Erneuerbare Energien: Wissenswertes zu den nachhaltigen Energiequellen

Erneuerbare oder regenerative Energien stehen quasi unendlich zur Verfügung oder erneuern sich relativ schnell. Das macht sie im Vergleich zu fossilen Energien besonders interessant. Hier erfahren Sie, was man genau unter erneuerbaren Energien versteht, welche Arten es gibt, welchen Anteil sie im Stromsektor ausmachen und wo die Vor- und Nachteile der regenerativen Energien liegen.

Was sind erneuerbare Energien?

Erneuerbare Energien sind Energien, die mit Hilfe von in der Natur stattfindenden Prozessen gewonnen oder aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Somit sind es Energien aus nachhaltigen Quellen wie Wind, Sonne, Wasser, Biomasse oder Erdwärme.

Sie werden zur Erzeugung von Strom, Wärme oder Kraftstoffen genutzt. Erneuerbare Energien stehen in Abgrenzung zu fossilen Energien, die aus Erdöl, Erdgas, Stein- und Braunkohle sowie Uranerz gewonnen werden. Der Einsatz und Ausbau erneuerbarer Energien trägt zur Energiewende bei, also dem Übergang der nicht-nachhaltigen Nutzung fossiler Energieträger und der Kernenergie zur nachhaltigen Energieversorgung.

Durch verschiedene Umlagen fördert dabei jeder Haushalt in Deutschland die Energiewende, auch wenn er weder eine eigene Photovoltaikanlage besitzt oder durch Erdwärme heizt.

Was sind die Vor- und Nachteile erneuerbarer Energien?

Vorteile erneuerbarer Energiequellen:

  • Klimafreundlich; saubere Alternative zu Öl, Kohle und Gas
  • Äußerst positive Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger
  • Vermeidung von rund 187 Millionen Tonnen Treibhausgas-Emissionen im Jahr 2018 durch die Nutzung erneuerbarer Energien (laut Berechnungen des Umweltbundesamts)
  • Förderung der Unabhängigkeit Deutschlands bzgl. Import von begrenzt zur Verfügung stehenden fossilen Brenn-, Kraft- und Heizstoffen
  • Beitrag zur Versorgungssicherheit und Vermeidung von Rohstoffkonflikten, da erneuerbare Energien so gut wie unerschöpflich und weltweit vorhanden sind

Nachteile erneuerbarer Energiequellen:

  • Komplette Deckung des Energiebedarfs durch erneuerbare Energien ist nach aktuellem technischen Stand noch nicht möglich
  • Versorgung durch regenerative Energien ist relativ teuer (jedoch Sparpotenzial im Laufe der Zeit)
  • Leistung der Anlagen ist nicht beeinflussbar, z. B. geringere Energiegewinnung bei Windstille

Wie hoch ist der Anteil der regenerativen Energien im Sektor Strom?

In den letzten Jahren wurde der wurde der Einsatz erneuerbarer Energien immer weiter vorangetrieben. Mit Erfolg: Schon 2018 lag der Anteil an regenerativen Energien am gesamten Stromverbrauch in Deutschland bei rund 38 Prozent und damit erstmals auf dem etwa gleichen Niveau der Stromerzeugung aus Braun- und Steinkohle zusammen. Ein beachtlicher Zuwachs, wenn man bedenkt, dass er noch um die Jahrtausendwende gerade mal 6 Prozent betrug. Bis zum Jahr 2025 sollen es nach dem EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) sogar 40 bis 45 Prozent werden.

Welche Arten von erneuerbaren Energien gibt es?

Zu den regenerativen Energien zählen Wind-, Solar-, Bioenergie, Wasserkraft und Geothermie. Mit rund 17 Prozent Anteil am Gesamtstromverbrauch in Deutschland hat dabei Windkraft die größte Relevanz.

Die Windenergie

Die unbegrenzt verfügbare und umweltfreundliche Windenergie ist die kinetische Energie der Luftbewegung und eine indirekte Form der Sonnenenergie. Das lässt sich damit erklären, dass alle Erdoberflächen (Erde, Wasser, Sand, etc.) die Wärme der Sonnenenergie absorbieren und diese anschließend wieder abgeben. Allerdings wird die Luft durch die unterschiedlichen Reflexionen der Sonneneinstrahlung von den verschiedenen Oberflächen auch unterschiedlich erhitzt und gekühlt. Das hat zur Folge, dass die heiße Luft aufsteigt und sich der Luftdruck verändert, was letztendlich zu Luftbewegungen führt, die als Wind bezeichnet werden können.

Die Windenergie trägt maßgeblich zur Energiewende Deutschlands bei und leistet mit rund 17 Prozent des gesamten Bruttostromverbrauchs in Deutschland sogar den größten Beitrag zur Stromerzeugung durch erneuerbare Energien. Schon heute gehört die deutsche Windindustrie zu den globalen Technologie- und Marktführern. Dabei bietet die Windenergie durch die sehr kurze Amortisationszeit von drei bis sieben Monaten kurz- und mittelfristig das größte wirtschaftliche Ausbaupotenzial.

Energiegewinnung durch Windkraftanlagen

Die Idee moderner Windkraftanlagen basiert auf dem Prinzip der Energiegewinnung durch Windmühlen. Dabei wandelt die Anlage die Bewegungsenergie des Windes zuerst in mechanische Rotationsenergie und dann in elektrische Energie um. Dabei gilt: Je höher die Windkraftanlage und je größer die Rotationsblätter, desto besser kann die Anlage das Windenergieangebot nutzen.

Die beiden vielversprechendsten Methoden der Windenergienutzung sind das sogenannte Repowering (Austausch älterer Anlagen durch modernere und leistungsfähigere Anlagen) und die Offshore-Windenergie (Windenergienutzung auf dem Meer). Vor allem auf See weht der Wind besonders stark und gleichmäßig, wodurch die Energiegewinnung meistens bedeutend höher ausfällt als bei Windenergieanlagen auf dem Land. Deshalb sind bei der Offshore-Energiegewinnung vor allem sogenannte Windparks (im Englischen: windfarm), eine räumliche Ansammlung von Windkraftanlagen, besonders verbreitet.

Energiegewinnung durch Thermikkraftwerke

In einem Thermikkraftwerk, auch Aufwindkraftwerk genannt, wird aus künstlicher Luftströmung Strom gewonnen. Dabei wird die Luft von der Sonne durch ein großes Glasdach (Kollektor) erwärmt und steigt in einem Kamin auf. Es entsteht ein Aufwind, der mithilfe von einer oder mehrerer Turbinen in elektrische Energie umgewandelt wird. Thermikkraftwerke haben sehr geringe Unterhaltungskosten, dafür aber überdurchschnittlich hohe Investitionskosten. Aus diesem Grund gibt es bis heute nur sehr wenige Auftrieb-Kraftwerke.

Die Sonnenergie

Die Sonnen- oder Solarenergie bezeichnet die Energie, die von der Sonne als Strahlung (in Form von Wärmestrahlung und sichtbarem Licht) zur Erde geschickt wird. Auch sie steht im Gegensatz zu den fossilen Brennstoffen in unbegrenzten Mengen zur Verfügung. Außerdem ist sie äußerst umweltfreundlich. Aus der Energie der Sonne können Strom oder Wärme gewonnen werden.

Entstehung der Sonnenenergie

Sonnenenergie entsteht durch eine Kernfusion im Inneren der Sonne, bei der durch die Verbrennung von Wasserstoff Helium entsteht. Durch diese Reaktion wird Energie mit Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius freigesetzt. Die Oberflächenenergie der Sonne weist Temperaturen um die sechstausend Grad Celsius auf, die in Form von Licht und Wärmestrahlung ins All abgegeben werden. Ein kleiner Teil dieser Energie gelangt anschließend in die Atmosphäre der Erde. Die Sonne existiert seit mehr als viereinhalb Milliarden Jahren und hat in dieser Zeit knapp die Hälfte ihrer Wasserstoffreserven verbraucht. Sie wird die Erde also noch ein paar weitere Milliarden Jahre mit Energie versorgen können. Dabei beträgt die jährlich auf die Erde einstrahlende Energiemenge etwa das 2850-fache des weltweiten Bedarfs. Und schon heute wäre die Technologie in der Lage das Energiepotenzial der Sonne weltweit zu erschließen.

Nutzung der Sonnenenergie

In sogenannten Solarkraftwerken kann die Strahlung der Sonne auf zwei unterschiedliche Arten in nutzbare Energie umgewandelt werden: Fotovoltaik und Solarthermie.

Bei der Solarthermie wird Wärme aus der Sonnenenergie gewonnen. Nach der Umwandlung der Sonnenergie in Wärmeenergie können solarthermische Anlagen bei der Warmwasseraufbereitung und beim Heizen unterstützen. Die Solarthermie ist hauptsächlich für den Eigenverbrauch bestimmt.

Fotovoltaikanlagen wandeln die Sonnenenergie in Strom um und können für den Betrieb von Haushaltgeräten genutzt werden. Im Gegensatz zur Solarthermie können Fotovoltaikanlagen nicht nur für den Eigengebrauch genutzt werden, der Strom kann auch gegen eine Einspeisevergütung (pro kWh) in das Stromnetz eingespeist werden.

Stromanbieterwechsel trotz eigener Fotovoltaik-Anlage

Unabhängig von der Nutzungsart Ihrer Fotovoltaikanlage – Sie sind immer in der Lage, Ihren Stromanbieter zu wechseln. Sollten Sie Ihren Strom ins Netz einspeisen, ist es unglaublich wichtig, zwischen verkauftem und eingekauftem Strom zu differenzieren. Den Anbieter für Ihren eingekauften Haushaltsstrom dürfen Sie seit der Liberalisierung des Strommarkts (1998) beliebig wechseln. Der Strom, den Ihre Fotovoltaikanlage produziert, wird Ihnen automatisch von Ihrem Netzbetreiber abgenommen. Dieser ist sogar gesetzlich dazu verpflichtet, Ihnen eine Einspeisevergütung zu bezahlen. Auch bei einem Stromanbieterwechsel bleibt der Netzbetreiber weiterhin Kunde des eingespeisten Solarstromes und ist laut EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) verpflichtet, diesen nach dem zum Inbetriebnahme-Datum gültigen Einspeisetarif zu vergüten. Ein spezieller Einspeisevertrag ist dabei nicht notwendig, da durch das EEG bereits alles geregelt ist.

Die Wasserkraft

Wasserkraft, oder auch Hydroenergie, bezeichnet die kinetische Energie in fließendem oder gespeichertem Wasser. Sie gehört, als indirekte Form der Sonnenenergie, zu den erneuerbaren Energien und ist dementsprechend in unbegrenzten Mengen und vergleichsweise klimaneutral verfügbar. Wasserkraft wird schon seit Jahrhunderten als nachhaltige Form der Energiegewinnung genutzt. Noch heute ist sie wichtiger Bestandteil der Stromerzeugung.

Wie zeichnet sich Wasserkraft aus?

Die Wasserkraft wurde, ähnlich wie die Windenergie, schon in vorindustrieller Zeit in mechanische Rotationsenergie zum Antrieb von Mühlen, Säge- und Hammerwerken umgewandelt. Heutzutage wird die Wasserkraft größtenteils zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet. Dabei handelt es sich bei der Nutzung der Wasserkraft um eine ausgereifte Technologie. Weltweit wird durch die Wasserkraft, nach der Nutzung von Biomasse, der größte Anteil an erneuerbarer Energie erzeugt. Eine Studie des Bundesamtes für Umwelt kommt allerdings zu dem Schluss, dass das nutzbare Potenzial der Wasserkraft weitestgehend ausgeschöpft ist und die Energie des Wassers keinen bedeutenden Teil zur Bruttostromerzeugung in Deutschland beitragen wird.

Die unterschiedlichen Wasserkraftwerke

Alle Wasserkraftwerke beruhen auf dem Prinzip von Wasserrädern, die schon in der Antike zur Gewinnung mechanischer Energie verwendet wurden. Die kinetische Energie des Wassers treibt im Inneren des Kraftwerks eine Turbine an, die wiederum einen Generator antreibt. Dieser Generator wandelt die Energie anschließend in Strom um.

  • Kleinwasserkraftwerke, oder auch Mikrowasserkraftwerke, sind immer in Flüssen installiert und haben eine Leistung zwischen drei und zehn Kilowattstunden. Sie sind im Gegensatz zu den anderen Kraftwerken einfach zu produzieren und leicht zu montieren und haben vor allem in Flüssen mit ausreichender Strömungsgeschwindigkeit ein hohes Potenzial. Kleinwasserkraftwerke können privat gebaut und die Energie entweder selbst genutzt oder in das öffentliche Netz eingespeist werden. Allerdings ist es schwierig, ein Kleinwasserkraftwerk wirtschaftlich zu betreiben, da es meistens eine sehr lange Amortisationszeit hat.
  • Speicherkraftwerke speichern, wie der Name schon verrät, die Energie des Wassers. Dafür nutzen diese Anlagen die hohe Speicherkapazität natürlicher Wasserquellen wie Talsperren oder Bergseen. Speicherkraftwerke sind schon nach wenigen Minuten einsatzbereit und wandeln erst bei Bedarf die Wasserkraft in elektrischen Strom um. Das hat den Vorteil, dass Speicherkraftwerke schwarzstartfähig sind, d.h. sie können andere Kraftwerke bei einem totalen Stromausfall wieder hochfahren und in Schwachlastzeiten den elektrischen Strom als potenzielle Energie zwischenspeichern, um ihn in Spitzenlastzeiten wieder abzurufen.
  • Laufwasserkraftwerke nutzen die Strömung eines Flusses oder eines Kanals zur Stromerzeugung und befinden sich meistens an einem Gewässer mit einer hohen Fließgeschwindigkeit, einem großen Wasserdurchfluss und einem natürlichen oder künstlichen Gefälle. Sie können kein Wasser speichern und sind daher eher geeignet, den Grundbedarf an Strom in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Die Anlagen werden aus wirtschaftlichen Gründen häufig in Verbindung mit Schleusen gebaut.

Wellenkraftwerke und Gezeitenkraftwerke im Meer

Aber nicht nur die Wasserkraft aus Flüssen und Seen kann genutzt werden, auch die Wasserkraft des Meeres kann durch Wellen- und Gezeitenkraftwerke elektrischen Strom erzeugen. Hier spielt die Anziehungskraft des Mondes und die Gezeitenbildung eine wichtige Rolle. Wellenkraftwerke erzeugen Strom durch die Energie von Meereswellen. Dabei wird die komplette Energie der Wellenbewegung genutzt und mit verschiedenen Verfahren in Strom umgewandelt. Gezeitenkraftwerke nutzen den Tidenhub zur Stromerzeugung, also die Unterschiede bei Lage- und Bewegungsenergie des Wassers von Ebbe und Flut. Diese Anlagen werden in Buchten oder Flussmündungen errichtet, um die Wasserströmung, die durch die Gezeiten entsteht, komplett zu nutzen.

Das Potenzial der Wellen- und Gezeitenkraft ist noch lange nicht voll ausgeschöpft und die Technologie zur Stromerzeugung durch die Meeresenergie steckt noch in den Kinderschuhen. Der internationale Weltenergierat geht davon aus, dass durch Gezeiten- und Wellenkraftwerke bis zu 15 Prozent des globalen Strombedarfs gedeckt werden könnten. Allerdings kann auch noch nicht klar gesagt werden, welche Auswirkungen Wellen- und Gezeitenkraftwerke auf das Meereshabitat und die Meereslebewesen haben.

Die Bioenergie

Bioenergie ist die Energiegewinnung aus dem Rohstoff Biomasse, einer umweltfreundliche Ressource, die Sonnenenergie in Form von Energiepflanzen in festem, flüssigem oder auch gasförmigem Zustand, z.B. Holz, Biomüll oder Gülle bezeichnet. Daneben ist die Bioenergie der einzige Energieträger der erneuerbaren Energien aus dem Strom, Wärme und Treibstoffe gewonnen werden können. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, der Rentabilität und allzeitigen Verfügbarkeit ist die Biomasse bisher der wichtigste und vielseitigste Energieträger der erneuerbaren Energien und spielt eine bedeutende Rolle bei der Energieversorgung in Deutschland.

Bioenergie in Deutschland

Die Bioenergie ist ein bedeutender Energieträger in Deutschland. Allein im Jahr 2016 konnte der Betrieb von Bioenergieanlagen in Deutschland einen Umsatz von mehr als zehn Milliarden Euro erzielen. Besonders die dezentrale Nutzung der Bioenergie stärkt dabei die regionale Wirtschaft und bietet der Landwirtschaft ein zusätzliches Standbein. Allein im Jahr 2015 wurden knapp 113.000 Arbeitsplätze im Bereich der Bioenergie gezählt. Der Hauptenergieträger in Deutschland ist mit Abstand die Biomasse aus Holz, wie zum Beispiel Waldholz, Altholz (Gebrauchtholz), Landschaftspflegematerial und Industrieholz. Neben der Forstwirtschaft ist auch die Landwirtschaft, vor allem der Rapsanbau zur Dieselproduktion und der Anbau von stärke- und zuckerhaltigen Pflanzen zur Herstellung von Bioethanol, ein wichtiger Lieferant von Biomasse zur energetischen Nutzung. Bei neuen Anlagen zur Stromerzeugung sollen in Zukunft vor allem Abfall- und Reststoffe genutzt werden. Die energetische Nutzung von Rest- und Abfallstoffen kann dabei helfen, mögliche Konflikte zwischen der energetischen und der stofflichen Nutzung von Biomasse, z.B. in der Landwirtschaft, zu vermeiden.

Die Geothermie

Die Geothermie nutzt die natürliche Erdwärme zur Stromerzeugung oder zum Heizen. Als Erdwärme bezeichnet man die unterhalb der festen Oberfläche der Erde gespeicherte Wärmeenergie. Je tiefer man dabei in das Erdinnere vordringt, umso wärmer wird es. Genauer gesagt nimmt die Temperatur alle einhundert Meter im Durchschnitt um 3° Celsius zu. Diese Erdwärme kann man durch verschiedene technische Verfahren zur Energiegewinnung nutzen.

Würde man das heute bekannte Energiepotential vollends ausschöpfen, könnte sich Deutschland damit für ca. 10.000 Jahre komplett mit Strom und Wärme versorgen. Als erneuerbare Energie befindet sich die Geothermie noch im Anfangsstadium. Dabei muss zwischen zwei unterschiedlichen Arten der Erdwärme unterschieden werden: der oberflächennahen Geothermie und der tiefen Geothermie.

Energieerzeugung durch oberflächennahe Geothermie

Als oberflächennahe Geothermie gilt die Nutzung der Erdwärme aus bis zu vierhundert Meter Tiefe. Die Wärmeenergie aus diesem Tiefenstock wird aufgrund der noch relativ geringen Temperaturen meistens nicht direkt, sondern mithilfe einer Wärmepumpe genutzt. Eine Erdwärmepumpe nutzt die geothermische Energie zum Heizen, zum Kühlen und zur Warmwasseraufbereitung. Die oberflächennahe Geothermie hat sich vor allem bei Ein- und Mehrfamilienhäusern als umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen durchgesetzt. Mehr zur Funktion und Rentabilität einer Wärmepumpe erfahren Sie in unserem Wärmepumpenbeitrag und in unserem Lexikon.

Energieerzeugung durch tiefe Geothermie

Die tiefe Geothermie umfasst die thermische Nutzung des Erdinneren ab ca. vierhundert Meter bis zu mehreren Kilometern Tiefe mithilfe von Tiefbohrungen. Dabei sollte man bei der Energiegewinnung zwischen hydrothermalen und petrothermalen Systemen unterscheiden.

  • Hydrothermale Tiefenpumpen setzen im Untergrund an wasserführenden Schichten an und nutzen zur Energiegewinnung dieses Thermalwasser. Dabei wird zur Energiegewinnung eine vergleichbare Technologie wie zur Erdöl- oder auch Erdgasförderung verwendet. Die Unterschiede findet man in dem größeren Bohrdurchmesser und den größeren Anforderungen an die Rohre durch die erhöhten Temperaturen bei geothermalen Tiefenbohrungen.
  • Petrothermale Systeme nutzen zur Energiegewinnung heißes Tiefengestein, welches im Wesentlichen frei von Thermalwässern ist. Im tiefen Kristallin-Gestein liegt auch in Deutschland das größte Energiepotential der Geothermie. Die Technik ist nach heutigem Stand aber noch lange nicht so weit, dieses Potential wirtschaftlich auszuschöpfen, sodass die hydrothermale Erdwärmenutzung momentan in Deutschland weiterverbreitet ist. Eine Form der petrothermalen Tiefen-Geothermie bilden sogenannte Enhanced Geothermal Systems (EGS). Diese nutzen das dichte und heiße Gestein in einigen Kilometern Tiefe zur Energiegewinnung. Diese Technologie befindet sich allerdings erst im Pilotstadium.
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