Kurs: Technik, Energie und Nachhaltigkeit | OnCourse UB

  • Lektion 5

    • Übersicht der Erneuerbaren Energien


      Zu den Erneuerbaren Energien zählen die:

      • Sonnenenergie (Photovoltaik, Solarthermie),
      • Windkraft (an Land, auf See),
      • Bioenergie (feste Biomasse wie Holz, Energiepflanzen, biogener Anteil von Abfällen),
      • Wasserkraft (Laufwasser, Pumpspeicher)
      • Meeresenergie (Wellen, Gezeiten, Strömung)
      • Geothermie (oberflächennah, Tiefengeothermie) und Umgebungswärme.


      Sonnenenergie

      An der Außenhülle der Erdatmosphäre beträgt die Leistung senkrecht einfallender Sonnenstrahlen im Mittel 1.367 Watt pro Quadratmeter (W/m²). Auf dem Weg durch die Atmosphäre wird die Leistung durch Reflexion, Streuung und Absorption gemindert, so dass bei "blauem Himmel" mittags ca. 1.000 W/m² senkrecht auf die Erdoberfläche einfallen. Dieser Einstrahlungswert von 1 kW/m² wird als Referenzwert für die Ermittlung der Nennleistung von Solarmodulen herangezogen. Die Sonnenenergie kann direkt und indirekt genutzt werden. Die Primärproduktion der photoautotrophen Pflanzen ermöglicht die Nutzung von Resthölzern oder Energiepflanzen (Biomasse).



      Windkraft

      Die Erdatmosphäre besitzt die Fähigkeit aus den Temperaturunterschieden durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung Bewegungsenergie, sprich Wind, zu erzeugen. Das Potential an Offshore- (auf dem Wasser) und Onshore- (auf dem Land) Windkraftanlagen ist hoch, eine neue Studie des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena rechnet eine theoretische Windkraftleistung auf der Erde von 250 Terawatt (0,5 Watt pro m2), wenn die ganze Erdoberfläche mit Windkraftanlagen bedeckt wäre (Kleidon 2023). Bis 2050 wird weltweit ein totaler Energiebedarf an 30 Terawatt prognostiziert, gegenwärtig werden weltweit rund 0,7 Terawatt mit Windkraft produziert (vgl.: Emeis, 2023: Karlsruher Institut of Technology)


      Wasserkraft

      Das Potential der Erzeugung von Wasserkraft ist in Deutschland nicht sehr hoch, weltweit haben aber Flusslaufwasserkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke sowie Wellenkraft, Gezeiten- und Meeresströmungskraftwerke eine große Relevanz. Im Jahr 2022 konnten 17,5 Terawattstunden Strom aus Wasserkraft in Deutschland bereitgestellt werden, das sind rund 3% der Bruttostromerzeugung (zum Vergleich Windkraft 21,7% und PV 10,5% in 2022). Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) könnte die Wasserkraft bis 2050 rund 16% der weltweiten Stromerzeugung abdecken (vgl.: Klimaschutzland Baden-Württemberg PR Mitteilung vom 29.09.2023).


      Biomasse

      Den Vorteilen der lagerbaren Biomasse, z.B. kontinuierlichen Anpassung an die Heizlast und damit Ausgleich von volatilen Erneuerbaren Energien, steht der Nachteil ihrer CO2-Emission bei Verbrennung im Holzhackschnitzelkraftwerk gegenüber. Auch wenn diese grundsätzlich bisher CO2-neutral bilanziert wurde, so sollen in Deutschland in der Fortschreibung der Energiewende Technologien gestärkt werden, die Heizenergie durch Grünstrom bereitstellen (Wärmepumpensysteme) oder wasserstoff-basiert bzw. bioerdgas-basiert betrieben werden. Auch die Fortentwicklung von geothermischen Systemen und Wärmerückgewinnung aus Rechenzentren und Abwasser wird eine Reduktion der CO2-Emission von thermischen Biomasseanlagen bringen.


    • Energiespeicher
      Energiespeicher sind ein unverzichtbarer Teil der erneuerbaren Energiewirtschaft, damit dezentrale Erzeugung und die Volatilität der Sonne- und Wind-basierten Stromerzeugung ausgeglichen werden kann. Energiespeicher werden in Stromspeicher, chemische Energiespeicher und Wärmespeicher eingeteilt. 
      Wärmespeicher werden in drei Gruppen eingeteilt: Pufferspeicher, Latentwärmespeicher und Thermochemische Speicher. Sie haben den Nachteil, dass die Leitung von Wärme über große Distanzen mit Leitungsverlusten verbunden ist. Neben den augenblicklich wegen ihrer hohen Energiedichte vorteilhaften, aber schweren und immer noch teuren, Lithium-Ionen-Batteriezellen werden in Zukunft Wasserstoffspeicher für die Speicherung volatiler Wind- oder Sonnenenergie voraussichtlich eine bedeutende Rolle einnehmen.
      Energieumwandlung

      Bei der Umwandlung von elektrischer Energie, z.B. Einspeicherung in eine Batteriezelle, in Bewegung oder Wärme kommt es zu Umwandlungsverlusten. Aus diesem Grund ist beispielsweise der direkte Antrieb eines Elektro-PKW über ein Batteriesystem effizienter, als wenn in einem zusätzlichen Schritt über die sogenannte Elektrolyse (wird später noch erläutert) zunächst Wasserstoff hergestellt wird, der dann in einem zweiten Schritt in der Brennstoffzelle über einen e-Motor ein Brennstoffzellenfahrzeug antreibt. 

      Bei einem e-Auto kommen rund 70 Prozent der gespeicherten Strommenge zum Tragen („Tank to Wheel“), im Vergleich dazu sind es beim Brennstoffzellenfahrzeug nur 20%. Ein mit Wasserstoff betriebenes Auto benötigt außerdem das Dreifache an Energie im Vergleich zu einem batterieelektrischen Auto (vgl.: ENBW 2024). Nichtsdestotrotz wird der Wasserstoffantrieb in Zukunft eine Bedeutung im Schwerlast-, Schiffs- oder Flugverkehr bekommen, weil sich hier batterieelektrisch keine großen Reichweiten erreichen lassen.


      Referenzen

      Kleidon, Axel (2021): Physical limits of wind energy within the atmosphere and its use as renewable energy: From the theoretical basis to practical implications. Contributions to Atmospheric Sciences. Meteorologische Zeitschrift Vol. 30 No. 3 (2021), p. 203 – 225. DOI: 10.1127/metz/2021/1062
      Link: https://www.mdr.de/wissen/energiewende-potenzial-und-grenzen-der-windkraft-100.html). ;

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