Erneuerbare Energien: Definition, Formen und Vorteile

Es ist ein gängiger Begriff, der heutzutage bereits aus jedem Mund schon einmal gekommen ist: erneuerbare Energien. Daran gekoppelt ist die Vision, Strom und Wärme aus unendlichen Quellen mithilfe von modernster Technologie effizient zu gewinnen. Dass das (noch) nicht so leicht vonstattengeht, zeigt der kleine Rahmen: Wenn z. B. bei einem Einfamilienhaus Photovoltaikanlagen eingesetzt werden, die aber bei Sonnenscheinengpässen den Bedarf der Bewohner nicht decken können.

Währenddessen wird unermüdlich daran geforscht, wie Kraftwerke aussehen und arbeiten müssen, um die Energiewende hinzubekommen. Noch ein gängiger Begriff, der vor allem genannt wird, wenn es um den Klimawandel geht. Bevor es allerdings in medias res geht: In diesem Beitrag wollen wir versuchen erneuerbare, alternative und regenerative Energien zu definieren und vorzustellen. Außerdem wird es um die Energiewende gehen und ein Ländervergleich angestellt.

Definitionen: erneuerbar, alternativ, regenerativ

Die Bezeichnungen erneuerbare Energien und regenerative Energien werden synonym verwendet. Sie referieren auf Energieträger, die „konstant und periodisch nachgefüllt“ werden können, die eben erneuerbar sind. Das schließt Solarenergie, Wind- und Wasserenergie und Geothermie ein. Ein Sonderfall unter den regenerativen Energien ist die Biomasse, da ihre Regeneration vom Menschen kontrolliert werden kann.

Darüber hinaus werden diese Energieträger auch oft als alternative Energien bezeichnet, was bei einem genaueren Blick etwas irreführend ist. Sieht man sich die Energiegewinnung über die Jahrhunderte hinweg an, waren es immer schon Wasser, Wind und Sonne, die Energie geliefert haben. Erst in den letzten paar hundert Jahren nutzt man den Kohlenstoff, der in fossilen Stoffen gespeichert ist, um Energie zu gewinnen. Diese fossilen Energiequellen sind aber leider bekanntlich endlich und ihre Nutzung schadet der Umwelt.

Alternative Energieformen: Arten und Beispiele

Welche Energieträger können wir nun also nutzen, statt auf Kohle, Erdöl und Erdgas zurückzugreifen? Vor allem stellt sich auch die Frage, wie wir sie nutzen können. Welche Technologien schaffen es, Wind, Wasser, Sonne und Erde anzuzapfen, ohne selbst Schäden anzurichten? Denn in manchen Fällen ist das Mittel, das den Zweck der alternativen Energiegewinnung erfüllt, auch nicht das Wahre für die Umwelt, vor allem, was die direkte Umgebung des jeweiligen Kraftwerks betrifft (dazu später mehr).

Sonnenenergie

Die Sonne, Mittelpunkt unseres Planetensystems, ist seit Milliarden von Jahren dafür zuständig, dass überhaupt Leben auf der Erde entstehen konnte. Sie steuert verschiedenste vegetative Zyklen und damit diverse andere Abläufe im Ökosystem. Bei Pflanzen beispielsweise wird mit der Sonnenenergie indirekt Kohlenstoff erzeugt, also Energie, die wir und andere Lebewesen über die Nahrung aufnehmen können. Das ist ein Weg, die Sonnenenergie zu nutzen. Vom Menschen entwickelte Möglichkeiten, aus der Sonne Energie in Form von Strom und Wärme zu gewinnen, sind die Photovoltaik und Solarthermie.

Photovoltaik

Bei einer Photovoltaikanlage sorgen zwei Siliziumschichten mit unterschiedlichen elektronischen Ladungen dafür, dass ein ständiges elektrisches Feld entsteht. Durch den Einfall von Photonen, also Licht, werden Elektronen gelöst und weitergeleitet, Strom fließt. Nun funktioniert das eben nur, wenn auch Licht darauf fällt. Ist der Tag zu kurz oder die Verschattung zu groß, kann die Photovoltaikanlage nicht ordentlich arbeiten.

CO2-Emissionen fallen bei Photovoltaikanlagen, genauso wie bei der Solarthermie übrigens, nur bei ihrer Herstellung und beim Transport an. Die Module sind recyclebar und die Herstellung sowie die benötigten Materialien weitgehend unbedenklich. Allerdings enthält so ein PV-Modul (wie alle elektronischen Bauteile) teilweise giftige Schwermetalle. Das benötigte Silizium kann künstlich hergestellt werden und ist nicht unbedingt eines der seltensten Elemente.

Solarthermie

Bei der Solarthermie wird nicht elektronische, sondern thermische Energie gewonnen. Im kleinen Rahmen bei der Nutzung in privaten Haushalten wird diese thermische Energie direkt als Heizwärme oder zur Warmwasseraufbereitung genutzt. Im industriellen Bereich können mit der Sonnenstrahlung Wasser verdampft und Dampfturbinen angetrieben werden, die wiederum Strom erzeugen. Das generelle Problem mit der Sonnenenergie ist, dass sie nicht immer dann verfügbar ist, wenn sie gerade gebraucht wird. Zumindest im privaten Bereich bräuchte es eigentlich große und teure Speicher, um die Energie, die tagsüber gewonnen wurde, abends und nachts nutzen zu können. Verwendet man die Solartechnik im größeren Rahmen, etwa zur Energieversorgung der Bevölkerung, ist es schon eher möglich, gewonnene Energien zu speichern bzw. einfach direkt zu nutzen.

Windkraft

Mithilfe des Windes werden die Rotoren der Windkraftanlagen in Bewegung versetzt, welche einen Generator antreiben, der Strom erzeugt. Was heute elektronische Energie erzeugt, half früher dabei, mechanische Energie nutzbar zu machen und Maschinen anzutreiben.

Windkraftanlagen können prinzipiell in allen Klimazonen, Offshore und an Land eingesetzt werden. Allerdings ist ihre Standortwahl insofern begrenzt, als dass nicht überall die ideale Menge an Wind weht. Der scharfe, kräftige Wind weht ab und zu in Gebieten, in denen sich Anwohner und Naturschützer gegen den Bau einer Anlage stark machen. Zum einen sind die Lärmemissionen, zum anderen die landschaftliche Ästhetik – und außerdem das Wohl der dort lebenden Vögel – Gründe gegen die Windkraftanlagen. (Wobei nebenbei bemerkt exponentiell mehr Vögel im Straßenverkehr und durch Straßenleitungen getötet werden, als durch die Rotoren der Windparks.)

Wasserkraft

Wasserkraft zeichnet sich dadurch aus, dass ihr eine kinetische, also eine Bewegungsenergie innewohnt, die in einem Wasserkraftwerk in mechanische und schließlich elektrische Energie umgewandelt werden kann. In Turbinen an Flüssen, Staudämmen oder im Meer, das durch Strömungen und Gezeiten in Bewegung ist, treibt das Wasser die Turbinenschaufeln und damit den Stromgenerator an.

Laufwasserkraftwerk

Laufwasserkraftwerke befinden sich an Stellen wo viel Wasser auf natürliche Art und Weise fließt. Dieses wird durch das Kraftwerk und die dortigen Turbinen geleitet, wo die mechanische Drehbewegung mit dem Generator den Strom erzeugt. Dabei wird das Flusswasser oft ein wenig aufgestaut, damit der Abfluss konstant gestaltet werden kann. Man spricht dabei von der Fallhöhe zwischen Ober- und Unterwasser.

Speicherwasserkraftwerk

Bei einem Speicherwasserkraftwerk werden große Mengen an Wasser zu einem Stausee aufgestaut. Je nach Strombedarf kann dieses Wasser schließlich dazu genutzt werden, zusätzlich benötigten Strom zu erzeugen, und zwar genau nach demselben Prinzip wie ein Laufwasserkraftwerk. Da beim Laufwasserkraftwerk auch Wasser teilweise aufgestaut wird, ist die begriffliche Grenze nicht immer exakt zu ziehen.

Darüber hinaus gibt es noch Wasserkraftwerke, die das Wasser wieder an den Anfang des Kreislaufes pumpen, um es erneut durch die Turbinen fallen lassen zu können und wiederum Strom zu erzeugen.

Gezeitenkraftwerk

Bei Gezeitenkraftwerken wird der Tidenhub (Differenz zwischen Hoch- und Niedrigwasserstand) sozusagen als Ober- und Unterwasser genutzt. In einer Bucht aufgebaut, staut die Anlage das Wasser etwas auf, während es sich durch die Gezeiten zurückzieht bzw. hebt und lässt es dann durch die Turbinen fließen. Leider braucht es dafür einen hohen Tidenhub und andere günstige Bedingungen, um diese Methode effizient zu betreiben. Nur wenige Buchten sind dafür geeignet und durch den Bau der Gezeitenkraftwerke werden wiederum die direkte Flora und Fauna potentiell negativ beeinflusst.

Erdwärme mit Geothermie nutzen

Der Mittelpunkt unserer Erde ist um die 6.000°C heiß. An diese unvorstellbar große thermische Energie muss doch irgendwie heranzukommen sein bzw. müssen es gar nicht die hohen Temperaturen des Erdkerns sein, mit denen gearbeitet wird. Der Bereich der Geothermie, der sich mit der ingenieurtechnischen Nutzung der Erdwärme beschäftigt, stellt sich die Frage, wie man diese konstant warmen Temperaturen an die Erdoberfläche befördern kann.

Eine der Möglichkeiten ist die Erdwärmepumpe. Sie leitet Wasser durch Rohre in der Erde. Dieses Wasser wird auf die Temperatur gebracht, die dort herrscht und schließlich durch die Wärmepumpe so verdichtet und weiterbearbeitet, dass sich damit Heizwasser für den Wärmebedarf im privaten Haushalt erzeugen lässt. Darüber hinaus gibt es größere Anlagen, die auch mancherorts erhebliche Anteile des Strombedarfs decken, wobei die Nutzbarkeit der Erdwärme von Gebiet zu Gebiet stark variiert.

Biomasse

Biomasse ist, wie erwähnt, ein Sonderfall unter den regenerativen Energien. Sie sind zwar prinzipiell limitiert vorhanden, ihre Regeneration kann allerdings vom Menschen gesteuert werden. Dazu gehören etwa Holz, Pflanzenöl, Biogas, verschiedenes Getreide, etc. Diese Rohstoffe können auf unterschiedlichste Art und Weise eingesetzt werden.

Es gibt beispielsweise Biomassekraftwerke, die durch Verbrennung bzw. Vergasung, Hitze, Dampf und Turbinen Strom erzeugen. Außerdem kann aus pflanzlichen Produkten Biokraftstoff hergestellt werden, der Verbrennungsmotoren mit Energie versorgen kann. Problematisch scheint dabei, dass man große Anbauflächen benötigt, wenn man den Energiebedarf allein mit Biomasse decken wollen würde.

Notwendigkeit beim Erreichen der Klimaschutzziele

In puncto Energiebedarf und dessen Deckung stehen wir momentan vor einem prinzipiell recht simpel wirkenden Problem. Wir decken ihn aktuell zu einem (zu) großen Teil mit fossilen Energieträgern. Deren Angebot geht allerdings langsam zur Neige, während die Nachfrage steigt. Darüber hinaus sitzt uns der Klimawandel im Nacken und einige geopolitischen Konflikte sind auf die Inanspruchnahme der Erdölreserven zurückzuführen.

Um all diese Probleme nachhaltig, im Sinne von langfristig, effizient und stabil, lösen zu können, braucht es die Energiewende. Dafür benötigt es zwei Entwicklungen: der Bedarf muss gesenkt und dieser verringerte Bedarf durch nachhaltige Energiekonzepte gedeckt werden. Hier kommen die erneuerbaren Energien ins Spiel. Wird es künftig möglich, Energie zu gewinnen, ohne endliche Ressourcen zu verbrauchen, und zwar auf der gesamten Herstellungskette, kann dem (menschenverursachten) Klimawandel vielleicht Einhalt geboten werden.

Energiewende mit alternativen Energien

Um den vom Menschen verursachten Klimawandel zu verlangsamen bzw. tatsächlich zu stoppen, müssten sämtliche Treibhausgasemissionen so schnell als möglich eingestellt werden. Das wäre mithilfe von regenerativen Energien möglich. Abgesehen vom Klimawandel wird eine Energiewende ohnehin früher oder später notwendig werden, nämlich sobald die Reserven der fossilen Energieträger aufgebraucht sind.

Die etwa 500 Jahre lange Nutzung der fossilen Energie würde damit zu Ende und die Menschheit wieder auf regenerative Energieträger angewiesen sein, nur eben auf moderne Art und Weise. In den 90er-Jahren wurde der Primärenergiebedarf noch fast vollständig mit fossiler und Kernenergie gedeckt, wozu sich langsam vor allem Biomasse, Photovoltaik und Windkraft gesellen. Auch die Wasserkraft und die Geothermie hätten (je nach Standort) hohes Potential und müssen in den nächsten Jahren stark ausgebaut werden.

Herausforderungen der Energiewende

Wenn die Energiewende ein wirklich einfaches Unterfangen wäre, hätte sich womöglich schon mehr getan. Tatsächlich liegen allerdings einige Steine am Weg in Richtung umweltfreundlicher Energieproduktion.

So braucht es eine Lösung, um der sogenannten Volatilität der erneuerbaren Energieträger entgegenzuwirken. Volatilität bedeutet, dass sie nicht konstant verfügbar sind, dass die Sonne nicht immer scheint und der Wind nicht immer weht, etc. Eine kluge und flächendeckende Vernetzung und Kombination der unterschiedlichen Quellen sind notwendig, was allerdings sehr komplex sein wird, da sich regenerative Kraftwerke nur dezentral gestalten lassen.

Zudem ist der weiterhin steigende Bedarf anzumerken. Besonders Strom wird künftig nicht nur in Mitteleuropa noch mehr gebraucht werden, sondern auch andernorts wie z. B. der steigende Energiebedarf der Entwicklungsländer zeigt. Zumindest hier wäre es wichtig, direkt anzusetzen und das Mehr an Bedarf sofort mit alternativen Energieformen zu decken.

Anteile an grüner Energie im Ländervergleich

Sie sehen, es gibt eine Menge zu tun. Das stellt die Frage in den Raum, was eigentlich aktuell getan wird, um regenerative Energieformen voranzutreiben. Welche Maßnahmen werden in Österreich, Europa und weltweit gesetzt, um Fossilien Fossilien bleiben und Wind, Wasser und Sonne deren Job übernehmen lassen zu können? Und wie groß sind die Anteile an alternativen Energiesystemen bereits?

Österreich im EU-Vergleich

Laut den Zahlen der Eurostat ist der Anteil an erneuerbaren Energien in der EU-Stromproduktion in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen: Im Jahr 2020 wurden 37 Prozent des Bruttostromverbrauchs aus alternativen Energiequellen gewonnen. Zum Vergleich: 2019 lag der EU-Durchschnitt noch bei 34 Prozent.

Österreich nimmt dabei mit einem Anteil von 78 Prozent die Position des EU-Vorreiters ein. Dicht gefolgt von Schweden (75 Prozent) und Dänemark (65 Prozent). Anschließend folgen Portugal (58 Prozent) sowie Kroatien und Lettland (53 Prozent). Die Schlusslichter bilden hingegen Tschechien (15 Prozent), Luxemburg (14 Prozent), Ungarn und Zypern (12 Prozent) und Malta (10 Prozent).

Erneuerbare Energien weltweit

Laut dem Global Status Report 2022 der Organisation REN21 verzeichnen erneuerbare Energien weltweit ein Rekordwachstum. Allerdings ist auch der weltweite Energieverbrauch angestiegen, welcher zum Großteil durch fossile Brennstoffe gedeckt wird. Zusätzlich wird die globale Energiekrise durch den Ukraine-Krieg verschärft.

Das stärkste Wachstum erfolgte 2021 im Stromsektor: 315 GW an erneuerbarer Stromkapazität konnten hier neu hinzugefügt werden. Eine Rekordleistung und genug, um z. B. jeden Haushalt in Brasilien mit Strom zu versorgen. Solar- und Windenergie machen dabei 90 % aller neuen alternativen Energien aus.

In den Sektoren Gebäude, Industrie, Landwirtschaft und Verkehr blieb der Anteil an erneuerbaren Energien jedoch niedrig. Fossile Brennstoffe sind weiterhin dominant, weshalb ein Strukturwandel im globalen Energiesystem immer dringlicher wird.

Potentiale, regenerative Energien zu nutzen

Physikalisch betrachtet sind regenerative Energien, die auf der Erde theoretisch verfügbar wären, nicht nur in der Lage, den menschlichen Bedarf zu decken, allein die Sonnenenergie übersteigt ihn um das Zehntausendfache. Auch Erdwärme und die Gezeitenkraft wären dazu fähig, selbst, wenn weit weniger Energie darin steckt.

Das einzige Problem ist die Gewinnung dieser Energien. Laut Volker Quaschning wären die nötigen Technologien längst vorhanden, sie werden nur noch nicht eingesetzt. Aus verschiedenen Gründen, meist finanzieller Natur, wird die Energiewende noch nicht genügend vorangetrieben. Potential wäre aber definitiv vorhanden. Mit modernen Anlagen zur Energiegewinnung und vor allem intelligenter Steuerung des Verbrauchs sind wir vielleicht bald in der Lage, Strom, Wärme, Kraftstoffe wirklich „sauber“ herzustellen.

Angesichts dessen, dass fossile Brennstoffe und Energieträger, deren Gewinnung und Verwertung immer teurer und die alternativen Energieformen immer günstiger werden, wird auch der finanzielle Aspekt bald zu bröckeln beginnen. Durch das Voranschreiten der Technologien und die weitere Verbreitung und Forschung daran, wird regenerative Energiegewinnung die vormalige Form bald überholen. Mancherorts tut sie das sogar bereits.

Über erneuerbare, regenerative, alternative Energie wird schon seit einiger Zeit viel gesprochen und das ist auch gut so. Nicht nur um den Klimawandel zu drosseln, sondern auch, um mit der Umwelt generell weniger gefährdend umzugehen, braucht es einen klugen Einsatz dieser Technologien und eine strukturierte Energiewende. Wird diese mit dem Fokus auf den Schutz der Umwelt und der Menschheit durchgeführt, steht einem wirklich „grünen“ Energiesystem nichts mehr im Wege.