Alternative Energie

Was ist alternative Energie?

Energie ist Leben: Jedes Lebewesen ist Teil des Energiekreislaufs und benötigt sie, um zu existieren. Diese Energie geht nicht verloren, sondern wird als Teil des Ganzen wieder in anderer Form zurückgeführt. Durch die Auslegung des Energieerhaltungssatzes ist der Mensch in der Lage, mechanische und technische Systeme zu entwickeln, um Energie bedarfsgerecht umzuwandeln. Energie in Form von Strom, Wärme und Kraftstoff gehören heute neben medizinischer Versorgung, sauberem Trinkwasser und Nahrungsmitteln zu selbstverständlichen Versorgungsgütern. Die erforderliche Leistung wächst mit den jeweiligen Ansprüchen. Fossile Brennstoffe waren lange Zeit Hauptträger der Energiewirtschaft. Der Fortschritt verlangt jedoch nach alternativer Energie, um zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden, denn Rohstoffe, wie Kohle, Uran, Erdöl und –gas sind erschöpfliche Ressourcen.

Weltweit arbeiten Forscher und Entwickler an der Umsetzung innovativer Verfahren zur Energiegewinnung, ohne dabei auf fossile Brennstoffe zurückgreifen zu müssen. Energieträger können dabei sowohl aus endlichen, als auch unerschöpflichen Quellen stammen. Die alternative Energie beschäftigt sich mit beiden Formen der Ausgangsstoffe. Abzugrenzen ist hierbei der Fachterminus Erneuerbare Energie beziehungsweise Regenerative Energie. Diese bedient sich ausschließlich CO2-neutralen Primärquellen, wie Wind-, Wasser- und Solarenergie. Zu dieser Gruppe zählen außerdem die Biomasse und Geothermie (Erdwärme). Das umfasst im Wesentlichen alle Vorkommen, die unerschöpflich sind. Des Weiteren ist der Umstieg auf alternative Quellen bereits in naher Zukunft kostengünstiger als ihr fossiles Pendant. Vielfältige Optionen der regenerativen Energiegewinnung ermöglichen die optimale Nutzung vorhandener, natürlicher Quellen, genau dort, wo maximales Potenzial möglich ist.

Durch das Umdenken der Bevölkerung gehört es heute zum guten Ton, eigenes Gemüse im Garten anzubauen, um nicht nur die Haushaltskasse zu entlasten, sondern in gewisser Weise auch zum ökologischen Gleichgewicht beizutragen. Eigenheimbesitzern wird durch staatliche Subventionierung die Möglichkeit eingeräumt, eine Solaranlage auf dem Dach zu installieren. Der erzeugte Strom kann mit Hilfe eines Stromspeichers, außerhalb der Sonnenstunden, genutzt werden. Die Photovoltaikanlage ist in der Lage – je nach Größe – den gesamten Haushalt dezentral mit Energie zu versorgen. Durch eigene Solarkollektoren können die Stromkosten um mehr als die Hälfte gesenkt werden. Das hat zur Folge, dass sich die Anschaffung einer solchen Anlage bereits nach circa zwei Jahren amortisiert.

Dieser Beitrag soll als Grundlage dazu dienen, einen zusammenfassenden Überblick über das Thema alternative Energie mit Schwerpunkt auf erneuerbare Energiequellen zu erhalten.

Vielfältige Möglichkeiten der Energiegewinnung

Primärenergie kann zumeist nicht direkt vom Verbraucher genutzt werden. Diese wird in den meisten Fällen durch verschiedene Verfahren in Sekundärenergie umgewandelt oder veredelt. Grundlastfähig sind dabei leider nur wenige Formen der alternativen Energiegewinnung, da nicht alle Energieträger eine konstante Versorgung gewährleisten. Für die optimale Nutzung der verfügbaren Energie existieren diverse Energiequellen, die je nach Standort genutzt werden, wie zum Beispiel

Windenergie
Solarenergie
Wasserkraft
Geothermie
und Energie aus Biomasse.

Windenergie

Die Erzeugung von elektrischem Strom mittels Windkraft ist heute die bedeutendste Nutzung der Windenergie. Dabei wird in großen Anlagen die Bewegungsenergie des Winds an Rotoren in Drehmoment übersetzt und in elektrodynamischen Generatoren zu elektrischem Strom umgewandelt. Moderne Anlagen nutzen dabei Rotorflügel, die nach dem Auftriebsprinzip, wie bei einem Flugzeugflügel, im Wind stehen. Bei optimalen Bedingungen könnten diese Anlagen sogar bis zu 59 Prozent der reinen Windkraft zur Energiegewinnung nutzen. Ganze „Windparks“ sorgen auf dem Land oder Offshore, auf See, für sauberen, Kohlenstoffdioxid-neutralen Strom. Der größte Teil der Anlagen befindet sich jedoch an Land. Schätzungen gehen davon aus, dass in den kommenden Jahren der Zubau im Offshore-Sektor nur 20 Prozent erreichen wird. Die bisher gebauten Anlagen leisten knapp 540 Gigawatt Nennleistung, das sind knapp vier Prozent des weltweiten Strombedarfs. Diese Nennleistung gibt allerdings nicht den tatsächlichen Ertrag an. Luftdichte, Windgeschwindigkeit und Rotorfläche bestimmen die Leistung des Windkraftwerks. Die Anlagen müssen bei zu starkem Wind heruntergefahren werden und erzeugen weniger Strom bei zu schwacher Windleistung. Durch diese Unbeständigkeit ist keine konstante Wirtschaftlichkeit garantiert. Ein weiterer Aspekt ist der Standortfaktor der Anlage. Auf dem flachen Land, wo der Luftstrom nicht von Erhebungen oder Vegetation abgelenkt wird, ist der Ertrag deutlich kontinuierlicher als in den Bergen. Dort ist die Luft dünner und die Strömungen weniger vorhersehbar. Windkraft ist aus diesen Gründen nicht grundlastfähig.

Der gesamte 2017 in Deutschland alternativ erzeugte Strom stammte zu 48,9 Prozent aus Windenergie.

Sonnenenergie

Die Sonne, Energiespenderin unseres Planeten, ist mit Abstand die wichtigste Energiequelle. Angefangen bei der Photosynthese und dem Klima wäre ohne sie gar kein Leben auf der Erde möglich. Sie versorgt uns durch die Pflanzen mit Sauerstoff und Nahrung. Ihre Wärme erhitzt die Oberfläche unseres Planeten und treibt Meeresströmungen und Winde an, die unverzichtbar für unser stabiles Klima sind. Die Energie der Sonne, die von der Erdoberfläche absorbiert wird, würde ausreichen, um den weltweiten Energiebedarf zehntausendfach abzudecken. Die Solarenergiegewinnung steht auf zwei Säulen. Eine ist die einfache Erhitzung von Wasser durch Solarthermieanlagen, zum Beispiel auf den Dächern von Eigenheimen oder Solarfarmen. Das Warmwasser wird zur Erhitzung des Brauchwassers verwendet. Strom wird durch Bündelung der Sonnenstrahlen in Solarthermie-Kraftwerken, die aus komplexen Spiegelsystemen bestehen, gewonnen. Diese erhitzen einen zentralen Absorber und erzeugen mit Hilfe eines Wärmeträgermediums und Dampfturbinen elektrische Energie. Die Zweite ist die elektrochemische Umwandlung der Strahlung in Elektrizität. Solarzellen fangen die Strahlung ein und durch Halbleitertechnologie wird diese in elektrischen Strom transformiert. Diese Anlagen finden sich oft auf großen Dachflächen, wie Mehrfamilienhäusern oder Industrieanlagen sowie auf Feldern. Solarenergie ist grundsätzlich überall verfügbar. Leider unterliegt sie aber auch tages- und jahreszeitlichen Schwankungen. Solaranlagen haben in unseren Breitengraden nur selten einen optimalen Wirkungsgrad. Nachts, wenn die Sonne gar nicht scheint, wird auch keine Energie erzeugt. Ist die Anlage verschmutzt, durch Schnee verdeckt oder der Einfallswinkel zu steil oder zu flach, senkt das den Energieertrag. Für Solarenergie aus Solarzellen werden aufwendige Regel- und Speichersysteme benötigt. Im Jahr 2017 leisteten alle Solaranlagen weltweit 390 Gigawatt. Das sind etwa zwei Prozent der weltweiten Stromerzeugung. Schätzungen gehen davon aus, dass bis 2030 der Anteil an Solarenergie auf 13 Prozent wachsen könnte.

Innerhalb der Verfahren zur alternativen Energiegewinnung lag der Anteil an Solarstrom in Deutschland im Jahr 2017 bei 18,3 Prozent.

Wasserkraft

Wasserkraft bedeutet, die Strömung des Wassers zu nutzen, um über Turbinen in Generatoren elektrischen Strom zu erzeugen. Es gibt verschiedene Formen der Wasserkraftwerke. Die häufigsten Vertreter sind Buchtenkraftwerke. Diese gehören, wie Wasserräder, zu den Laufkraftwerken und nutzen die reine Strömungskraft des Gewässers. Sie stehen in einer künstlichen Bucht am Rand eines Flusses. Durch die Konstruktion wird der natürliche Lauf des Fließgewässers nicht verengt und Hochwässer können ungehindert abfließen. Bei Laufkraftwerken mit Schwellbetrieb wird das Flusswasser in Wehren oder Stauseen angestaut. Zu Lastzeiten wird das Wasser durch Turbinen geleitet, was einerseits durch den Höhenunterschied zu optimaler Auslastung führt und andererseits den erhöhten Strombedarf deckt. Speicherkraftwerke stauen in großen Stauseen oder Dämmen eine große Menge Wasser auf, um es bei Bedarf durch Turbinen zu leiten. Die Konstruktion von Speicher- und Laufkraftwerken mit Schwellbetrieb unterscheidet sich nur in geringem Maße. Speicherkraftwerke dienen durch den großen Durchfluss mehr der Spitzenlastabdeckung, Laufwasserkraftwerke stauen meist nur zum Zweck der größeren Fallhöhe auf. Pumpspeicherkraftwerke pumpen bei Stromüberschuss das Wasser eines Sees in ein höhergelegenes Reservoir, um es bei Bedarf wieder durch die Turbinen zu leiten.

Das Gezeitenkraftwerk nutzt die Bewegung des Wassers zwischen Ebbe und Flut, um die Turbinen anzutreiben. An Standorten mit ausgeprägten Höhenunterschieden zwischen den Gezeiten werden in Dämmen verbaute Turbinen, durch die die Wassermassen geleitet werden, so bei jeder Tide angetrieben. Das Salzwasser schädigt die Turbinen. Es gibt nur wenige geeignete Standorte und die Inflexibilität der Gezeiten machen diese Form der Energiegewinnung unwirtschaftlich.

Die Kraft des Wassers ist grundsätzlich verlässlich, eignet sich gut als Speichermedium und ist bei Bedarf innerhalb kürzester Zeit abrufbar. Deshalb können Wasserkraftwerke gut zur Grundlastabdeckung und als Ergänzung zu Spitzenlastzeiten oder bei Ausfällen genutzt werden.

2017 stammten 9,1 Prozent der gesamten alternativen Stromerzeugung Deutschlands aus der Wasserkraft.

Geothermie

Geothermie bezeichnet die Erzeugung von Wärme- und elektrischer Energie aus der Hitze des Erdkerns sowie aus dem Zerfall radioaktiver Elemente in der Erdkruste. Sie wird grob in oberflächennahe und tiefe Geothermie klassifiziert. Da die Erdkruste nicht von jahreszeitlichen Temperaturschwankungen beeinflusst wird, ist die Eingangstemperatur bei Geothermie-Anlagen immer konstant. Die oberflächennahe Erdwärme wird mit Bohrungen von bis zu 400 Metern definiert. Bei ihr wird in die obere Erdkruste gebohrt. Die pro Meter um etwa 3 Grad Celsius steigende Temperatur wird durch Erdkollektoren, Erdwärmesonden, Grundwasserbrunnen oder auch erdberührte Betonbauteile („Energiepfähle“) nutzbar gemacht. Diese Anlagen eigenen sich zum Beispiel gut, um Eigenheime, Industriegebäude oder Mehrfamilienhäuser mit günstigem Warmwasser oder Heizanlagen zu versorgen. Es gibt Gegenden mit geologischen Besonderheiten, wie oberflächennahen Magmaschichten oder thermalen Quellen. Hier kann die Temperatur schon ausreichen, um auch Dampfturbinen zur Stromerzeugung anzutreiben.

Die Tiefen-Geothermie ist in zwei Verfahren unterteilt. Bei der hydrothermalen Methode werden Grundwasserreservoirs in großer Tiefe mit entsprechender Temperatur an die Anlage angeschlossen. Die petrothermale Methode bedient sich dem erhitzten Grundgestein als Energiequelle. Diese beiden Systeme werden vor allem für Fernwärmeanlagen, die ganze Dörfer oder Stadtteile versorgen, genutzt. Bei tiefen Bohrungen werden zudem höhere Temperaturniveaus erreicht, was die Erzeugung von elektrischem Strom durch Dampfturbinen deutlich effektiver und kostengünstiger werden lässt. 2015 waren weltweit Anlagen mit einer thermischen Leistung von insgesamt 70.270 Megawatt, sowie mit einer elektrischen Leistung von 12.590 Megawatt installiert. Außerdem reduziert die geothermische Wärmeproduktion den Bedarf an fossilen Brennstoffen. Sie ersetzte 2015 über 52 Millionen Tonnen Erdöl und reduzierte den CO2-Ausstoß in die Atmosphäre um 148 Millionen Tonnen. Die Stetigkeit von Geothermie macht sie zu einer guten Quelle für saubere Energie, vor allem in Form von Fernwärme.

Da Deutschland leider über wenig gute Standorte zur Stromerzeugung über Geothermie verfügt, erreichte diese 2017 nur einen Anteil von circa 0,1 Prozent an der gesamten alternativen Stromerzeugung Deutschlands.

Energie aus Biomasse

Biomasse ist eine der flexibelsten alternativen Verfahren zur Energiegewinnung. Darunter werden alle organischen Stoffe, die durch Fermentierung oder Verbrennung Energie erzeugen, bezeichnet. Aus pflanzlichen und tierischen Abfällen wird Methangas gewonnen. Dieses kann durch Gasturbinen zu Strom und Wärme umgewandelt, sowie per Nah- oder Fernwärme weitertransportiert werden. Der dabei gewonnene elektrische Strom wird in das Netz eingespeist. Die Zwischenlagerung von Methangas erfolgt in großen Tanks. In Form von Biogas wird das Methangas ins Erdgasnetz geleitet oder als Kraftstoff für gasbetriebene Fahrzeuge verwendet. Blockheizkraftwerke (BHKW) verbrennen feste Stoffe, zum Beispiel Holzabfälle, um Wärme zu erzeugen. Durch eine Kraft-Wärme-Kopplung wird dabei gleichzeitig elektrische Energie erzeugt und die Abwärme für Nah- und Fernwärme genutzt. Im kleinen Maßstab sorgen Miniatur-BHKW oder Holzpellet-Heizungen in Kellern für CO2-neutrale Wärme in Eigenheimen oder Mehrfamilienhäusern. Biomasse wird direkt aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen oder indirekt aus den Abfällen landwirtschaftlicher Betriebe. Pflanzen beispielsweise binden im Verlauf Ihres Lebens Kohlenstoffdioxid. Tiere erzeugen durch ihre Ausscheidungen eine vergleichbare Menge, die bei der Verbrennung des Dungs wieder abgegeben wird. Die Verbrennung oder Fermentierung ist im Vergleich zu fossilen Brennstoffen klimaneutral.

Der Anteil von Biogas an der alternativen Stromerzeugung in Deutschland lag im Jahr 2017 bei knapp 15 Prozent. Diese Festbrennstoffe belegten in diesem Ranking 4,9 Prozent und nur 0,2 Prozent entfielen auf die flüssigen biogenen Brennstoffe.