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Erneuerbare Energien

Erneuerbare Energien sollen in Deutschland künftig den Hauptanteil der Energieversorgung übernehmen. Bis 2050 soll ihr Anteil an der Stromversorgung mindestens 80 Prozent betragen. Die erneuerbaren Energien müssen daher kontinuierlich in das Stromversorgungssystem integriert werden, damit sie die konventionellen Energieträger mehr und mehr ersetzen. Dies erfordert einen grundlegenden Umbau des Energieversorgungssystems. Die Sicherstellung einer zuverlässigen, umweltverträglichen und volkswirtschaftlich effizienten Stromversorgung ist dabei eine der großen Herausforderungen der Energiewende.

Photovoltaik

  • Photovoltaikanlagen und Solarzellen

Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Herzstück jeder Solarzelle ist ein Halbleiter, der meist aus Silizium besteht und den "photovoltaischen Effekt" nutzt: Bei bestimmten übereinander angeordneten Halbleiterschichten entstehen unter dem Einfluss von Licht (Photonen) freie Ladungen, die als Elektronen über einen elektrischen Leiter abfließen können. Der so entstehende Gleichstrom kann direkt zum Betrieb elektrischer Geräte genutzt oder in Batterien gespeichert werden. Wird er in Wechselstrom umgewandelt, kann er auch in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Das ist heute die häufigste Art, den Solarstrom zu nutzen.

In Deutschland tragen netzgekoppelte Photovoltaikanlagen maßgeblich zur Stromversorgung bei. Sie bestehen aus der eigentlichen Solaranlage, die bei direkter oder indirekter Einstrahlung Gleichstrom liefert, und einem Wechselrichtersystem, in dem Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und dann direkt von Haushaltsgeräten genutzt oder ins Netz eingespeist werden kann. Neben der Windenergienutzung an Land ist die Photovoltaik heute und in Zukunft eine wichtige Säule der Stromversorgung in Deutschland.

  • Solarthermische Kraftwerke

In solarthermischen Kraftwerken werden die Sonnenstrahlen mit Brennspiegeln gebündelt. Sie erhitzen eine Flüssigkeit, die dann eine konventionelle Turbine antreibt. Diese Kraftwerke bestehen also aus einem innovativen Teil zur solaren Wärmeerzeugung und einem konventionellen Teil zur Stromerzeugung.

Als Standorte für solarthermische Kraftwerke kommen hauptsächlich die sonnenreichen Zonen der Erde in Frage, da nur ein Teil der Sonnenenergie genutzt werden kann. Lediglich die direkte Strahlung kann gebündelt werden. Der hohe Anteil diffuser Strahlung und die insgesamt niedrigere Einstrahlung erschweren den wirtschaftlichen Einsatz in Ländern wie Deutschland. 

  • Solarwärmeanlagen und Sonnenkollektoren

Mit Solarkollektoren wird die Strahlung der Sonne in Wärme umgesetzt, um Wasser für den täglichen Bedarf zu erwärmen oder Gebäude zu heizen. Solarthermische Anlagen eignen sich zur Erwärmung von Trinkwasser und zur Aufbereitung von heißem Wasser für die Heizungsanlage. Großes Potenzial liegt in der Speicherung von Solarwärme im Sommer für den Winter und der Verteilung von heißem Wasser über Nahwärmenetze.

Solaranlage

© pixabay

Onshore - Windenergie an Land

Die Windenergie beeinflusst maßgeblich die Erfolgsgeschichte der erneuerbaren Energien. Heute hat sie einen Anteil von fast zehn Prozent am Bruttostromverbrauch. Die Nutzung des Windes als Energiequelle spielt daher eine tragende Rolle bei der Entwicklung der erneuerbaren Energien hin zu einer wirtschaftlich tragfähigen und klimaverträglichen Energieversorgung bei angemessenen Preisen und hohem Wohlstandsniveau.

Windenergieanlagen nutzen die Bewegungsenergie des Windes, die durch unterschiedliche Luftdruckverhältnisse in der Nähe der Erdoberfläche entsteht. Moderne Windenergieanlagen nutzen das Auftriebsprinzip anstatt des Widerstandsprinzips. Der Wind erzeugt beim Vorbeiströmen an den Flügeln der Anlage einen Auftrieb, der die Flügel der Anlage in Rotation versetzt. Während in anderen Regionen der Welt die Windenergie auch zum Antrieb von Pumpen eingesetzt wird, dienen Windenergieanlagen in Deutschland heute ausschließlich der netzgekoppelten Erzeugung von Elektrizität.

Onshore Windkraft

© pixabay

Offshore - Windenergie auf See

Die Offshore-Windenergie stellt einen wichtigen strategischen Baustein in der Energie- und Klimapolitik der Bundesregierung dar. So sollen gemäß der Ziele der Bundesregierung bis zum Jahr 2030 in deutschen Gewässern 15.000 Megawatt Windenergieleistung errichtet werden.

Die Umsetzung der Offshore-Ziele bringt gerade durch die besonderen Umstände in Deutschland einige Herausforderungen mit sich. Mit Rücksicht auf den Umweltschutz sowie das Landschaftsbild an den Küsten von Nord- und Ostsee wird die überwiegende Mehrzahl der Offshore-Projekte in deutschen Gewässern in großer Entfernung zur Küste geplant und errichtet. Aufgrund der größeren Küstenentfernungen ergeben sich so komplexere technische Herausforderungen, als dies bei küstennahen Windparks der Fall wäre. Dies betrifft zum Beispiel den technisch anspruchsvolleren Netzanschluss wie auch die aufwendigere Errichtung und Wartung.

Offshore Windpark

© pixabay

Bioenergie

Biomasse ist bisher der vielseitigste erneuerbare Energieträger in Deutschland. Sie wird in fester, flüssiger und gasförmiger Form zur Strom- und Wärmeerzeugung und zur Herstellung von Biokraftstoffen genutzt. Knapp über zwei Drittel der gesamten Endenergie aus erneuerbaren Energiequellen wurde 2013 durch die verschiedenen energetisch genutzten Biomassen bereitgestellt. Die Nutzung von Bioenergie soll in den Sektoren Wärme, Verkehr und Strom weiter ausgebaut werden.

Neben der land- und forstwirtschaftlich bereitgestellten Biomasse stehen Reststoffe und Abfälle biogenen Ursprungs für die energetische Nutzung zur Verfügung. Hierzu zählen Alt- und Gebrauchtholz, Bioabfälle (zum Beispiel die Biotonne), Gülle/Festmist und Getreidestroh. Die Erschließung dieses Potenzials wird in Zukunft im Vordergrund stehen. Bei neuen Anlagen im Strombereich sollen künftig vor allem Abfall- und Reststoffe zum Einsatz kommen.

Der in Deutschland mit Abstand wichtigste Bioenergieträger ist das Holz. Der inländische Verbrauch von Holzrohstoffen hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten kontinuierlich zugenommen. Zu den Holzrohstoffen gehören Waldholz, Altholz (Gebrauchtholz), Landschaftspflegematerial, aber auch Industrierestholz. Neben der Forstwirtschaft ist die Landwirtschaft ein wichtiger Lieferant von Biomasse für die energetische Nutzung. Im Vordergrund steht dabei der Rapsanbau zur Biodieselproduktion, die Bereitstellung von Substraten für die Biogaserzeugung  und der Anbau von stärke- und zuckerhaltigen Pflanzen zur Bioethanolherstellung.

Biogasanlage Oberkrämer

© Regionale Planungsgemeinschaft Prignitz-Oberhavel

Geothermie

Geothermie – auch Erdwärme genannt – ist eine nach menschlichen Maßstäben unerschöpfliche Energiequelle. Wenn man von der Erdoberfläche in die Tiefe vordringt, findet man auf den ersten 100 Metern Tiefe eine nahezu konstante Temperatur von etwa 10 Grad Celsius vor. Danach steigt die Temperatur mit jeden weiteren 100 Metern, je tiefer man kommt, im Mittel um 3 Grad Celsius. Dies nennt man Erdwärme (Geothermie) und man kann sie mit verschiedenen technischen Verfahren zur Energiegewinnung nutzen.

Hierfür gibt es drei verschiedene Verfahren: die oberflächennahe Geothermie (bis 400 m Tiefe) sowie geothermische Systeme, die warmes, im Untergrund vorhandenes Wasser nutzen (bis ungefähr 4500 Meter Tiefe) und Systeme, die Wärme aus dem tiefen Gestein für die Stromerzeugung verwenden (in Fachkreisen auch petrothermale Geothermie genannt), welche gegenwärtig bis 5000 Meter Tiefe vordringen.

Erdwärme der oberflächennahen Geothermie wird meistens mithilfe von Wärmepumpen genutzt. Diese Form der Geothermienutzung ist auch für Privatpersonen möglich. Mit einer Wärmepumpenanlage kann ein Gebäude mit Heizwärme, Kälte und Warmwasser versorgt werden. Effiziente Wärmepumpen werden im Marktanreizprogramm gefördert.

Wasserkraft

Wasserkraft wurde schon in vorindustrieller Zeit zum Antrieb von Mühlen, Säge- und Hammerwerken genutzt. Die kinetische und potenzielle Energie einer Wasserströmung wird über ein Turbinenrad in mechanische Rotationsenergie umgewandelt, die zum Antrieb von Maschinen oder Generatoren genutzt werden kann. Heute wird mit Wasserkraft in Deutschland fast ausschließlich elektrischer Strom erzeugt. Die Wasserkraft ist eine ausgereifte Technologie, mit der weltweit – an zweiter Stelle nach der traditionellen Nutzung von Biomasse – der größte Anteil an erneuerbarer Energie erzeugt wird. 

Die größten Potenziale zur Nutzung der Wasserkraft liegen in den südlichen Bundesländern, da hier der Voralpenraum für ein günstiges Gefälle sorgt. Wasserwerke unterscheiden sich in kleine (kleiner als 1 Megawatt) und große Anlagen (größer als 1 Megawatt). Von den großen Wasserkraftanlagen in Deutschland sind 20 Prozent Speicherkraftwerke und 80 Prozent Laufwasserkraftwerke.

Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Wasserkraft

© pixabay
            
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