So wird Strom aus Sonnenenergie zu den Hauptbedarfszeiten bereitgestellt. Strom aus Windenergie fällt verstärkt im Winter an und kann die zu der Zeit verringerten Ausbeuten von Solaranlagen ausgleichen.

Verschiedene Maßnahmen können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden, um höhere Anteile an Strom aus erneuerbaren Energien an der Versorgung zu ermöglichen. Studien, z. B. der Fraunhofer IWES im Auftrag des BEE (Dezember 2009) belegen, dass so eine zuverlässige Stromversorgung möglich ist.[147] In seinem Sondergutachten 100 % erneuerbare Stromversorgung bis 2050: klimaverträglich, sicher, bezahlbar von Mai 2010 bekräftigt der von der Bundesregierung eingesetzte Sachverständigenrat für Umweltfragen, dass die Kapazitäten in Pumpspeicherkraftwerken insb. in Norwegen und Schweden bei Weitem ausreichen, um schwankende Energiebereitstellung – insbesondere von Windkraftanlagen – auszugleichen.[148] Für kurzfristige Strombedarfe im Minutenbereich (Regelleistung) wird seit der Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetzes 2009 bereits ein Systemdienstleistungsbonus gezahlt, sodass kaum eine kurzfristige Speichernotwendigkeit besteht.[149]

Nach Ansicht des Europäischen Verbunds der Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E) ist Europas Versorgung mit Elektrizität mindestens bis 2025 jederzeit gesichert; eine Versorgungslücke bestehe trotz des Atomausstiegs in Deutschland, der Schweiz und Belgien nicht.[150]
Bedarfsgerechte Stromerzeugung

Bei der Wasserkraft kann die Energieumwandlung mehrere Wochen bis Monate, bei den Biogasanlagen mehrere Stunden ohne größere Verluste aufgeschoben werden. Photovoltaik- und Windenergieanlagen können zumindest abgeschaltet und innerhalb von etwa 30 s (Selbsttest und Anfahren eines Photovoltaik-Wechselrichters) bis wenige Minuten (größere Windenergieanlagen) wieder in Betrieb genommen werden. Dies ist sogar ein Vorteil gegenüber großen Dampfkraftwerken und Kernkraftwerken, die beim Hochfahren mehrere Stunden bis zur vollen Leistung benötigen. Allerdings wird durch die Abschaltung von Photovoltaik- oder Windenergieanlagen, anders als bei Biogasanlagen und konventionellen Kraftwerken, kein Brennstoff gespart. Um größere Leistungen bereitzustellen werden auch zunehmend hocheffiziente GuD-Kraftwerke eingesetzt, da diese auf schnelle Lastwechsel ausreichend reagieren können.

Weiterhin besteht in Deutschland eine weitgehende Abnahmeverpflichtung für Strom aus regenerativen Energiequellen, so dass Abschaltungen nur in Sondersituationen möglich sind. Daher ist es meist geboten und auch wirtschaftlich sinnvoll, den aus erneuerbaren Energien erzeugten, aber kurzfristig nicht benötigten Strom für nachrangige, zeitlich weniger fixierte Zwecke zu „verschwenden“ oder Energiespeicher damit aufzuladen. Schon jetzt müssen in manchen Regionen Nord- und Ostdeutschlands regelmäßig Windkraftanlagen heruntergeregelt oder ganz vom Netz abgetrennt werden, weil bei hohem Windaufkommen und niedriger Grundlast der zusätzliche Windstrom nicht mehr eingespeist werden kann, ohne die Netze zu überlasten. Deshalb konnten 2010 ca. 150 GWh elektrischer Energie nicht genutzt werden.[151] Dies entspricht etwa 0,4 % der tatsächlich eingespeisten Windenergie von ca. 37.800 GWh im Jahr 2010.

Zur Deckung eines akuten Strommangels können Wasserkraftwerke und Biogaskraftwerke kurzzeitig über ihrer Durchschnittsleistung, die durch den Nachschub an Wasser und Biomasse begrenzt ist, betrieben werden.

Um den Einsatz der anderen Energiearten planen zu können, ist allerdings eine möglichst genaue Kurz- und Mittelfristvorhersage der zu erwartenden Windleistung und Solarleistung wichtig.[152] Das Kraftwerksmanagement kann die kurzfristig und vor allem die längerfristig regelbaren Kraftwerke so besser steuern.




Energiespeicherung
→ Hauptartikel: Energiespeicher und Speicherkraftwerk

Je größer der Anteil der erneuerbaren Energien wird, desto größer wird die Bedeutung von Speichermöglichkeiten, um die Schwankungen der Energieerzeugung an die Schwankungen des Energieverbrauchs anzugleichen und somit Versorgungssicherheit herzustellen. Die Entwicklung von Speicherkraftwerken befindet sich zum Teil noch im Frühstadium. Zu den Speichermöglichkeiten gehören:[153]

    Pumpspeicherkraftwerke nutzen überschüssigen Strom, um Wasser bergauf zu pumpen. Wird der Strom gebraucht, fließt das Wasser wieder nach unten und treibt einen Generator an. Pumpspeicherkraftwerke werden aufgrund des relativ günstigen Preises zur Zeit als Großanlagen eingesetzt.
    Akkumulatoren (Batterien) speichern Strom elektrochemisch.
    Chemische Speicher: Akkumulator und Redox-Flow-Zelle. Der elektrische Strom wird genutzt um eine chemische Reaktion anzutreiben. Besteht ein Bedarf kann die Reaktion umgekehrt ablaufen und erzeugt Strom.
    Wärmespeicher: Mit Sonnenwärme wird Wasser erhitzt oder mit überschüssigem Strom Wasser in warme Schichten unter der Erde gepumpt, um dieses natürlich zu erwärmen. Dieses kann für die Beheizung von Gebäuden genutzt werden, die so Wärme vom Tag in der Nacht oder Wärme vom Sommer im Winter nutzen können, oder für die zeitversetzte Stromerzeugung in Solarthermischen Kraftwerken, die so in die Lage versetzt werden, 24 Stunden pro Tag Strom aus Sonnenenergie herzustellen.
    Gasspeicher: Durch Elektrolyse, ggf. ergänzt durch Methanisierung, lässt sich aus temporär überschüssigem Strom sog. EE-Gas (Wasserstoff bzw. Methan) erzeugen, welches später bei Bedarf zur Stromproduktion oder zur Wärmeerzeugung genutzt werden kann. Gespeichert werden kann das EE-Gas in bereits vorhandenen unterirdischen Erdgasspeichern, deren Kapazität bereits heute für eine regenerative Vollversorgung ausreichen würde.[154]
    Thermodynamische Speicher: Mit überschüssigem Strom wird Luft in Kavernen gedrückt. Im Bedarfsfall entweicht die Luft wieder, wobei der Luftdruck einen Generator antreibt (Druckluftspeicherkraftwerk).