title: Energiewende

text: Beispielsweise waren um das Jahr 2010 die G8-Nationen, die 12 % der Weltbevölkerung stellen, für ca. 50 % des weltweiten Primärenergieverbrauchs verantwortlich, während auf die ärmsten 25 % der Weltbevölkerung nur 3 % des Primärenergieverbrauchs entfallen. Hiermit einher gehen auch weitere soziale Probleme: Geringer Zugang zu Energie korreliert mit schlechtem Zugang zu Nahrungsressourcen, hoher Kindersterblichkeit und niedriger Lebenserwartung. Sind jedoch die grundlegenden Energiebedürfnisse erfüllt, was ab einem jährlichen Pro-Kopf-Primärenergieverbrauch von ca. 2,6 Tonnen Öleinheiten gegeben ist, geht mit zusätzlichem Energieverbrauch keine weitere Verbesserung dieser Werte einher. Es gilt daher als wichtiges Ziel der Entwicklungspolitik, 1,2 Mrd. Menschen mit Elektrizität sowie 2,8 Mrd. Menschen mit zuverlässiger und sauberer Energie für Kochzwecke zu versorgen.


title: Energiewende

text: Von großer Bedeutung ist zudem die Verteilungsgerechtigkeit zwischen einzelnen Generationen. Die Nutzung fossiler Energieträger durch heutige bzw. bereits vergangene Generationen berührt zwei Aspekte der Generationengerechtigkeit: Zum einen können zukünftige Generationen Ressourcen, die durch frühere Generationen verbraucht wurden, nicht mehr nutzen und sind damit im Sinne der Starken Nachhaltigkeit in ihrem Recht auf Entwicklung eingeschränkt. Zum anderen sind sie durch den Klimawandel als Folge der Verbrennung fossiler Energieträger negativ betroffen, indem sie mit zu Negativen hin veränderten Klimabedingungen zurechtkommen müssen, die sie nicht selbst verursacht haben. Die gegenwärtige Generation hingegen profitiert, indem sie für die ökologischen und ökonomischen Folgen ihrer Nutzung nicht aufkommen muss, sondern die Lösung der von ihnen verursachten Probleme an nachfolgende Generation übertragen kann. Generationsgerechtigkeit setzt hingegen voraus, dass jede Generation selbst frei entscheiden können muss, wie sie Güter herstellen und verteilen will. Diese Freiheit zukünftiger Generationen wird jedoch durch die derzeitige Generation durch nicht zeitnah rückgängig zu machende Handlungen unzulässig stark eingeschränkt; beispielsweise durch den menschengemachten Klimawandel mit seinen Folgen, die Übernutzung von Rohstoffen und (fossilen) Energieträgern oder die Vernichtung von Tier- und Pflanzenarten. Hauptschwierigkeit dieses Konfliktes ist der Umstand, dass zukünftige Generationen nicht an seiner der Bewältigung mitwirken können, sondern diese Aufgabe nur vom Staat bzw. seinen Institutionen wahrgenommen werden kann.


title: Energiewende

text: Darüber hinaus werden im wissenschaftlichen, öffentlichen und politischen Diskurs eine Reihe weitere Aspekte für die Durchführung der Energiewende genannt; so ergab eine Expertenbefragung zur deutschen Energiewende insgesamt 14 verschiedene Ziele. Diese Ziele sind u. a. politischer, sozialer, wirtschaftlicher oder ökologischer Natur; einige Beispiele sind im Folgenden stichpunktartig aufgeführt.


title: Energiewende

text: Hintergrund und Motivation der Energiewende sind die immer stärker zu Tage tretenden ökologischen und sozialen Probleme, die mit der Nutzung fossiler und nuklearer Energieträger einhergehen. Mit dem Energiekonsum durch Industrie und Endverbraucher sind eine Reihe von negativen Begleiteffekten verbunden, deren Folgen seit den 1970er Jahren immer stärker ins gesellschaftliche und politische Bewusstsein rückten. Hierzu zählen u. a. der Ausstoß des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid, die Verschmutzung von Luft, Land und Wasser, die Produktion radioaktiven Abfalls, geopolitische Konflikte um Ressourcen, die Verknappung von Energieträgern und steigende Nahrungsmittelpreise. Weitere wichtige Gründe für den Umstieg auf einer regenerative Energieversorgung sind die Sicherstellung der (langfristigen) Energiesicherheit, die Gesundheitsgefahren durch die Verbrennung fossiler Energieträger sowie sozioökonomische Aspekte wie z. B. die Demokratisierung der Energieversorgung, der Ausbau der Bürgerbeteiligung sowie die Schaffung von Arbeitsplätzen.


title: Energiewende

text: Stand bis zu Beginn der 1970er Jahre die Versorgungssicherheit und der Preis von Energie im Vordergrund, so änderte sich ab den 1970er Jahren die Sichtweise. Mit den Ölkrisen, der Debatte um die Kernenergienutzung sowie der Umweltdebatte kam es in vielen Staaten zu heftigen gesellschaftlichen Auseinandersetzungen über Energie-, Umwelt- und Technologiepolitik und infolgedessen zu grundlegenden Veränderungen der energiepolitischen und energiewirtschaftlichen Realität. Wichtig hierbei war ebenfalls die 1971/72 vom Club of Rome veröffentlichte Studie Die Grenzen des Wachstums, deren Prognosen mit der 1973 eingetretenen ersten Ölkrise plötzlich akut wurden. Heute kommt insbesondere der Umweltbelastung durch die Verbrennung fossiler Energieträger eine große Bedeutung zu. Diese manifestiert sich einerseits in Umweltschäden durch Luftschadstoffe, die zugleich Krankheiten wie Haut- und Atemwegserkrankungen, Allergien und Krebs verursachen und große volkswirtschaftliche Kosten zur Folge haben, insbesondere aber durch die Emission von Treibhausgasen und der damit einhergehenden globalen Erwärmung.


title: Energiewende

text: Um die Zielsetzung einer nachhaltigeren Energieversorgung zu erreichen, wird die Abkehr vom fossil-nuklearen Energiesystem propagiert und ein Übergang hin zu einem neuen „solaren Zeitalter“ gefordert. Solaren Energieformen kommt dabei die Rolle als Backstop-Technologie zu. Begründet wird dieser Umstieg – neben einer Reihe weiterer positiver Effekte – zumeist mit dem Umstand, dass von erneuerbaren Energieträgern geringere negative Umwelt- und Klimaeffekte ausgehen als von der konventionellen Energiewirtschaft. Neben dem viel geringeren Treibhausgasausstoß von regenerativen Energieträgern lassen sich durch den Umstieg auf Technologien wie Windkraft- und Solaranlagen auch Umweltbelastungen wie Gewässerverschmutzung, Eutrophierung und Feinstaubemissionen deutlich reduzieren. Zwar liegt der Materialbedarf für diese Technologien höher als beim Bau von konventionellen Kraftwerken, die Umweltbelastung durch den höheren Materialbedarf ist jedoch gering verglichen mit den direkten Emissionen von fossil befeuerten Kraftwerken. Parallel dazu wird auch die beim Abbau fossiler Energieträger wie z. B. bei der Erdölgewinnung, Erdgasförderung, dem Steinkohle und Braunkohlebergbau bzw. beim Fördern von Uran auftretende Umweltzerstörung bzw. Umweltverschmutzung deutlich verringert oder gar vermieden.


title: Energiewende

text: Die Globale Erwärmung sowie ihre Folgen sind eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts und darüber hinaus. Hauptverursacher der globalen Erwärmung ist der Mensch, daher ist der Klimaschutz heute der wichtigste Aspekt für den Umbau der Energieversorgung. Bei Fortschreibung des gegenwärtigen Emissionsniveaus bei Treibhausgasen nach dem Fünften Sachstandsberichtes des IPCC bis 2100 ein wahrscheinlicher globaler Temperaturanstieg zwischen 3,7 und 4,8 °C (Unsicherheitsspanne: 2,5–7,8 °C) gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu erwarten. Soll der Klimawandel auf ein erträgliches Maß begrenzt werden, muss der globale Einsatz fossiler Energieträger stark reduziert werden.


title: Energiewende

text: Wichtigster Treiber der globalen Erwärmung ist die Freisetzung von Treibhausgasen durch die Verbrennung fossiler Energieträger. Etwa 80 % der anthropogenen, d. h. vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen entfallen auf die Energienutzung. Der Treibhauseffekt wurde bereits im 19. Jahrhundert entdeckt; inzwischen wurden die theoretischen Vorhersagen zur Wirkung des Treibhauseffekts durch moderne Langzeituntersuchungen direkt in der Natur auch experimentell bestätigt. Mit dem durch Treibhausgase bewirkten Klimawandel gehen verschiedene negative Sekundäreffekte wie das Schmelzen der Eiskappen, der Anstieg des Meeresspiegels, Veränderungen im Wasserkreislauf, das häufige Auftreten von Klimaextremen und unvorhersehbare Effekte auf die Biodiversität, aber auch die durch einen höheren Kohlenstoffdioxidanteil in der Atmosphäre ausgelöste Versauerung der Meere. Durch die Klimaerwärmung wird zudem das Aussterben von Arten beschleunigt. Werden keine Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels getroffen, sind weltweit 16 % aller Spezies vom Aussterben bedroht, wie eine 2015 in Science erschienene Reviewstudie ergab. Die dieser Arbeit zugrunde liegenden Einzelwerte gingen von Aussterberaten von bis zu 54 % aus. Bei Einhaltung des Zwei-Grad-Ziels könnte diese Rate auf 5,2 % reduziert werden.


title: Energiewende

text: Wichtigstes anthropogenes Treibhausgas ist Kohlenstoffdioxid, das vor allem bei der Verbrennung fossiler Energieträger in großen Mengen freigesetzt wird. Zwar wird auch sehr viel Kohlenstoffdioxid durch natürliche Prozesse frei, beispielsweise durch Abbau von Biomasse, dem steht jedoch eine gleich große natürliche Fixierung durch Pflanzen gegenüber; der Stoffkreislauf ist geschlossen. Durch Verbrennung fossiler Energieträger sowie weitere Eingriffe des Menschen wie z. B. die Rodung von Wäldern wird jedoch "zusätzliches" Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre abgegeben, wodurch der Anteil in der Atmosphäre steigt. Ein großer Teil des durch menschliche Aktivitäten freigesetzten Kohlendioxids bleibt für Zehntausende bis Hunderttausende von Jahren in der Atmosphäre, wodurch sich die klimatischen Auswirkungen des Kohlendioxidausstoßes wie z. B. der Meeresspiegelanstieg nicht nur über wenige Jahrzehnte oder Jahrhunderte, sondern über geologische Zeiträume auswirken.


title: Energiewende

text: Neben Kohlenstoffdioxid als Verbrennungsprodukt ist die Energiewirtschaft ebenfalls für die Emission großer Mengen an Methan verantwortlich. Methan ist das zweitwichtigste Treibhausgas. Es entweicht sowohl beim Kohlebergbau aus den Flözen als auch bei der Erdölförderung aus den Bohrlöchern und wird überdies auch beim Erdgastransport freigesetzt. Etwa 30 % der Methanemissionen in Deutschland stammen aus der Energiewirtschaft.


title: Energiewende

text: Eine aus energiewirtschaftlicher Sicht ebenfalls zentrale Rolle für die Transformation des Energiesystems spielt die Endlichkeit der fossil-nuklearen Energieträger, die nur noch begrenzte Zeit (je nach Energieträger wenige Jahrzehnte bis Jahrhunderte) verfügbar sind. Unabhängig von weiteren Aspekten wie dem Klimawandel wird damit langfristig zwangsläufig ein Übergang zu anderen Arten der Energieversorgung notwendig. Neben der Nutzung als Energieträger sind fossile Rohstoffe, allen voran Erdöl, auch sehr wichtige Grundstoffe für die Nutzung in der Petrochemie und Ausgangspunkt für eine Vielzahl an Produkten, was bei der Betrachtung der Endlichkeit dieser Ressourcen ebenfalls berücksichtigt werden muss.


title: Energiewende

text: Die unwiederbringliche Erschöpfung von nicht-erneuerbaren Ressourcen (wie fossilen Energieträgern) stellt ein Problem dar, das bisher in der Wirtschaftstheorie nicht gelöst wurde. Fossile Energieträger basieren auf Solarenergie, die im Laufe von Jahrmillionen gespeichert wurde. Mit der Nutzung verbrauchen sich diese Vorräte, sodass das industriell-fossile Energiesystem grundsätzlich kein dauerhaftes System sein kann, sondern vielmehr ein „Phänomen des Übergangs“ darstellt.


title: Energiewende

text: Nach dem englischen Wirtschaftshistoriker Edward Anthony Wrigley befindet sich die Menschheit deshalb in einer Phase, in der neue Lösungen gefunden werden müssen. Der Zugang zu fossilen Energiequellen habe einen beispiellosen Wohlstand für drei Kontinente gebracht und verändere rasch zwei weitere. Da diese Verbrauchsgüter seien, würden sie erschöpft werden. Zwar sei das Ausmaß der Ressourcen an Kohle, Öl und Gas Gegenstand vieler Untersuchungen und bliebe vorerst unklar, allerdings sei es unwahrscheinlich, dass sie länger als zwei bis drei Generationen reichten, den zukünftigen Energiebedarf zu decken, besonders dann, wenn dieser weiter ansteige. Eine kontinuierliche Abhängigkeit von fossilen Energieträgern führe deshalb in eine Katastrophe.


title: Energiewende

text: Die Endlichkeit der fossilen Energieträger ist zugleich eng mit der langfristigen Energiesicherheit verknüpft, da fossile Energieträger schwerer zu finden und abzubauen sind und ihre Preise steigen. Energieunsicherheit wie auch der ansteigende Preistrend fossiler Energieträger gilt als große Bedrohung für die politische als auch die wirtschaftliche Stabilität von Staaten. Historisch zeigten insbesondere die OPEC-Staaten während der Ölkrise, dass Energieressourcen auch als politisches Machtmittel missbraucht werden können; heutzutage gilt vor allem Russland als Staat, der seine Marktmacht im Bereich der fossilen Energien zu geopolitischen Zielen missbrauchen könnte. Deshalb wird in der EU sowohl aus wirtschaftlichen, politischen und geopolitischen Gründen eine größere Unabhängigkeit von Exporteuren fossiler Energieträger bzw. von Uranexporteuren angestrebt.


title: Energiewende

text: Beispielsweise betrug die Nettoimportabhängigkeit in Deutschland 2013 laut Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe bei der Kernenergie nahezu 100 %, bei Mineralöl 98 %, bei Naturgasen 88 % und bei der Steinkohle 87,0 %. Die Kosten für diese Energieimporte betrugen 99,4 Mrd. Euro, etwa 70 % der gesamten Rohstoffimportkosten. Russland lieferte 34,8 % des Erdöls, 34,1 % des Erdgases und 24,8 % der Steinkohleimporte. Im Jahr 2015 waren die erneuerbaren Energien mit einem Anteil von 40,9 % an der heimischen Primärenergieerzeugung vor der Braunkohle mit 39,4 % Anteil und mit großem Abstand vor Erdgas mit 6,6 % die wichtigste heimische Energiequelle. Insgesamt importiert Deutschland pro Jahr fossile Energieträger mit ca. 2800 TWh, wofür ca. 90 Mrd. Euro aufgewandt werden müssen. Im Zeitraum 2000–2013 gab Deutschland netto 833 Mrd. Euro für Energieimporte aus; die EU-Staaten importieren jährlich Energieträger im Wert von ca. 350 Mrd. Euro.


title: Energiewende

text: Grundsätzlich sind nach derzeitem Stand der Wissenschaft nur erneuerbare Energien oder die Kernenergie inklusive Kernfusion in der Lage, langfristig den Energiebedarf der Menschheit zu decken. Bei der Kernenergie muss allerdings berücksichtigt werden, dass derzeit weder Kernfusionskraftwerke zur Verfügung stehen. Brutreaktoren sind technisch sehr aufwändig zu beherrschen; bis auf den noch laufenden BN-600 wurden alle bisher gebauten Brutreaktoren nach technischen Störfällen stillgelegt. Kommerzielle Kernfusionskraftwerke werden hingegen nicht vor 2050 für einsatzbereit gehalten, was zu spät wäre für eine Lösung der gegenwärtigen Probleme (insbesondere der Globalen Erwärmung).


title: Energiewende

text: Mit der nuklearen Energieerzeugung sind die Frage der Endlagerung abgebrannten Spaltmaterials sowie die Gefährdung der Bevölkerung bei Störfällen in Kernkraftwerken verbunden, während die Chancen auf eine Nutzung der Kernfusion sowohl aus technischer wie auch aus ökonomischer Sicht (hohe Stromgestehungskosten) fraglich sind. Durch eine Abkehr von der Kernenergie könnten zudem deren Risiken ausgeschlossen werden. Hierzu zählen z. B. die Umweltbelastungen beim Abbau von Uranerzen, der Transport und die (End)Lagerung von Radioaktivem Abfall, sowie die Gefahr von Kernschmelzen mit unkontrollierter Freisetzung von radioaktivem Material wie z. B. bei den Reaktorkatastrophen von Tschernobyl und Fukushima. Zudem ist die Kernenergie durch eine Reihe großer Unsicherheiten und ungelöster Problem und Gefahren bezüglich Gesundheit, Umweltverträglichkeit, Nachhaltigkeit, gesellschaftliche Stabilität und internationale Beziehungen gekennzeichnet. Daher gilt es als Forschungsstand, dass mittel- bis langfristig „neue Konzepte für eine sichere und nachhaltige Energieversorgung gefunden werden“ müssen.


title: Energiewende

text: Bedingt durch das Wachsen des Weltenergiebedarfs bei zugleich weitgehender Stagnation der Kernenergie sinkt deren Anteil an der Weltenergieproduktion jährlich ab. Nach einem starken Wachstum in den 1970er und 1980er Jahren, die zu einer Gesamtleistung von 330 GW im Jahr 1990 führte, nahm die weltweite Leistung der Kernenergie seit 1990 nur noch langsam auf 376 GW im Jahr 2010 zu, während der Anteil an der Stromerzeugung von 18 % im Jahr 1993 auf 13,5 % im Jahr 2009 sank. Durch politische Änderungen in mehreren Staaten nach der Katastrophe von Fukushima kam es zu einem Rückgang der Stromproduktion. Im Jahr 2013 lieferte die Kernenergie 2.359 TWh elektrischer Energie, 10,8 % des Weltstrombedarfs. 2008 hatten Kernkraftwerke weltweit noch 2.731 TWh eingespeist und damit 14 % des Weltstrombedarfs gedeckt. Bezogen auf den globalen Endenergieverbrauch ist der Anteil der Kernenergie vergleichsweise gering; er lag 2008 bei 2,3 %. Die Gründe für das nur geringe Wachstum waren steigende Kosten, Energieeinsparmaßnahmen, die Begrenztheit des Brennmaterials, die Unfälle von Three Mile Island und Tschernobyl, Kritik der Umweltbewegung, Risiken aus der Proliferation von Nuklearmaterial und durch Terrorismus, technische und ökonomische Risiken aus dem Rückbau alter Kernkraftwerke und vor allem die nach wie vor ungelöste Endlagerung über einen Zeitraum von Zehntausenden bis Hunderttausenden von Jahren.


title: Energiewende

text: Aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Kohlenstoffdioxidemissionen wird die Kernenergie von Befürwortern als Mittel gegen den Klimawandel propagiert, während Gegner sie aufgrund der oben genannten Risiken ablehnen. Mit 9–70 g CO/kWh liegen die CO-Emissionen von Kernkraftwerken höher als bei Windkraft-, Solarthermie- und Wasserkraftwerken, jedoch auf ähnlichem Niveau wie Photovoltaikanlagen und deutlich niedriger als bei allen fossilen Kraftwerken einschließlich Kohlekraftwerke mit CO-Abscheidung und -Speicherung. Eine Analyse durch US-amerikanische Klimawissenschafter kam 2019 zu dem Schluss, dass Deutschland durch die Beibehaltung der Kernenergie bis 2050 noch 1100 Megatonnen an CO-Emissionen und 16.000 luftverschmutzungsbedingte Todesfälle vermeiden könnte. Unter der hypothetischen Annahme, dass zwecks Dekarbonisierung des Energiewesens bis 2030 der gesamte erwartete Energiebedarf der Erde mittels Kernenergie gedeckt würde, müssten weltweit ca. 15.800 Reaktoren mit einer Leistung von jeweils 850 MW errichtet werden. Sollte hingegen nur 5 % des Weltenergiebedarfs durch Kernenergie geliefert werden, so müsste die Zahl der Reaktoren gegenüber dem Stand 2010 verdoppelt werden.


title: Energiewende

text: Nach der Katastrophe von Fukushima beschleunigten mehrere Staaten die Abschaltung ihrer ältesten Kernkraftwerke, während andere bestehende Ausbauplanungen überprüfen. Ein Review in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science kam 2011 zum Ergebnis, dass es aufgrund des großen Kapitalbedarfs, langer Bauzeiten sowie einer Anti-Nuklear-Stimmung in vielen Staaten unwahrscheinlich sei, dass die Kernenergie nennenswert zum Klimaschutz beitragen kann. 2020 betonten dagegen 13 der UNECE-Länder ausdrücklich, dass Kernenergie eine wichtige Rolle bei der Reduktion der Emissionen spielen werde.


title: Energiewende

text: Aus rein technischer Sicht wäre eine vollständige weltweite Energiewende bis ca. 2030 möglich. Aus praktischen, ökonomischen und politischen Gründen ist jedoch ein längerer Zeitraum nötig, wobei eine Umsetzung bis 2050 für möglich erachtet wird. Hierbei soll bis 2030 der Ausbau fossiler und nuklearer Energien gestoppt werden und anschließend sukzessive bis 2050 der Umstieg auf ein regeneratives Energiesystem erfolgen. Als Hauptargument gegen dieses Szenario einer schnellen Energiewende, das als enorme Herausforderung bezeichnet wird, gilt das Fehlen an politischem Willen, dieses Ziel auch tatsächlich erreichen zu wollen. Je später der Umbau der Energieversorgung jedoch aufgenommen wird, desto teurer ist er und desto notwendiger wird der Einsatz von risikoreichen Technologien. Ein Verzicht auf Klimaschutz, der zu einer Erderwärmung von 4 °C und mehr bis Ende des 21. Jahrhunderts führend würde, ist wiederum mit nicht abzuschätzenden Risiken verbunden.


title: Energiewende

text: Nach wie vor umstritten ist jedoch die konkrete Gestaltung der Energiewende. Zentrale Fragestellungen hierbei sind u. a.:


title: Energiewende

text: Kernelemente der Energiewende sind der Ausbau der erneuerbaren Energien, die Steigerung der Energieeffizienz sowie die Einsparung unnötiger Verbräuche. Auf diese Weise soll perspektivisch die heutige, zum größten Teil auf der Verbrennung fossiler Energieträger basierende Wirtschaftsweise transformiert werden. Der Kohleausstieg sowie der Ausstieg aus der Verbrennung von Öl- und Gas mit dem Zweck der Dekarbonisierung der Wirtschaft sind somit neben dem Atomausstieg zentrale Elemente der Energiewende. Während der Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere von Wasserkraft und Windenergie, aber zunehmend auch von Solarenergie weltweit bereits zu deutlichen Zuwächsen bei der erbrachten Arbeit geführt hat, gelten gerade die Steigerung der Energieeffizienz und der Energieeinsparung als bisher vernachlässigte Aspekte der Energiewende.


title: Energiewende

text: Technologisch sind für die Umsetzung der Energiewende verschiedene Schlüsseltechnologien notwendig. Hierzu zählen im Stromsektor insbesondere Wind- und Solarenergie, im Verkehrssektor Elektroautos und im Wärmesektor Energieeinsparungen, Wärmepumpenheizungen, Fern- und Nahwärmesysteme sowie große Wärmespeicher. Weitere wichtige Technologien sind die Biomassevergasung und Anlagen zur Abscheidung und Nutzung von Kohlendioxid, zur Wasserelektrolyse und für die Herstellung und Speicherung von Elektrofuels.


title: Energiewende

text: Als erneuerbare Energien werden Energieträger bezeichnet, die nach menschlichen Zeitmaßstäben praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen. Daneben werden auch aus erneuerbaren Energien gewonnene Sekundärenergieträger wie Elektrizität, Wärme, Kraftstoff oft unpräzise als erneuerbare Energien bezeichnet. Energieträger sind die Sonnenenergie inklusive ihrer indirekten Formen wie z. B. der Windenergie, die Geothermie, die Strömungs- und die Gezeitenkraft. Wichtige Technologien zu ihrer Nutzung sind Photovoltaikanlagen und Sonnenkollektoren, Windkraftanlagen, Wasserkraftwerke, sowie Anlagen zur Nutzung von Bioenergie und geothermischer Energie. Als wichtigste Energielieferanten in einem weitgehend oder vollständig regenerativen Energiesystem gelten Wind- und Solarenergie. Andere erneuerbare Energien wie die Wasserkraft und die Geothermie können nur in manchen Ländern mit dafür besonders geeigneten Standortbedingungen die dominierende Rolle einnehmen.


title: Energiewende

text: Aufgrund der Knappheit von konventionellen Energieträgern sowie der durch deren Emissionen verursachten Umweltprobleme gibt es weltweit Bemühungen, den Anteil der erneuerbaren Energien am Energiemix zu erhöhen. Erneuerbare Energien weisen deutlich niedrigere spezifische Schadstoff- und Treibhausgasemissionen auf als konventionelle Kraftwerke. So liegt das mittlere Kohlenstoffdioxidäquivalent von Windkraftanlagen pro Kilowattstunde bei 9,4 g CO, bei Wasserkraftwerken bei 11,6 g CO, bei Photovoltaikanlagen bei 29,2 g CO, bei Solarthermiekraftwerken bei 30,9 g CO und bei Geothermiekraftwerken bei 33,6 g CO, während GuD-Gaskraftwerke ca. 350 bis 400 g CO und Steinkohlekraftwerke etwa 750 bis 1050 g CO pro kWh ausstoßen. Bei den Emissionswerten für erneuerbare Energien ist zu berücksichtigen, dass es sich hierbei um aktuelle Werte handelt, die den gegenwärtigen Energiemix widerspiegeln. Mit Voranschreiten der Energiewende werden die Emissionen jedoch automatisch geringer werden, da die Emissionen größtenteils durch Verbrennung fossiler Brennstoffe während der Herstellung der Anlagen anfallen.


title: Energiewende

text: Im Jahr 2015 deckten die erneuerbaren Energien (EE) 19,3 % des weltweiten Endenergiebedarfs. Im Stromsektor lieferten erneuerbare Energien 2016 24,5 % der weltweit produzierten elektrischen Energie. In mindestens 176 Staaten weltweit gibt es Ausbauziele für erneuerbare Energien, in einem großen Teil dieser Staaten existieren zudem diverse Fördermaßnahmen für ihre Verbreitung.


title: Energiewende

text: Unter Energieeffizienz wird die rationellere Verwendung von Energie verstanden. Durch optimierte Prozesse sollen „die quantitativen und qualitativen Verluste, die im Einzelnen bei der Wandlung, dem Transport und der Speicherung von Energie“ entstehen, minimiert werden „um einen vorgegebenen (energetischen) Nutzen bei sinkendem Primär- bzw. Endenergieeinsatz zu erreichen“. Durch technische Verbesserungen bewirken effizientere Geräte bei gleicher Nutzungsdauer und gleichem Nutzungsverhalten also eine Energieersparnis gegenüber weniger effizienten Geräten. Effizienzsteigerungen sind beispielsweise möglich durch die Verbesserung von Wirkungsgraden von Haushaltsgeräten, (Auto)-Motoren, bessere Kraftwerkstechnik oder bessere Wärmedämmung von Häusern. Auch bei der Beleuchtung lässt sich durch Nutzung effizienter Lampen sehr einfach Energie einsparen. Während gewöhnliche Glühlampen nur einen Wirkungsgrad von etwa 2,2 % haben (15 Lumen/Watt), kommen Kompaktleuchtstofflampe auf ca. 70 Lumen/Watt. Noch deutlich sparsamer sind LED-Leuchtmittel mit 100 Lumen/Watt, die auch frei von Quecksilber sind und zudem eine sehr lange Lebensdauer von bis zu 50.000 bis 100.000 Stunden haben.


title: Energiewende

text: Großes Potenzial für Effizienzsteigerungen besteht insbesondere beim Wärmebedarf im Gebäudesektor. Gebäude sind weltweit für ca. 40 % des Primärenergieverbrauches verantwortlich und verursachen rund ein Drittel der Kohlendioxidemissionen. In mitteleuropäischen Staaten wie Deutschland macht die Heizung ca. 80 % des gesamten Energieverbrauchs im Privathaushalt aus; 12 % entfallen auf die Trinkwassererwärmung und 8 % auf elektrische Energie. Es wird davon ausgegangen, dass durch eine Steigerung der Gebäudesanierungsrate binnen etwa 30 Jahren der Heizwärmebedarf halbiert werden kann. Bei der aktuellen europäischen Sanierungsraten von 1,4 % pro Jahr würde der Energieverbrauch im Gebäudesektor von 2005 bis 2050 um ca. 40 % gesenkt. Bei einer Steigerung auf 2 % wären Energieeinsparungen von 74 % möglich. In Deutschland sind ca. 90 % der Bestandsgebäude nur schlecht gedämmt. Besonders große Einsparungen lassen sich bei Neubauten erzielen, wo durch Niedrigenergiehaus- oder Passivhausstandards große Energieeinsparungen verglichen mit dem gegenwärtigen Gebäudebestand möglich sind. Passivhäuser benötigen im Schnitt nur ca. 5 % der Energie eines Bestandsgebäudes. Die besten Passivhäuser erzielen Verbrauchswerte von 10 bis 15 kWh pro m² und Jahr, während der Gebäudebestand bei durchschnittlich 220 kWh pro m² und Jahr liegt. Niedrigenergiebauten liegen mit ca. 70 kWh pro m² und Jahr dazwischen. Plusenergiehäuser liefern hingegen im Jahr (bilanziell) mehr Energie, als sie im gleichen Zeitraum benötigen (beispielsweise durch sehr gute Dämmung und Installation einer Photovoltaikanlage). Wie hoch der Energiebedarf pro Quadratmeter Energiebezugsfläche und Jahr sein darf, ist im sog. Energiestandard festgelegt.


title: Energiewende

text: Häufig tritt nach der Durchführung von Energieeffizienzmaßnahmen der sog. Rebound-Effekt ein, also eine Mehrnutzung der Technologie, durch die die energiesparende Wirkung der Effizienzmaßnahmen reduziert oder gar aufgehoben wird. In der Literatur wird davon ausgegangen, dass hierdurch die durch die Effizienzmaßnahme herrührende Energieeinsparung im Schnitt um 10 % geringer ausfällt, wobei die Werte einzelner Studien zwischen 0 und 30 % schwanken.


title: Energiewende

text: Während Energieeffizienzmaßnahmen in aller Regel Investitionen erfordern, werden unter Energieeinsparung bzw. Energievermeidung Maßnahmen zusammengefasst, die durch individuelle Verhaltensänderungen erzielt werden und somit sofort umsetzbar sind und zugleich keinerlei Kosten verursachen. Hierzu zählen z. B. der Verzicht auf den Gebrauch nicht-notwendige Funktionen, beispielsweise eine Standby-Funktion eines Haushaltsgerätes. Energieeinsparungen sind z. B. möglich durch eine Absenkung der Raumtemperatur, eine geringere Nutzung von Automobilen, insbesondere auf Kurzstrecken, eine Energiesparende Fahrweise oder Fahrzeuge mit weniger Treibstoffverbrauch (Dreiliterauto statt 15-Liter-SUV) oder einen bewussten Einsatz von Heizung und Beleuchtung.


title: Energiewende

text: Ebenfalls effektiv ist z. B. das zeit- und bedarfsgerechte Heizen, sodass nur tatsächlich auch genutzte Räume beheizt werden sowie effektives Lüften (d. h. Stoßlüften statt Dauerlüften). Zudem lässt sich durch Absenken der Raumtemperatur um 1 °C ca. 5 % der Heizenergie einsparen. Neben verhaltensbedingten Maßnahmen lassen sich Energieeinsparungen auch durch organisatorische Maßnahmen erzielen. Hierzu zählen die (bessere) Wartung von Geräten und Fahrzeugen, z. B. durch Optimierung von Motoreneinstellung und Luftdruck in Reifen, der Verzicht auf den Luftwiderstand erhöhende Aufbauten wie z. B. Dachgepäckträger, das Ausräumen nicht benötigter Güter aus Fahrzeugen zur Gewichtseinsparung sowie die stärkere Nutzung von Bahn und öffentlichem Verkehr statt der Straße.


title: Energiewende

text: Das spezifische Nutzungsverhalten hat einen z. T. sehr großen Einfluss auf den Energieverbrauch eines Gutes. Im Gebäudesektor weicht z. B. der Energieverbrauch zweier identischer Häuser abhängig von den jeweiligen Verhaltensweisen seiner Bewohner bei identischer Bauweise um ca. 35 % vom Mittelwert ab. Durch bewusstes Verhalten lässt sich der Energieverbrauch eines Hauses also deutlich senken, während kontraproduktive Handlungen wie z. B. falsches Lüften einen erheblichen Mehrverbrauch verursachen können.


title: Energiewende

text: Für ein sowohl ökologisch tragbares als auch bezahlbares Energiesystem werden Synergieeffekte einer stärkeren Kopplung der Sektoren als notwendig erachtet, also eine weitgehende Elektrifizierung auch des Wärme- und Verkehrssektors, denn die wichtigsten erneuerbaren Energietechnologien Solar- und Windenergie liefern vor allem Strom, der zudem über Stromnetze sehr einfach verteilt werden kann. Die Sektorenkopplung bietet zugleich ein großes Potential zur Energieeinsparung gegenüber fossilen Energiesystemen, wobei die tatsächlich erzielten Effekte stark von der richtigen Ausgestaltung dieser Elektrifizierung abhängen. So sind Wärmepumpenheizungen effizienter als elektrische Widerstandsheizungen. Neben der Energieeinsparung ist die Elektrifizierung von Wärme- und Verkehrssektor auch aus ökologischer und gesundheitlicher Sicht vorteilhaft, da Wärmepumpenheizungen und Elektrofahrzeuge am Ort ihrer Nutzung keine Abgase und damit auch kein Schadstoffe wie beispielsweise Ruß, Feinstaub oder Stickoxide freisetzen. So können Elektrofahrzeuge insbesondere bei Nutzung von Ökostrom dazu beitragen, die Umwelt und Gesundheitsbelastung durch das Verkehrswesen zu reduzieren und zugleich die Luftqualität zu verbessern.


title: Energiewende

text: Auch durch den stärkeren Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung entsteht eine stärkere Vernetzung des Strom- und Wärmesektors. Aufgrund dieser erweiterten Nachfrage ist in dem zukünftigen Energiesystem einerseits mit einem höheren Stromverbrauch zu rechnen als heute, während jedoch der Primärenergiebedarf durch den Einsatz regenerativer Quellen und die damit gesteigerte Energieeffizienz bei der Stromerzeugung zurückginge. Jacobson und Delucchi verweisen darauf, dass sich in einem vollständig regenerativen Energiesystem durch Umstieg von Verbrennungsmotoren auf Elektromotoren im Verkehrswesen sehr deutliche Effizienzvorteile erzielen ließen, während durch die Erzeugung von Wasserstoff aus Überschusselektrizität zusätzliche Verluste gegenüber dem status quo entstünden. Insgesamt kommen sie zu dem Ergebnis, dass sich in einem regenerativen Energiesystem gegenüber einem konventionellen Energiesystem 30 % des Energieverbrauchs einsparen ließen. Mathiesen et al. ermittelten in drei unterschiedlichen Energiewende-Szenarien für Dänemark jeweils etwa eine knappe Halbierung des Primärenergiebedarfs gegenüber einem weitgehend fossilen Referenzszenario.


title: Energiewende

text: Im Wärmesektor werden Fernwärmesysteme und Wärmepumpenheizungen als die vielversprechendsten Heizungsoptionen erachtet.


title: Energiewende

text: Die Wärmepumpenheizung gilt von allen derzeit am Markt erhältlichen Einzeltechnologien als diejenige, die den möglicherweise größten Beitrag zur globalen Treibhausgasreduktion beisteuern könnte. Die IEA geht davon aus, dass alleine durch den Einsatz von Wärmepumpen die weltweiten Treibhausgasemissionen jährlich um 8 % reduziert werden können, wenn 30 % der Gebäude statt mit fossil befeuerten Heizungen mit Wärmepumpen beheizt werden. Gemäß Valentin Crastan gelten Wärmepumpenheizungen bezüglich Nachhaltigkeit als die „bei weitem die beste Heizung“. Wärmepumpenheizungen bieten ein großes Potenzial zur Effizienzsteigerung im Wärmesektor, das sie jedoch nur voll ausschöpfen können, wenn die für ihren Betrieb benötigte elektrische Energie aus regenerativen Energiequellen gewonnen wird. Für sie spricht zudem ihre deutlich höhere Effizienz gegenüber Anlagen auf Basis direkter elektrischer Heizung, wie z. B. bei den einfacheren, aber auch in der Anschaffung günstigeren Elektrodenkesseln der Fall.


title: Energiewende

text: Mit dem großflächigen Ausbau von Erdwärmepumpen sowie der parallelen Dekarbonisierung der Energieversorgung ließen sich in der EU im Jahr 2050 verglichen mit Gasheizungen ca. 60 % der Primärenergie und 90 % der Treibhausgasemissionen des Heizsektors einsparen. Parallel dazu können Wärmepumpen durch Speicherung temporärer Stromüberschüsse als Wärmeenergie die Integration variabler erneuerbarer Energien in das Energieversorgungssystem verbessern. Für diesen Zweck kommen sowohl in das Wärmepumpenheizung integrierte Wärmespeicher als auch das beheizte Gebäude selbst in Frage. Die Nutzung zukünftiger Ökostromüberschüsse zum Betrieb von Wärmepumpen (Power-to-Heat) hat von allen Power-to-X-Konzepten den größten Umweltnutzen in Bezug auf Treibhausgasreduktion und Einsparung fossiler Energieträger. Zugleich gilt die Kopplung von Strom und Wärmesektor als besonders vielversprechend, weil die Energiewandlung wie auch die Wärmespeicherung zu vergleichsweise geringen Kosten möglich sind.


title: Energiewende

text: Zu berücksichtigen ist, dass sich die Energieeffizienz von Wärmepumpen je nach verwendeter Technik z. T. deutlich unterscheiden kann. Luft-Wasser-Wärmepumpen, die die Heizenergie aus der Umgebungstemperatur entnehmen, weisen insbesondere bei kalten Außentemperaturen die niedrigsten Leistungszahlen auf und kommen damit auch auf geringere Jahresarbeitszahlen als Wärmepumpen mit anderen Wärmequellen. Erdwärmepumpen arbeiten hingegen unabhängig von den Außentemperaturen und können Jahresarbeitszahlen zwischen 3 und 5 erreichen, d. h. mit Einsatz einer kWh elektrischer Energie 3 bis 5 kWh Wärme bereitstellen; der höchste in der Literatur genannte Wert liegt bei 5,2-5,9. Die Effizienz von Erdwärmepumpen kann zudem durch Kopplung mit thermischen Solarkollektoren gesteigert werden.


title: Energiewende

text: Ungeeignet für die Energiewende sind hingegen aufgrund ihrer Ineffizienz Elektrogebäudeheizungen wie Nachtspeicherheizungen oder Radiatoren, bei denen der Strom mittels Heizwiderständen direkt in Wärme verwandelt wird. Diese Heizungen weisen gegenüber fossil befeuerten Gebäudeheizungen einen deutlich höheren Primärenergieverbrauch auf. Stammt z. B. die zum Betrieb einer solchen Heizung benötigte elektrische Energie aus einem Kohlekraftwerk, dann liegt der Primärenergieverbrauch beim 2,4-fachen einer herkömmlichen fossil betriebenen Heizung. Bei vollkommen regenerativer Stromerzeugung, beispielsweise aus Wasserkraftwerken, ist der Primärenergieverbrauch gleich hoch wie bei fossilen Heizungen, aber ebenfalls deutlich höher als bei Wärmepumpenheizungen.


title: Energiewende

text: Zudem wird die Fernwärmeversorgung als wichtiger Pfeiler eines erneuerbaren Energiesystems angesehen, insbesondere in dicht besiedelten urbanen Regionen. Besonderer Fokus liegt hierbei auf Fernwärmesystemen der vierten Generation, die speziell auf die Anforderungen eines erneuerbaren Energiesystems ausgelegt sind. Als Wärmequelle dieser Systems sollen erneuerbare Energien wie Geothermie, Solarthermie (u. a. in Form solarer Fernwärme) oder bisher nicht genutzte Abwärme aus Industrieprozessen dienen. Dazu sollen neben (biomassebefeuerten) KWK-Anlagen unter anderem Großwärmepumpen eine wichtige Rolle einnehmen, womit sich eine starke Kopplung mit dem Elektrizitätssektor ergibt. Durch die Kombination von Strom und Wärme liefernden KWK-Anlagen, Wärmepumpen und Wärmespeicher sollen Fernwärmesysteme der 4. Generation zudem viel Flexibilität für Energiesysteme mit hohem Anteil variabler erneuerbarer Energien wie Windenergie und Solarenergie bieten und somit deren schwankende Energielieferung ausgleichen; beispielsweise durch Betrieb der Wärmepumpen bei Ökostromüberschuss oder alternativ der KWK-Anlagen bei nicht bedarfsdeckender Ökostromproduktion.


title: Energiewende

text: Als besonders vorteilhaft für die Integration hoher Anteile an erneuerbaren Energien bei zugleich sehr hohen Gesamtwirkungsgraden wird die Kombination von Blockheizkraftwerken und anderen in Kraft-Wärme-Kopplung betriebenen Kraftwerken mit Wärmepumpen sowie Wärmespeichern betrachtet. In einem solchen System würden Wärmepumpen während Zeiten hoher Stromproduktion aus Wind- und/oder Solarenergie den Wärmebedarf decken und zugleich etwaige Stromüberschüsse verwerten, während die BHKWs abgeschaltet bleiben könnten. Bei nur niedriger Stromproduktion aus erneuerbaren Energien würden hingegen die BHKWs sowohl Strom und Wärme liefern. Durch die Integration von Wärmespeichern in ein solches System ließe sich zudem Strom- und Wärmeproduktion voneinander entkoppeln, sodass etwaige Verluste durch temporär nicht benötigte Wärme der BHKWs minimiert würden. Auch im Fernwärmesystem gilt der Einsatz von Wärmepumpen in Fernwärmesystemen als eine der vielversprechendsten Wege, um die Energieeffizienz von Fernwärmenetzen zu steigern und die Klimaschutzziele zu erreichen, nicht zuletzt, da Wärmepumpen bei Bezug von Ökostrom emissionsfrei arbeiten. Zugleich erlauben Großwärmepumpen in großem Maße zur Verfügung stehende Niedertemperaturquellen wie Umweltwärme oder Industrieabwärme für Wärmezwecke zu erschließen. Alternativ kann Niedertemperatur-Abwärme auch direkt in Kalte Nahwärmenetze eingespeist werden.


title: Energiewende

text: Da die Energiewende ohne Umbau des Verkehrssektors nicht möglich ist, spielt die Verkehrswende eine wichtige Rolle für das Gelingen der Energiewende. Daher kommt dem Ausbau der Elektromobilität in Form von Elektroautos, Pedelecs, Elektrolastkraftwagen und dem Ausbau und Umbau des Öffentlichen Personennahverkehr z. B. mit Batteriebussen eine wichtige Funktion zu. Es wird davon ausgegangen, dass in einem zukünftigen regenerativen Energiesystem gespeicherte Elektrizität der effizienteste Kraftstoff im Verkehrssektor sein wird. Durch den Ausbau der Elektromobilität sollen insbesondere der Ölverbrauch sowie der Kohlenstoffdioxidausstoß gesenkt werden und somit der Verkehr insgesamt nachhaltiger gestaltet werden. Durch Einsatz von Elektrofahrzeugen gegenüber den bisher genutzten Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, die nur über einen geringen Wirkungsgrad verfügen, ließe sich der Energieverbrauch des Verkehrswesens deutlich senken, allerdings nur, wenn der Strom durch erneuerbare Energien produziert wird.


title: Energiewende

text: Trotz höheren Energieaufwandes für die Herstellung der Batterien schneiden Elektroautos bei einer Betrachtung des gesamten Lebenszyklus sowohl beim Treibstoffverbrauch als auch beim Treibhausgasausstoß besser ab als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Nur unter der Annahme, dass ausschließlich Strom aus Kohlekraftwerken zum Betreiben des Elektrofahrzeuges verwendet wird und die Batterien zugleich in einer technologisch wenig fortschrittlichen Fabrik hergestellt werden, lag die Treibhausgasbilanz von Elektroautos höher als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Werden jedoch die gesamten Umweltschäden infolge von Schadstoffemissionen usw. betrachtet, dann ist die Umweltbilanz eines Elektrofahrzeugs selbst bei Nutzung von Kohlestrom günstiger als die eines fossil betriebenen Fahrzeugs, auch wenn von allen anderen Arten der Stromgewinnung deutlich niedrigere Umwelteffekte ausgehen. Bei Nutzung des durchschnittlichen europäischen Strommix des Jahres 2009 stoßen batterieelektrische Fahrzeuge je nach verwendetem Ansatz (vereinfachte Well-to-Wheel-Betrachtung oder vollständige Lebenszyklusanalyse) 44 bis 56 % bzw. 31 bis 46 % weniger CO aus als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.


title: Energiewende

text: Allerdings würden in Bereichen, wo eine Elektrifizierung schwerer zu erreichen ist, deutlich länger chemische Treibstoffe benötigt. Hierzu zählen z. B. der Flugverkehr, der Schwerlastverkehr sowie der Schiffstransport. Für diese kommt neben dem Einsatz von Biomasse ebenfalls die Nutzung synthetischer Kraftstoffe wie Methanol, Dimethylether oder Methan in Frage, die zuvor mittels Power-to-Liquid- bzw. Power-to-Gas-Technologien aus regenerativ produzierter Elektrizität hergestellt wurden. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen, die aber bei den bisher eingesetzten Konzepten gegenüber batterieelektrischen Autos eine schlechtere Energiebilanz haben. So liegt der Energiebedarf von Brennstoffzellenfahrzeugen, die mit regenerativem Elektrolysewasserstoff betrieben werden, zwar niedriger als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, jedoch auch um ca. 130 % über dem von Elektrofahrzeugen, womit sie mehr als doppelt so viel Energie benötigen wie Elektroautos.


title: Energiewende

text: Auch durch die stärkere Nutzung von elektrischen Eisenbahnzügen statt Individualverkehrsmittel lässt sich die Energieeffizienz des Verkehrssektor steigern und zugleich die notwendige Elektrifizierung vorantreiben. Deshalb sind auch Verhaltensänderungen von Bedeutung, wie der Kauf leichterer und schwächer motorisierter Automobile oder eine Einschränkung von Flugreisen, die Implementierung neuer sanfterer Mobilitätskonzepte sowie die Nutzung elektrifizierter Nahverkehrsmittel wie z. B. Batteriebusse oder elektrisch betriebene schienengebundene Verkehrsmitteln.


title: Energiewende

text: Darüber hinaus bietet der Ausbau der Elektromobilität systemische Vorteile für die Elektrizitätserzeugung. Unter anderem könnten Elektrofahrzeuge mittels Smart Grids aktiv in das Stromsystem eingebunden werden und dort eine Rolle zur Ausbalancierung schwankender Einspeisung von Wind- und Photovoltaikanlagen liefern. Durch Bereitstellung von Systemdienstleistungen und Regelleistung ermöglichen Elektrofahrzeuge eine stärkere Einbindung dieser variablen erneuerbaren Energien in das Stromsystem, womit sowohl die Treibhausgasbilanz des Elektrizitäts- als auch des Verkehrssektors verbessert werden kann. Allerdings werden durch die Einbindung von Elektroautos in das Stromsystem weitere Maßnahmen (wie z. B. der Netzausbau oder der Aufbau einer Energiespeicherstruktur) aller Wahrscheinlichkeit nach nicht überflüssig. Aus ökologischer Sicht weist die Nutzung zukünftiger Stromüberschüsse zum Betrieb batterieelektrischer Fahrzeuge nach der Nutzung in Wärmepumpen und noch vor der Stromspeicherung die zweitbeste Umweltbilanz auf.


title: Energiewende

text: Die Transformation des Energiesystems im Rahmen der Energiewende ist ein Prozess, der sich über mehrere Jahrzehnte hinzieht und in verschiedene Phasen unterteilt werden kann. In der wissenschaftlichen Literatur existieren verschiedene Transformationsmodelle, in denen jeweils unterschiedliche Aufgaben zu bewältigen sind. Während z. B. Lund et al. ein dreistufiges Modell präsentieren, das aus der Einführungsphase, der großflächigen Systemintegration und der 100-%-Phase besteht, untergliedern Henning et al. und Fischedick die Systemintegration in zwei Teilphasen und kommen so auf insgesamt vier verschiedene Phasen.


title: Energiewende

text: Während zu Beginn der Energiewende vor allem die Bewusstseinsbildung, die Entwicklung und Markteinführung von notwendigen Technologien (Erneuerbare Energien, Energieeffizienztechnologien etc.) und die Senkung von deren Kosten im Vordergrund stehen, verschiebt sich der Fokus in späteren Phasen zunehmend in Richtung von Systemintegration im Stromsektor sowie der Verdrängung von fossilen Energien aus dem Wärme- und Verkehrssektor. Dabei kommt es zu einer immer stärkeren Auflösung der einzelnen Sektoren und stattdessen zu einer Integration in einem einzigen sektorübergreifenden vernetzten Energiesystem.


title: Energiewende

text: Wichtig wird ebenfalls eine Flexibilisierung von Stromproduktion und -nachfrage, wobei die ersten Maßnahmen die Optimierung der Fahrweise konventioneller Kraftwerke als auch der Ausbau der Stromnetze sind. Maßnahmen im weiteren Verlauf der Energiewende umfassen die Einführung von Demand-Side-Management und den Aufbau von Kurzfristspeicherkapazität, den Ausbau von elektrischen Wärmepumpenheizungen und in Kraft-Wärme-Kopplung betriebenen Nahwärmenetzen und langfristig die Herstellung synthetischer Kraftstoffe mittels chemischer Langfristspeicher. Parallel zu den vier Phasen wird über den gesamten Zeitraum eine Steigerung der Energieeffizienz sowohl in der Stromnutzung als auch im Heizwärmesektor notwendig.


title: Energiewende

text: In der ersten Phase der Energiewende, die bei etwa 25 % erneuerbare Energien am Strommix endet, stehen Entwicklung und Markteinführung von Basistechnologien im Vordergrund. Hierzu zählen insbesondere erneuerbare Energien wie Photovoltaik- und Windkraftanlagen, deren Kapazitätsausbau in dieser Phase noch kaum Auswirkung auf das Stromversorgungssystem hat. Zudem werden in dieser Phase rasche Kostensenkungen durch Massenproduktion und Skaleneffekte erzielt. In Deutschland ist diese Phase mittlerweile abgeschlossen.


title: Energiewende

text: Die zweite Phase der Energiewende beginnt ab ca. 25 % Anteil erneuerbarer Energien am Strommix und endet bei einem Anteil von ca. 60 %. In dieser Phase wird eine Systemintegration der erneuerbaren Energien notwendig. Bedeutung gewinnt in dieser Phase die flexiblere Betriebsweise von konventionellen Stromproduktionsanlagen, die Flexibilisierung des Stromverbrauchs mittels Smart Grids und Laststeuerungsmaßnahmen sowie eine stärkere Integration von Wärme- und Verkehrssystem durch Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge. Die für die Versorgungssicherheit notwendigen Lastverschiebungen bewegen sich im Bereich von Minuten bis zu mehreren Stunden, sodass der Einsatz von Kurzfristspeichern wie Batterie-Speicherkraftwerken oder Pumpspeicherkraftwerken in Kombination mit der Pufferung durch Elektrofahrzeuge ausreicht.


title: Energiewende

text: Die dritte Phase beginnt bei ca. 60–70 % erneuerbarer Energien am Strommix, wobei bei nennenswertem Stromimport aus solarthermischen Kraftwerken in Nordafrika auch ein späterer Beginn möglich ist. In dieser Phase wird es zunehmend zu stärkeren Überschüssen in der regenerativen Stromproduktion kommen, die den Einsatz chemischer Langfristspeicher (Power-to-Gas) notwendig machen. In Frage kommende Speichermedien sind beispielsweise Wasserstoff, Methan oder auch Methanol, die durch Elektrolyse von Wasser mit überschüssigem Ökostrom und ggf. anschließende Methanisierung bzw. Methanolisierung hergestellt werden können. Diese würden sinnvollerweise statt mit Wirkungsgradverlust rückverstromt zu werden zunächst im Verkehrswesen eingesetzt, wo sie direkt fossile Energieträger ersetzen würden. Hier sind sowohl Brennstoffzellenfahrzeuge als auch Gasfahrzeuge denkbar, die sowohl mit künstlichem Methan, Biomethan als auch fossilem Erdgas betankt werden können. Die Phase endet mit einer vollständigen Versorgung des Stromsektors mit Ökostrom.


title: Energiewende

text: In der vierten Phase kommt es schließlich zu einer vollständigen Verdrängung fossiler Energieträger (insbesondere Erdgas) auch im Wärme- und Verkehrssektor. Für Deutschland ist derzeit noch nicht absehbar, ob diese vollständige Verdrängung ausschließlich durch heimische erneuerbare Energien erfolgen wird, oder ob zusätzlich auch Energieimporte, beispielsweise durch aus Ökostrom gewonnenen synthetischen Kraftstoffen, genutzt werden. Zwar besitzt Deutschland das Potential, sich vollständig aus heimischen regenerativen Energien zu versorgen, jedoch reduziert der teilweise Import von Energie den Speicherbedarf und erhöht die Energiesicherheit.


title: Energiewende

text: In dieser Phase müssen die einzelnen Bestandteile des regenerativen Energiesystems, d. h. die einzelnen regenerativen Energien, Effizienzmaßnahmen, Speicher usw., nicht mehr mit konventionellen Energien konkurrieren, sondern untereinander. Hierbei gilt es, die einzelnen Technologien sowohl in qualitativer als auch in quantitativer Hinsicht gut aufeinander abzustimmen, um einen möglichst effektives Gesamtsystem zu ermöglichen. Durch den großen Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien kommt insbesondere dem Erhalt der Systemstabilität eine wichtige Rolle zu.


title: Energiewende

text: Die Stromproduktion durch Windkraft-, Photovoltaik- und in sehr viel geringerem Maße auch von Wasserkraftanlagen ist durch das Wettergeschehen bestimmt, deshalb volatil und richtet sich nicht nach dem Bedarf. Hinzu kommt, dass Photovoltaikanlagen nur tagsüber Strom liefern können und ausgeprägten saisonalen Schwankungen unterliegen, während solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicher prinzipiell auch nachts Strom liefern können. Auch die Produktion von Windkraftanlagen ist wetterbedingt starken Fluktuationen unterworfen, jedoch ist die Variation im Jahresgang deutlich geringer und sie können sowohl tagsüber als auch nachts Strom liefern. Bei der Windkraft rechnet man mit einer gesicherten Leistung im Bereich von 5 bis 6 % der Nennleistung.


title: Energiewende

text: Zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit müssen also andere Maßnahmen zum Einsatz kommen als in einem Energiesystem, das von grundlastfähigen Kraftwerken dominiert wird. Da eine (Ab)regelung der volatilen Produzenten nicht sinnvoll ist und dementsprechend Eingriffe in deren Erzeugungsverhalten praktisch keine Vorteile bieten, muss die Anpassung der Produktion an die Nachfrage durch andere Bestandteile des Energiesystems ausgeglichen werden. Hierfür gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, die einzeln oder gemeinsam zum Einsatz kommen können: Hierzu zählen z. B.


title: Energiewende

text: Grundsätzlich lässt sich die Integration regenerativer Energiequellen daher in zwei Phasen einteilen: Bei niedrigen Anteilen variabler erneuerbarer Energien stellt deren Integration in das existierende Stromsystem kein Problem dar, da ihre schwankende Leistungsabgabe zunächst durch den bestehenden grundlastfähigen Kraftwerkspark ausgeglichen werden kann. Erst mit höheren Anteilen von Wind- und Solarstrom müssen zusätzlich weitere Maßnahmen wie ein Netzausbau, oder die Errichtung von Speicherkraftwerken ergriffen werden. Hierbei gilt der Grundsatz, dass die Fernübertragung mittels HGÜ der Speicherung von Strom im Allgemeinen wirtschaftlich überlegen ist und somit möglichst vorgezogen werden sollte.


title: Energiewende

text: Vor dem Ausbau der erneuerbaren Energien war das Stromnetz auf den Betrieb relativ weniger großer Wärmekraftwerke zugeschnitten. Die Elektrizität wurde in großen Kraftwerksblöcken produziert, auf 220 kV bzw. 380 kV hochtransformiert, in Höchstspannungsleitungen zu den Verbrauchszentren transportiert, in Umspannwerken in Hochspannung (110 kV) herabtransformiert und regional verteilt. Die Verteilung zum Endkunden fand schließlich in der Mittel- und Niederspannungsebene statt, bei einigen industriellen Großverbrauchern z. T. auch direkt durch Hochspannungsleitungen. Strom floss dabei fast nur von hohen Spannungsebenen in niedrigere, wo er genutzt wurde. Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien wurden die ehemals als (fast) reine Verteilnetze konzipierten unteren Netzebenen immer mehr auch zu Einspeisenetzen. Damit diese Netze auch weiterhin in der Lage sind, gestiegene Stromflüsse ohne Spannungsanstieg zu bewältigen, sind lokal oder regional Netzverstärkungen oder der Einbau von regelbaren Transformatoren notwendig.


title: Energiewende

text: Weiterer Netzausbaubedarf ergibt sich insbesondere aus dem Ausbau der Windenergie. Windparks werden häufig in Regionen errichtet, in denen ursprünglich kein hoher Strombedarf herrschte und dementsprechend die Verteilnetze nur schwach dimensioniert waren, beispielsweise in den vorwiegend ländlich geprägten Küstengebieten Norddeutschlands, fern der Verbrauchszentren im Ruhrgebiet und Süddeutschland. Dort müssen entsprechend die Netze verstärkt werden, um die steigende Windstromeinspeisung aufnehmen zu können. Selbiges trifft auf die Übertragungsnetze zu, wobei hier neben dem Ausbau von Windenergie auch der bereits mit der Strommarktliberalisierung angestrebte europäische Stromhandel für Ausbaubedarf sorgt. Durch diese beiden Aspekte werden die Netze heute mit Belastungen konfrontiert, für die sie ursprünglich nicht konstruiert wurden.


title: Energiewende

text: Eine wichtige Rolle beim Netzausbau im Rahmen der Energiewende haben regionale Ausgleichseffekte, die bei der Windenergie und in geringerem Maße bei der Solarenergie auftreten. Verglichen mit einer einzigen Windkraftanlage ist bereits die Einspeisung eines Windparks stetiger; große Ausgleichseffekte ergeben sich jedoch erst durch die Verknüpfung weiter entfernter Regionen in unterschiedlichen Staaten mit verschiedenen Wetterzonen. Durch den Netzausbau lässt sich somit die Einspeisung von erneuerbaren Energien verstetigen und damit der Speicherbedarf bzw. der Bedarf an Regel- und Ausgleichsenergie deutlich senken. Ein europäisch verknüpftes Stromnetz ermöglicht somit durch überregionale Ausgleichseffekte eine einfachere erneuerbare Vollversorgung als ein rein nationales Vorgehen und ist günstiger als ein Energiesystem, das stark von Stromspeichern mit geringeren Wirkungsgraden Gebrauch macht. Damit lässt sich die Notwendigkeit für die teurere und stärker verlustbehaftete Energiespeicherung hinauszögern, jedoch ist diese bei sehr hohen Anteilen nahe der Vollversorgung nicht vollständig ersetzbar. Um noch größere Ausgleichseffekte zu erzielen werden bisweilen sogar globale Stromnetze vorgeschlagen, die mittels HGÜ-Technik arbeiten sollen. Bei einer solchen Stromübertragung treten laut Quaschning bei Transportentfernungen von 5.000 km und einer Spannung von 800 kV Verluste von weniger als 14 % auf. Die Investitionskosten für die Stromleitungen selbst werden mit 0,5 bis 1 ct/kWh prognostiziert. Chatzivasileiadis et al. geben Transportverluste von 3 % pro 1000 km an, womit bei heutiger Technik selbst bei 6.000 km Übertragungsdistanz niedrigere Verluste aufträten als bei Speicherung in Pump- oder Druckluftspeicherkraftwerken.


title: Energiewende

text: Mit zunehmenden Anteil variabler Erzeuger im Stromsystem spielt die Flexibilisierung von Verbrauch und Nachfrage sowie die Integration von Wärme- und Verkehrssektor in das Stromsystem eine wichtige Rolle. Die Flexibilisierung des Energiesystems umfasst eine Vielzahl einzelner Elemente, wobei der gesamtsystemische Ansatz, d. h. die Betrachtung des gesamten Energiesystems, mehr und bessere Möglichkeiten bietet als Maßnahmen, die nur einseitig den Elektrizitätssektor im Blick haben. Die Flexibilisierung ist gegenüber dem Ausbau von Speicherkraftwerken deutlich günstiger und technisch effizienter, sodass sie Vorrang vor dem Aufbau von Speichern haben sollte. Einzelmaßnahmen zur Flexibilisierung sind z. B. der Aufbau Intelligenter Stromnetze (Smart Grids), die Einführung von Vehicle-to-Grid-Strukturen zur beidseitigen Verknüpfung von Stromsektor und Elektrofahrzeugen sowie der Aufbau von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen mit Power-to-Heat-Technik und Wärmespeicher zur flexiblen und entkoppelten Nutzung von Strom- und Wärmeerzeugung. Ebenfalls zunehmend wichtiger wird die Laststeuerung in Form von "Demand Side Integration", die sowohl die Bereitstellung von Regelleistung als auch die Lastverschiebung in günstigere Zeiten ermöglicht. Das praktisch umsetzbare Potential für derartige Maßnahmen wird in Deutschland im Haushalts- und Gewerbesektor auf ca. 8 GW geschätzt, etwa 16 % der maximalen Stromnachfrage.


title: Energiewende

text: Große Vorteile bietet insbesondere die Verknüpfung des Elektrizitätssektors mit dem Wärme- und Verkehrssektor. Eine für die Metropolregion Helsinki durchgeführte Studie ergab, dass durch Integration von Strom- und Wärmesektor mittels Power-to-Heat Windkraftanlagen bis etwa. 60 % des Jahresstrombedarfes der Region und 30 % des Wärmebedarfs decken könnten, ohne dass ein größerer Speicherbedarf bestünde. Eine wichtige Rolle bei der Flexibilisierung des Energiesystems nehmen deshalb Wärmespeicher ein. Wärmespeicher können in unterschiedliche Größen errichtet werden, die von dezentralen Kleinanlagen bis zu großen zentralen Speichern reichen, sind sowohl als Kurzfrist- wie auch als saisonale Speicher verfügbar und können je nach Bauart Niedertemperaturwärme zur Raumheizung als auch Hochtemperaturwärme für industrielle Anwendungen aufnehmen und wieder abgeben; auch die Speicherung von Kälte zur Klimatisierung oder für gewerbliche Zwecke ist möglich. Unterschieden wird in Speicher für sensible Wärme, Latentwärmespeicher und Thermochemische Wärmespeicher. Insbesondere große zentrale Wärmespeicher in Fernwärmenetzen sind sehr kostengünstig und ermöglichen mittels Power-to-Heat und (Groß)-Wärmepumpen sowohl die effektive Einbindung von großen Windstrommengen als auch die variable Betriebsweise von Blockheizkraftwerken, womit ein sehr energieeffizientes Energiesystem geschaffen werden kann. Zudem sind derartige Wärmespeicher Stand der Technik und besitzen großes Potential zum Lastmanagement, während sie zugleich viel geringere Kosten aufweisen als andere (elektrische) Speichersysteme.


title: Energiewende

text: Für den Hauswärmebedarf kommt zudem die unterirdische Wärmespeicherung im Gestein in Frage. Dabei wird durch Wärmequellen (beispielsweise Solarthermie im Sommer oder überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien) Gestein zunächst aufgeheizt. In der Heizperiode kann die gespeicherte Wärme entweder direkt oder mit Wärmepumpen wieder verfügbar gemacht werden. Auf die gleiche Art und Weise kann auch Kälte gespeichert werden. Eingesetzt wird ein solches System z. B. in der Drake Landing Solar Community in Kanada.


title: Energiewende

text: In der öffentlichen Debatte wird häufig die Position vertreten, dass bereits bei geringen Anteilen erneuerbarer Energien Stromspeicher notwendig sind; eine Meinung, die falsch ist. Tatsächlich geht die wissenschaftliche Fachliteratur davon aus, dass ab einem jährlichen Anteil von etwa 40 bis 50 % Wind- und Solarenergie im Strommix eine stärkere Sektorkopplung und der Einsatz von Energiespeichern notwendig ist.


title: Energiewende

text: Unterhalb von 40 % erneuerbarer Energien stellt eine Ausregelung durch Wärmekraftwerke sowie eine geringfügige Abregelung von Erzeugungsspitzen der erneuerbaren Energien (erwartet werden circa 260 GWh pro Jahr bzw. 1 Promille der bei einem 40-%-Anteil prognostizierten Ökostromerzeugung) eine volkswirtschaftlich effizientere Möglichkeit zum Ausgleich dar. Ursächlich hierfür ist, dass Speicher in diesem Fall größtenteils zur besseren Auslastung von in Grundlast betriebenen Braunkohlekraftwerken zulasten von weniger emissionsintensiven Kraftwerke eingesetzt würden, was die Treibhausgasemissionen erhöht statt wie angestrebt senkt. Zugleich übersteigen die Kosten für den Neubau von Speichern den Nutzen durch eine gleichmäßigere Kraftwerksfahrweise deutlich. Zu berücksichtigen ist ebenfalls, dass der Ausbau der Stromnetze ökonomisch zweckmäßiger ist als der Ausbau von Speichern; allerdings finden Speicher in der Bevölkerung häufig größeren Rückhalt als neue Netze.


title: Energiewende

text: Bei Existenz eines flexiblen Kraftwerksparks sowie eines günstigen Mix aus Wind- und Photovoltaikanlagen werden in Deutschland erst (Tages)-Speicher benötigt, wenn der Anteil dieser beiden Energieträger etwa 50 % erreicht. Saisonale Langfristspeicher auf Basis der Power-to-Gas-Technologie werden ab etwa 80 % notwendig. Wichtig ist ebenfalls, dass die Nutzung von Power-to-Gas nur dann energetisch sinnvoll und emissionseinsparend ist, wenn Ökostrom genutzt wird. Wird hingegen Strom aus fossilen Energien eingesetzt, wirkt die Speicherung kontraproduktiv und es vervielfachen sich die Emissionen. Kommt beispielsweise Strom aus einem Braunkohlekraftwerk zum Einsatz, das Emissionen von 1161 g CO/kWh aufweist, ergäben sich bei je 60 % Wirkungsgrad für Speicherprozess und Rückverstromung im GuD-Kraftwerk Gesamt-Emissionen von 3225 g CO/kWh; etwa das Achtfache von Strom aus einem fossil befeuerten Erdgaskraftwerk.


title: Energiewende

text: Als Tages- bzw. Kurzfristspeicher kommen sowohl Pumpspeicherkraftwerke, Batterie-Speicherkraftwerk als auch Druckluftspeicherkraftwerke in Frage, zudem auch dezentrale Solarbatterien. Mit Stand 2015 machten Pumpspeicherkraftwerke 99 % der weltweit installierten Speicherkraftwerkskapazität aus, ihr Ausbaupotential ist aus geographischen Gründen jedoch begrenzt. Deswegen rücken verstärkt weitere Speichertechniken als auch verschiedene Power-to-X-Technologien, die eine Nutzung des Strom außerhalb des Elektrizitätssektors für Wärme- oder Verkehrsanwendungen zum Ziel haben, in den Fokus der Forschung. Während Pumpspeicher eine seit Jahrzehnten erprobte Technologie darstellen, existieren weltweit noch relativ wenige Batterie- und nur zwei Druckluftspeicherkraftwerke. Insbesondere bei der Akkumulatortechnik sind forschungsbedingt große technologische Fortschritte zu verzeichnen, sowohl für stationäre (Energiespeicher) als auch für mobile Anwendungen (Elektromobilität). Werden bisher in beiden Anwendungszwecken vorwiegend Akkumulatoren auf Lithium-Basis eingesetzt, geht der Trend für stationäre Anwendungen hin zu günstigeren und in Sachen Ressourcenbedarf unkritischen Speichertechnologien wie z. B. Natrium-Ionen-Akkumulatoren, organischen Redox-Flow-Batterien oder Aluminium-Ionen-Akkumulatoren, die z. T. auch deutlich höhere Speicherzyklenzahlen versprechen.


title: Energiewende

text: Als Langfrist- bzw. Saisonspeicher sind, von wenigen saisonalen Wasserkraftwerken in vorteilhaften Lagen abgesehen, v. a. chemische Energiespeicher vorgesehen, beispielsweise in Form von Wasserstoff, Methan oder Dimethylethern, für die bisher nur eine Reihe von Prototypen und Testanlagen existieren. Die hierfür notwendige Technik ist im Grundsatz längst bekannt: So nahm z. B. der dänische Windkraftpionier Poul la Cour bereits 1895 eine Windkraftanlage mit angeschlossenem Elektrolyseur in Betrieb, der Knallgas zur Gasbeleuchtung der Schule in Askov lieferte. Allerdings steht die für die Energiewende notwendige großtechnische, dem wechselnden Stromangebot angepasste Wasserstofferzeugung mittels Wasserelektrolyse durch Wind- oder Solarenergie und die ggf. daran anschließende Methanisierung des Wasserstoffs derzeit noch am Beginn ihrer Erprobung, sodass dieses Verfahren erst noch zur Serienreife gebracht werden muss. Vor allem gilt es, Wirkungsgrade zu steigern und die Kosten zu senken, sodass die Technik dann bei einem Ökostromanteil von ca. 70 % eingesetzt werden kann. Die Funktionsfähigkeit von Power-to-Gas wurde hingegen durch mehrere existierende Prototypen bereits demonstriert. Negativ bei herkömmlichen Power-to-Gas-Anlagen ist der verglichen mit anderen Speichertechnologien niedrige Wirkungsgrad. Da die Energiekette Strom – Wasserstoff/Methan – Strom deshalb mit recht hohen Energieverlusten behaftet, was wiederum zu einem Mehrbedarf an Windkraft- und Photovoltaikanlagen führt, sollte ein zukünftiges Energiesystem so ausgelegt sein, dass nur ein geringer Langfristspeicherbedarf besteht. Allerdings deuten Forschungsergebnisse darauf hin, dass perspektivisch durch Nutzung von reversibel betriebenen Festoxidbrennstoffzellen und optimiertem Abwärmekonzept auch bei Power-to-Gas Strom-zu-Strom-Wirkungsgrade bis knapp über 70 % möglich sind.


title: Energiewende

text: Während in einem herkömmlichen Energiesystem die Energieproduktion der Energienachfrage kontinuierlich angepasst werden und somit ein Gleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch hergestellt werden kann, wird es in einem regenerativen Energiesystem durch die Variabilität der wichtigsten Produzenten Windenergie und Solarenergie abwechselnd sowohl zu Überdeckung als auch zu Unterdeckung der Stromnachfrage kommen. Eine regenerative Vollversorgung erfordert dementsprechend eine andere Herangehensweise, um die Versorgungssicherheit jederzeit gewährleisten zu können. In der wissenschaftlichen Literatur existiert eine Vielzahl von Publikationen, die sich mit dem Ausgleich der Schwankungen auseinandersetzen. 2014 wurde von Palzer und Henning eine Arbeit veröffentlicht, die die Bedingungen einer regenerativen Vollversorgung im deutschen Strom- und Wärmesektor des Jahres 2015 anhand einer stündlichen Zeitreihe modelliert. Ziel war es u. a. die Wechselwirkungen der einzelnen Systembestandteile wie Produzenten, Konsumenten und Speicher im Laufe des Jahres zu untersuchen und besser zu verstehen. Je nach Jahreszeit ergeben sich dabei unterschiedliche optimale Handlungsstrategien.


title: Energiewende

text: Im Winter kommt es während Zeiten hoher Windstromeinspeisung zu einer Überdeckung an Strom. Die Heizenergie wird weitgehend durch elektrische Wärmepumpenheizungen bereitgestellt. Die auftretenden Stromüberschüsse werden aus Effizienzgründen zunächst in den Pumpspeicher- und Batteriespeicherkraftwerken gespeichert, die hohe Wirkungsgrade aufweisen. Sind diese vollständig geladen, wird die Überschussproduktion in Power-to-Gas-Anlagen geleitet, die Mittels Elektrolyse synthetische Brennstoffe herstellen. Weitere Überschüsse werden mittels Power-to-Heat in Nah- und Fernwärmenetze eingespeist. Während Zeiten niedriger Ökostromproduktion, bei denen die Produktion die Stromnachfrage alleine nicht decken kann, werden zunächst die Kurzfristspeicher (Pumpspeicher und Batterien) entladen. Reicht deren Kapazität nicht aus, kommen zusätzlich in Kraft-Wärme-Kopplung betriebene GuD-Kraftwerke und Blockheizkraftwerke zum Einsatz, die mit zuvor erzeugtem Wind- bzw. Solargas befeuert werden. Bei wieder steigender Einspeisung aus erneuerbaren Energien werden anschließend wieder zunächst die Kurzfristspeicher geladen.


title: Energiewende

text: Im Frühling übersteigt tagsüber die Stromproduktion durch hohe Photovoltaikeinspeisung meistens die Nachfrage, sodass während dieser Zeit keine gespeicherte elektrische Energie benötigt wird. Zugleich ist während des Tages der Heizbedarf gering, sodass im Gegensatz zum Winter elektrische Wärmepumpen nicht bzw. nur wenig zum Einsatz kommen müssen. Die tagsüber auftretende Überschussproduktion wird wie im Winter zunächst in Kurzfristspeichern gespeichert, anschließend in Power-to-Gas-Anlagen sowie in thermischen Speichern. Nachts kommen zur Deckung des Strombedarfs vorwiegend mit EE-Gas befeuerte GuD-Kraftwerke und BHKWs zum Einsatz, zudem werden die Kurzfristspeicher entladen, während Wärmespeicher den in der Nacht höheren Wärmebedarf decken.


title: Energiewende

text: Im Sommer kommt es gelegentlich zu sehr starken Stromüberschüssen während des Tages, die dazu genutzt werden Kurz- und Langfristspeicher zu laden. Zusätzlich fließen sie in thermische Langfristspeicher, die zur Deckung des Wärmebedarfs während des Winters dienen. Wenn diese nach einiger Zeit gegen Herbst ebenfalls geladen sind, kann es während Zeiten hoher Stromproduktion zu Abregelung von regenerativen Erzeugern kommen; Henning und Palzer gehen davon aus, dass in Deutschland auf diese Weise ca. 5,3 TWh bzw. 1 % der Ökostromproduktion nicht genutzt werden kann. Nicht berücksichtigt sind hierbei mögliche Kapazitätsengpässe in der innerdeutschen Verteilung, die den Autoren zufolge vermutlich einen Anstieg dieses Wertes zur Folge haben können.


title: Energiewende

text: Grundsätzlich lässt sich das primäre Ziel der Energiewende, die Realisierung einer nachhaltigen Energieversorgung ohne Abhängigkeit von fossilen und nuklearen Brennstoffen, sowohl dezentral als auch zentral erreichen. Eine klare Trennung in zentralistische Modelle und dezentralen Energiestrukturen ist zudem auch gar nicht möglich, da die Grenzen zwischen den Systemen fließend sind. Historisch begann die Energiewende sowohl in Dänemark als auch in Deutschland in den 1970er und 1980er Jahren als dezidiert dezentrales Konzept, das in bewusster Abgrenzung von der als Verursacher ökologischer Probleme wahrgenommenen und nahezu ausschließlich zentral geprägten konventionellen Energiewirtschaft vorangetrieben wurde. Betreiber kleiner und dezentraler Anlagen, insbesondere regenerativer Anlagen, erfuhren hingegen in Deutschland bis in die 1990er Jahre hinein starken Widerstand durch die etablierten Energieversorger, die zu diesem Zeitpunkt noch als regionale Monopolisten agierten, und (Wirtschafts)-Politik.


title: Energiewende

text: Infolgedessen erfolgte mit dem Zubau regenerativer Anlagen, der vor allem durch Privatpersonen, Bürgerenergiegenossenschaften usw. vorangetrieben wurde, ein starker Wandel des Strommarktes sowie dessen Dezentralisierung, zumal die vier großen deutschen Energieversorgungsunternehmen nur in geringem Maße in erneuerbare Energien investiert hatten. 2010 betrug ihr Anteil an der installierten regenerativen Kapazität nur 6,5 %. Mit dem Voranschreiten der Technik und größeren Projekten insbesondere bei der Windenergie, die auch höhere Investitionssummen erforderlich machen, kam es seither zu einer stärkeren Vermischung von dezentralen und zentralen Strukturen. Heute gehen die meisten Konzepte sowohl von der Nutzung dezentraler als auch zentraler Strukturen aus, wobei möglichst die Vorteile beider Energiegewinnungsformen (wie niedrige Kosten, geringer Speicherbedarf und starke Bürgerbeteiligung) kombiniert werden sollen. Umstritten ist jedoch weiterhin, wie stark das zukünftige Energiesystem zentralisiert bzw. dezentralisiert sein soll und wie stark ein optimales Energiesystem vernetzt sein soll. Beispielsweise gilt die vollständige Dezentralisierung mitsamt regionaler Energieautarkie aufgrund des hohen Speicherbedarfs solcher Überlegungen als unrealistisch; rein ökonomisch-technisch optimierte Szenarien unterschätzen hingegen die sozialen Komponenten der Energiewende sowie die Gefahr von Pfadabhängigkeiten, insbesondere durch den in diesen Szenarien starken Einfluss der ihre bisherige Marktposition verteidigenden Energieversorger.


title: Energiewende

text: Der Katalyseforscher Robert Schlögl meint, die Energiewende gelänge nicht, wenn unter Energiewende vielfach bloß der Ersatz fossiler Kraftwerke durch erneuerbare Energieträger verstanden werde und an der Prämisse der ausschließlichen Eigenversorgung an erneuerbaren Energien und an davon abgeleiteten Weichenstellungen festgehalten werde. Streben nach Energieautarkie wäre „unsinnig“, es wäre „allein von den Größenordnungen her schlicht unmöglich“. Im Verkehrssektor wiesen Elektroautos zwar bessere Gesamtwirkungsgrade auf (siehe dazu auch Well-to-Wheel), aber Batterien hätten bezogen auf ihr Gewicht noch immer eine sehr kleine Kapazität, eine recht begrenzte Lebensdauer und wären teuer. Schlögl schlägt deswegen in Anlehnung an das DESERTEC-konzept die Produktion synthetischer Kraftstoffe in sonnenreicheren Ländern und deren Import vor.


title: Energiewende

text: Generell kommen erneuerbare Energien im Gegensatz zu den punktuell in den Bergbaurevieren und an den Förderstellen vorhandenen fossilen Energieträgern flächig über das ganze Land verteilt vor und lassen sich so nahezu überall dezentral nutzen. Gerade bei Biomasseanlagen ergeben sich durch dezentrale Feuerungsanlagen wie Heizwerk und Heizkraftwerke Umweltvorteile gegenüber einer zentralen Nutzung, da auf diese Weise die Brennstoffe wie Holz und Stroh nicht über große Strecken transportiert werden müssen. Auch ist bei solchen Anlagen eine bessere Brennstoffausnutzung durch Kraft-Wärme-Kopplung möglich als bei häufig außerhalb von Verbrauchzentren befindlichen Großkraftwerken, die oftmals gar keine oder nur geringe Mengen Fernwärme auskoppeln. Die dezentrale Photovoltaikeinspeisung wiederum ermöglicht die Entlastung von Übertragungs- und Verteilnetzen von fluktuierenden Nachfragern, wobei große installierte Photovoltaikleistungen in Gebieten mit nur schwach dimensionierten Netzen auch den gegenteiligen Effekt haben können.


title: Energiewende

text: Während die variable Einspeisung von Wind- und Sonne zur Sicherstellung der Versorgungssicherheit ausgeglichen werden muss, wirkt sich die durch deren Ausbau der erneuerbaren Energien zwangsläufig dezentralere Stromerzeugung positiv auf die Netzstabilität aus, womit die Versorgungssicherheit erhöht werden kann. Ursächlich hierfür ist, dass dezentrale Strukturen weniger anfällig für großflächige Ausfälle sind als von Großkraftwerken dominierte Strukturen. Da allerdings ein Teil der regenerativen Energieerzeuger fluktuierend ins Stromnetz einspeist, können Maßnahmen wie Freileitungs-Monitoring und die Einführung eines Smart Grids notwendig werden, um die Spannung des Stromnetzes stabil zu halten. Auch Virtuelle Kraftwerke, in denen verschiedene regenerative Energieerzeuger sowie gegebenenfalls Abnehmer intelligent vernetzt sind, tragen zur Versorgungssicherheit bei. Zudem können erneuerbare Energien, insbesondere Photovoltaik, einspringen, wenn konventionelle Kraftwerke im Sommer aufgrund einer zu großen Flusserwärmung durch abgegebenes Kühlwasser gedrosselt bzw. ganz heruntergefahren werden müssen, ein seit längerem bekannter Effekt, der mit Verstärkung der Globalen Erwärmung immer häufiger auftreten wird.


title: Energiewende

text: Neben diesen ökologischen und technischen Aspekten werden auch politische und wirtschaftliche Gründe für den Ausbau dezentraler Energiestrukturen genannt. Beispielsweise sieht Jürgen Karl in der geringen Investitionsbereitschaft zum Bau fossiler Großkraftwerke, resultierend aus der Liberalisierung des Strommarktes, der notwendigen Elektrifizierung in den Schwellenländern auch außerhalb der boomenden Zentren sowie der geringen Akzeptanz von Großkraftwerken in Industriestaaten die Hauptgründe für den zunehmenden Ausbau dezentraler Energiestrukturen. Dezentrale Konzepte werden darüber hinaus mehrheitlich von Vertretern des linken politischen Spektrums als wesentlicher Bestandteil einer umfassenderen sozialen Transformation hin zu einer gleicheren und demokratischeren Gesellschaft propagiert. Vertreter dieser Strömung betonen besonders die soziale Dimension der Nachhaltigkeit und sehen in der Energieautarkie und der Versorgung mittels vieler kleiner lokaler Genossenschaften eine Möglichkeit, große Infrastrukturen und damit auch Energiekonzerne überflüssig werden zu lassen. Zumeist streben Befürworter einer schnellen Energiewende einen eher dezentralen Ansatz an.


title: Energiewende

text: Befürworter des dezentralen Wegs betonen, dass über Beteiligungsmodelle wie Bürgerwindparks, Bürgersolarparks und Bürgerenergiegenossenschaften viele Bürger direkt an der Energieerzeugung beteiligt sein können während Photovoltaikanlagen sogar von Einzelpersonen errichtet werden können. Nicht zuletzt ermögliche die dezentrale Errichtung der erneuerbaren Energien eine Wertschöpfung in der Region und eine Stärkung des ländlichen Raumes, so dass Kapitalabflüsse aus der Region minimiert werden können. Mit dieser Begründung spielen erneuerbare Energien in der kommunalen Energiepolitik eine zunehmend große Rolle und werden von der Lokalpolitik häufig gefördert.


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text: Eine andere Strömung sieht hingegen die Energiewende als rein technologisches Projekt, das durch Ausnutzung maximaler Skaleneffekte sowie hoch zentralisierter Strukturen möglichst effizient gestaltet werden sollte. Vertreter dieser Strömung sprechen sich für die Konzentration von Windparks in Küstennähe sowie die Errichtung von Offshore-Windparks, einen starken Stromnetzausbau inklusive leistungsfähiger transkontinentaler Leitungen sowie den Stromimport aus Nordafrika aus.


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text: Zugleich wird betont, dass eine Integration verschiedener Produktionsräume in einem großflächigen Verbundnetz Vorteile gegenüber einem rein dezentralen System bietet, da somit durch Stromaustausch über weiter entfernte Regionen die Fluktuationen in der Erzeugung von Wind- und Sonnenenergie reduziert und somit der Speicherbedarf verringert werden kann. Während im nationalen Kontext vorwiegend Drehstromleitungen zum Einsatz kommen sollen, sind zur Verknüpfung weiter entfernter Gebiete Stromleitungen auf Basis von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Technik vorgesehen, die zu sogenannten Supergrids zusammengeschlossen werden sollen. Im Gegensatz zu Wechselstromleitungen können HGÜs als Freileitung, als unterirdisches Stromkabel oder als Seekabel ausgeführt werden und ermöglichen durch sehr niedrige Übertragungsverluste Transportentfernungen von mehreren 1000 km; denkbar sind sogar globale Netze.


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text: Da die Variabilität der erneuerbaren mit zunehmender Entfernung abnimmt, gelten derartige Supergrids als sehr wichtig für eine günstige Netzintegration erneuerbarer Energien. Weltweit sind einige Supergrids vorgeschlagen worden oder befinden sich bereits in der Planungsphase. Hierzu zählt die Kopplung Europas an Afrika, der Aufbau eines Offshore-Supergrids in der Nordsee und eine Vernetzung Australiens und Tasmaniens.


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text: Darüber hinaus existieren verschiedene Projekte und Visionen, bei denen erwogen wird, die Stromproduktion aus regelbaren solarthermischen Kraftwerken in Südeuropa, Nordafrika und dem Nahen Osten massiv auszubauen und Überschüsse, die in diesen Regionen nicht zur Eigenversorgung benötigt werden, zu exportieren. Zugleich würden in den Exportstaaten Arbeitsplätze geschaffen, während in Europa die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern reduziert werden könnte. Durch die besonderen Charakteristika von solarthermischen Kraftwerken, die mit günstigen Wärmespeichern ausgerüstet auch nachts weiter Strom produzieren können, würde zudem in Europa der Speicherbedarf reduziert. Zudem besteht die Möglichkeit der Hybridisierung, d. h. der Wärmeerzeugung durch Erdgas bzw. perspektivisch durch synthetische Brennstoffe, Wasserstoff oder Biogas, womit solarthermische Kraftwerke wie auch konventionelle Kraftwerke vollständig grundlastfähig sind. Bekanntester Vertreter dieser Vorhaben ist das Desertec-Projekt, dessen Umsetzung mittlerweile fraglich ist.


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text: Ökonomische Prognosen zur Energiewende sind mit großen Unsicherheiten behaftet, da es sich bei der Energiewende um einen Prozess handelt, der sich über mehrere Jahrzehnte erstreckt, und zugleich bei der Prognose eine Reihe technologischer, ökonomischer und gesellschaftlicher Variablen betrachtet werden müssen, deren Entwicklung nur teilweise abschätzbar ist. Hierzu zählen beispielsweise die Entwicklung der Stromgestehungskosten konventioneller und regenerativer Erzeuger, die Preistendenz der Energierohstoffe und ggf. Verschmutzungsrechte, Veränderungen in der Demographie und dem Energieverbrauch oder die gewählte zukünftige Energieinfrastruktur (eher zentral oder eher dezentral?). Zusätzliche Kostenfaktoren gegenüber der konventionellen Energieversorgung ergeben sich durch den im Rahmen der Energiewende notwendigen Umbau der Energieinfrastruktur wie dem Netzausbau und der Integration von Energiespeichern, während die Vermeidung von Treibhausgasausstoß, Klimawandelfolgeeffekten und Gesundheitsschäden infolge von Schadstoffbelastung durch die Verbrennung fossiler Energieträger eine volkswirtschaftliche Kostenersparnis zur Folge hat. Je nach Gewichtung der unterschiedlichen Faktoren ergeben sich z. T. unterschiedliche Ergebnisse, die gerade in der öffentlichen Debatte in Deutschland bisweilen kontrovers diskutiert werden.


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text: Bei der Energieerzeugung fallen sowohl innere (d. h. betriebswirtschaftliche) als auch äußere, volkswirtschaftliche Kosten an. Während die inneren Kosten im Wesentlichen aus Bau, Betrieb und Rückbau von Kraftwerken sowie der Brennstoffbeschaffung bestehen, die zumeist den Marktmechanismen unterliegen, äußern sich externe Kosten vor allem in Form von Umweltverschmutzung, Gesundheits- und Klimaschäden, die nicht von den Verursachern, sondern der Allgemeinheit getragen werden. Die tatsächlichen Vollkosten der Energieerzeugung sind daher nur schwierig zu bestimmen; in manchen Fällen übersteigen die sozialen und ökologischen Kosten der konventionellen Energiegewinnung sogar die Endkundenpreise der Stromverbraucher.


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text: Für die USA liegen eine Reihe von Untersuchungen zu den externen Kosten vor. Shindell beispielsweise beziffert die Umweltschäden aus der Elektrizitätsproduktion in den USA auf 330–970 Mrd. US-Dollar pro Jahr, wobei diese größtenteils auf die Verbrennung fossiler Energieträger zuzuführen sind. Machol und Rizk kamen zu dem Ergebnis, dass alleine die durch Verbrennung fossiler Energieträger zurückzuführenden Gesundheitsschäden einen ökonomischen Gesamtschaden in Höhe von ca. 362 bis 887 Mrd. US-Dollar pro Jahr verursachen. Dies ergäbe Gesundheitsfolgekosten von 14 bis 35 US-Cent/kWh, womit diese die dortigen Endkundenpreise für Strom deutlich übersteigen. Jacobson et al. hingegen untersuchten die externen Kosten des gesamten Energiesektors (Strom, Wärme und Verkehr) und bezifferten die eingesparten externen Kosten bei einer vollständigen Energiewende bis 2050. Demnach würde ein Umstieg der USA auf eine zu 100 % erneuerbare Energieversorgung im Jahr 2050 gegenüber dem Status quo jährlich ca. 600 Mrd. Dollar an Gesundheitskosten und ca. 3,3 Billionen Dollar an Klimaschäden einsparen.


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text: Wird eine Vollkostenrechnung angestellt, die bei den jeweiligen Technologien auch externe Kosten mit einbezieht, sind viele erneuerbare Energien bereits heute preiswerter als konventionell erzeugter Strom. Zwar fallen auch bei diesen externe Kosten an, diese sind jedoch deutlich geringer als bei fossilen Energieträgern. Da die externen Kosten bei der konventionellen Energiegewinnung in den Preisen fossiler Energieträgern jedoch bisher nicht abgebildet werden, kommt es in der Praxis jedoch zu einem Marktversagen zugunsten der konventionellen Energiewirtschaft. Das Marktprinzip führt somit unter den aktuellen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zu einer suboptimalen Nutzung von Energieressourcen: fossile Energieträger erscheinen aufgrund nicht berücksichtigter Externer Kosten günstiger, als sie volkswirtschaftlich sind. Soll jedoch, wie mit der Liberalisierung angestrebt, der Markt die volkswirtschaftlich effizienteste Produktionsweise finden, so müssen hierfür zwingend alle wettbewerbsverzerrenden Faktoren vermieden und eine Kostenwahrheit durch Internalisierung aller externen Faktoren hergestellt werden. Geschieht dies nicht, können die Effizienzvorteile eines liberalisierten Marktes durch negative Effekte auf die Umwelt zunichtegemacht werden. Möglichkeiten zur Herstellung dieser Kostenwahrheit im Bezug auf die Globale Erwärmung sind Lenkungsabgaben wie z. B. eine CO-Steuer oder ein Emissionshandel.


title: Energiewende

text: Bisher (April 2014) ist eine Internalisierung dieser externen Effekte nur zu einem kleinen Teil erfolgt, eine vollständige Internalisierung ist nicht absehbar. So zieht z. B. der "Jahresbericht Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2013" der AG Energiebilanzen das Fazit, dass „die mit dem Emissionshandel intendierten Anreize für ein emissionsminderndes Verhalten bei derartigen Zertifikatspreisen [von ca. 5 Euro/Tonne] nicht zu erwarten“ seien. Die fehlende Internalisierung externer Kosten gilt als entscheidender Hemmschuh für das Vorankommen der Energiewende.


title: Energiewende

text: Dazu werden die Stromgestehungskosten stark durch Subventionen für einzelne Technologien verzerrt, wobei konventionelle Energieträger um ein Mehrfaches höhere Subventionen erhalten als regenerative Energien, die dadurch an Wettbewerbsfähigkeit verlieren. 2011 wurden fossile Energien weltweit mit 523 Mrd. US-Dollar subventioniert, während erneuerbare Energien mit ca. 100 Mrd. Dollar gefördert wurden. Inklusive externer Kosten beliefen sich die Subventionen fossiler Energien in diesem Jahr nach Jiang und Lin auf ca. 1,9 Billionen US-Dollar. Der Internationale Währungsfonds nennt hingegen höhere Zahlen. Demnach betrugen die Subventionen bei Einberechnung der ökonomischen Kosten von Umwelt- und Gesundheitsschäden 2011 insgesamt 4,2 Billionen US-Dollar und 2013 4,9 Billionen US-Dollar. Für 2015 werden die Subventionen auf 5,3 Billionen US-Dollar geschätzt, was 6,5 Prozent des Welt-Bruttosozialprodukts entspricht und damit höher liegt als die globalen Ausgaben im Gesundheitssektor. Zugleich würden diese Subventionen für Öl, Kohle und Gas die Energiepreise künstlich niedrig halten, den Ausbau der erneuerbaren Energien verlangsamen und klimaschädliche Emissionen um 17 % erhöhen. Ausgehend von diesen Zahlen wurde die Produktion einer Tonne Kohlenstoffdioxid im Energiesektor im Jahr 2013 weltweit mit mehr als 150 US-Dollar subventioniert.


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text: Ignoriert man die externen Kosten der konventionellen und alternativen Energiegewinnung und betrachtet nur die betriebswirtschaftlichen Kosten, dann wiesen die meisten erneuerbaren Energien noch 2018 in Deutschland etwa ähnliche Stromgestehungskosten auf, wie konventionelle Energien. Aufgrund gestiegener CO Zertifikatspreise sind seit 2018 die Stromgestehungskosten von Kohlekraftwerken erheblich angestiegen, während insbesondere bei Photovoltaik und Onshore-Windenergie ein kontinuierliches Sinken der Stromgestehungskosten festzustellen ist. Ausgelöst wurde dies durch eine starke Ausweitung der Produktion und durch daraus resultierende Skaleneffekte, die starke Konkurrenz und technische Weiterentwicklungen (‚Lernkurve‘), z. B. durch eine Verbesserung des Wirkungsgrades. 2021 waren daher die Stromgestehungskosten bei konventionellen Energien durchgehend höher als bei alternativer Energiegewinnung.


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text: Es wird bei alternativer Energiegewinnung mit weiter sinkenden Stromgestehungskosten gerechnet, während bei konventionellen Energien der gegenteilige Effekt beobachtet wird.


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text: Allerdings müssen für einen Vergleich von fossilem und regenerativem Energiesystem ebenfalls noch Kosten für einen stärkeren Netzausbau sowie die Stromspeicherung berücksichtigt werden, die in einem regenerativen Energiesystem zusätzlich anfallen. Unter der Annahme, dass Elektrizität zum Austausch regionaler Schwankungen primär über ein staatenübergreifendes, intelligentes Supergrid verteilt wird, kommen Jacobson und Delucchi zu dem Ergebnis, dass diese zusätzlichen Kosten wahrscheinlich 2 US-Cent/kWh nicht übersteigen. Angesichts langfristig weiter steigender Kosten für fossile Energieträger wird daher davon ausgegangen, dass langfristig betrachtet die Energiekosten in einem regenerativen Energiesystem auf gleichem Niveau wie in einem fossil-nuklearen Energiesystem liegen oder günstiger als in diesem sein werden.


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text: Bereits seit Beginn der Stromproduktion ist die Wasserkraft aufgrund ihrer niedrigen Produktionskosten ein fester Bestandteil des Strommixes; seit wenigen Jahren sind auch Windkraftanlagen an guten Onshore-Standorten ohne Förderung mit konventionellen Kraftwerken konkurrenzfähig. Es wird erwartet, dass in Zukunft die Konkurrenzfähigkeit mit Kohlekraftwerken auch an schlechteren Standorten gegeben sein wird und sich die Windenergie zur günstigsten Form der Stromproduktion entwickeln wird. Zudem kommen immer mehr ältere Windkraftanlagen in ein Alter, in dem sie abgeschrieben sind bzw. aus der gesetzlichen Förderung fallen und dann aus diesem Grund günstiger Strom produzieren können. Diese Konstellation ist allerdings nur möglich, sofern die Lebensdauer einer Windkraftanlage den Förderungszeitraum übersteigt.


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text: Auch weltweit sind die Stromgestehungskosten insbesondere von Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen stark gefallen; ein Trend der nach Walwyn und Brent bis mindestens 2030 anhalten soll. An den besten Standorten liegen die Stromgestehungskosten von Windkraftanlagen mittlerweile bei 40–50 US-Dollar/MWh (- Euro/MWh), wenn diese auch stark abhängig sind von der Standortqualität und den Finanzierungsbedingungen. In den USA sind Onshore-Windkraftanlagen nach gasbefeuerten GuD-Anlagen bereits die zweitgünstigsten Kraftwerke. Ähnliches gilt für die Photovoltaik, bei der die Modulpreise zwischen Januar 2011 und Dezember 2012 um 60 % fielen, und für die ein weiterer Preisrückgang erwartet wird. Insgesamt sanken die Modulpreise von 6–7 US-Dollar/Watt im Jahr 2000 auf 0,5–0,6 $/Watt im Jahr 2013. Bei der Photovoltaik wird in der Industrie mittlerweile von Swansons Gesetz gesprochen, wonach der Preis der Solarmodule mit der Verdopplung der ausgelieferten Module um 20 % fällt.


title: Energiewende

text: Photovoltaikanlagen, Sonnenkollektoren und zum Teil auch Windkraftanlagen und Biogasanlagen können als Kleinkraftwerke direkt beim Endverbraucher installiert werden. Wegen der dadurch entfallenden Transportkosten und Steuern durch Eigenverbrauch müssen derartige Kraftwerke nicht oder nur teilweise mit Großhandelspreisen konkurrieren, stattdessen wird die Rentabilität durch die Endkundenpreise für Strom und ggf. Wärme bestimmt. So wurde in vielen Staaten bei der Photovoltaik schon vor wenigen Jahren die Netzparität für Privathaushalte, Kommunen und die meisten Wirtschaftsunternehmen erreicht, auch wenn die Stromgestehungskosten weiterhin über denen konventioneller Kraftwerke liegen. In Deutschland wurde die Netzparität von Photovoltaik-Strom 2012 erreicht. Es wird davon ausgegangen, dass sich durch die fallenden Preise von Solarstrom in Zukunft starke Veränderungen im Stromsektor ergeben werden.


title: Energiewende

text: In vielen Staaten der Welt sind zudem in ländlichen Gegenden Photovoltaik-Insel-Systeme mit Batteriespeicher die günstigste Form der Elektrizitätsversorgung für einzelne Gebäude oder Siedlungen. Aus ökonomischer wie auch ökologischer Sicht schneiden solche Anlagen besser ab als die Alternativen Dieselgenerator oder Elektrifizierung durch Anschluss an ein Stromnetz.


title: Energiewende

text: Die Ablösung fossiler und nuklearer Stromerzeugungstechnologien durch erneuerbare Energien führt zu einer umfassenden Wandlung der Flächennutzung. Zur Bereitstellung fossiler Energieträger wird eine große Fläche benötigt, insbesondere Braunkohle, in vielen Teilen der Welt aber auch Steinkohle werden im Tagebau oder dem gerade in den USA häufig praktizierten Mountaintop removal mining gewonnen. Alleine durch das Mountaintop Mining wurde in den USA eine Fläche von 1,4 Mio. Acre (ca. 5700 km²) vollständig umgestaltet und zudem rund 2000 Meilen (ca. 3200 km) Fließgewässer unter Abraum begraben. Diese gravierenden Eingriffen in Umwelt und Natur, die beim Tagebau von Kohle entstehen, können nur teilweise wieder rückgängig gemacht werden. Auch das Landschaftsbild wird massiv und dauerhaft verändert. Häufig müssen auch Menschen umgesiedelt werden. In Deutschland wurden z. B. alleine in Braunkohletagebauten rund 2.300 km² Fläche bewegt und verbraucht.


title: Energiewende

text: Verglichen dazu ist der Eingriff durch Windkraft- und Solaranlagen, die in einem regenerativen Energiesystem die Hauptlast tragen werden, deutlich geringer. Allerdings findet er im Gegensatz zur konventionellen Energienutzung nicht punktuell oder regional statt, sondern ist durch den dezentralen Charakter der regenerativen Energien für viel größere Bevölkerungsschichten vor Ort sichtbar.


title: Energiewende

text: Beispielsweise betrug der Flächenverbrauch von Windkraftanlagen in Deutschland im Jahr 2011 mit rund 100 km² nur ein Bruchteil des Flächenverbrauchs der Braunkohletagebauten, allerdings sind die flächig über ganz Deutschland verteilten Windkraftanlagen im Gegensatz zu diesen viel präsenter in der visuellen Wahrnehmung. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass der tatsächliche Flächenverbrauch von Windkraftanlagen, d. h. die durch das Fundament versiegelte Fläche, nicht mit den Abstandsflächen zwischen den einzelnen Windturbinen sowie zu Wohnbebauung verwechselt werden darf. Während das Fundament abhängig von der Anlagengröße maximal wenige 100 m² misst, umfassen die Abstandsflächen pro Anlage einige Hektar. Dadurch können üblicherweise fast 99 % der von einem Windpark beanspruchten Fläche weiterhin einschränkungslos für Ackerbau usw. genutzt werden.


title: Energiewende

text: Deshalb weist die Energieerzeugung aus Windenergie insgesamt einen vergleichsweise niedrigen Flächenbedarf auf, während die von ihr ausgehende Flächenversiegelung auch verglichen mit konventionellen Energiegewinnungsformen sehr gering ist. Beispielsweise liegt der Energieertrag bei einer modernen 3-MW-Anlage mit 300 m² Standfläche und einer Stromproduktion von 6,4 GWh bei ca. 21.000 kWh pro m² Fundamentfläche und Jahr. Dieser Wert liegt geringfügig oberhalb des entsprechenden Wertes von Steinkohlekraftwerken (inklusive Nebengebäude), selbst wenn die Fläche für den Kohlebergbau bei Letzteren nicht mit einbezogen wird. Kontrovers beurteilt werden hingegen die Auswirkungen auf das Landschaftsbild.


title: Energiewende

text: Photovoltaikanlagen werden üblicherweise auf Gebäuden errichtet und haben damit keinen zusätzlichen Flächenbedarf zur Folge. Zusätzlicher Flächenverbrauch tritt aber bei Photovoltaik-Freiflächenanlage auf. Zwar wird durch die übliche Aufständerung kaum Fläche versiegelt, da die Fundamente der Gestelle nur wenig Fläche benötigen, jedoch können die Flächen in Solarparks entweder gar nicht mehr oder nur noch für extensive Landwirtschaft genutzt werden, beispielsweise als Weidefläche für Schafe. Ebenfalls möglich ist die Anlage von Sekundärbiotopen unter den Modulen, die gegenüber intensiver Landwirtschaft eine ökologische Aufwertung darstellen. Wesselak et al. geben für Freiflächen-Photovoltaikanlagen einen Flächenbedarf von knapp 38 m² pro kW an. Hierbei ist der Flächenbedarf für Wechselrichter, Wege und Abstandsflächen bereits mit inbegriffen. Zukünftig könnte ein Einsatz von Schwimmenden Photovoltaikanlagen, die auf nicht anderweitig genutzten Wasserflächen errichtet würden, dazu beitragen eine potentielle Flächenkonkurrenz zur Landwirtschaft zu vermeiden. Von derartigen Anlagen wurden mittlerweile eine Reihe von Prototypen realisiert, allerdings befindet sich die Technologie bisher noch in einem frühen Stadium der Entwicklung und Markteinführung (Stand 2014).


title: Energiewende

text: Dazu kommt der bei diesen Energiegewinnungsformen notwendige Ausbau von Stromnetzen und Energiespeichern, der ebenfalls berücksichtigt werden muss. So haben z. B. Pumpspeicherkraftwerke einen großen Flächenverbrauch, während Druckluftspeicherkraftwerke deutlich weniger Fläche als Pumpspeicher benötigen und zugleich weniger Ansprüche an die Topographie stellen, jedoch auch einen niedrigeren Wirkungsgrad haben. Langfristspeicher wie die Herstellung von Wasserstoff oder synthetischem Methan können auf Speicherkapazitäten in der bereits vorhandenen Erdgasinfrastruktur zurückgreifen und benötigen deshalb mit Ausnahme der Anlagen zur Herstellung des Wasserstoffs bzw. Methans keine zusätzliche Fläche. Allerdings erhöhen der geringere Wirkungsgrad dieser Anlagen und damit einhergehend die höheren Energieverluste während der Speicherung wiederum den Bedarf an regenerativer Erzeugungskapazität, d. h. Windkraft- und Solaranlagen.


title: Energiewende

text: Insgesamt würden nach Jacobson und Delucchi bei einer vollständig regenerativen Energieversorgung der gesamten Weltwirtschaft, die vollständig auf Windkraft, Solarenergie und Wasserkraft sowie geringen Anteilen von Geothermie basiert, zwischen 0,41 und 0,74 % der Erdoberfläche dauerhaft benötigt. Zusätzliche 0,59 bis 1,18 % würden als Abstandsflächen von Windkraftanlagen benötigt, könnten aber weiter landwirtschaftlich genutzt werden. Der Flächenbedarf gilt daher nicht als Hindernis für eine globale Energiewende.


title: Energiewende

text: Im Gegensatz zu den Standflächen von Windkraftanlagen und ggf. Freiflächensolaranlagen wird beim Biomasseanbau für die Energiegewinnung mit Ausnahme der Kraftwerke und Fermente selbst keine Fläche versiegelt, sondern nur anderweitig agrarisch genutzt. Berücksichtigt werden muss hierbei jedoch die Flächen- und Nutzungskonkurrenz zwischen Nahrungsmittelproduktion, Energiepflanzenanbau und der Gewinnung nachwachsender Rohstoffe für die stoffliche Nutzung. Deswegen ist der Anbau von Energiepflanzen umstritten. Als sinnvoller als eine direkte Biomassenutzung zur Energieproduktion wird daher eine sog. Kaskadennutzung gehalten, bei der zunächst die stoffliche Nutzung pflanzlicher Rohstoffe im Vordergrund steht und erst nach Ende dieser Nutzung die energetische Verwertung.


title: Energiewende

text: Der spezifische Flächenbedarf für die Erzeugung von Bioenergieträgern ist, verglichen mit anderen Energiegewinnungsformen, vergleichsweise hoch. Bei der Nutzung von Energiemais als Substrat für Biogasanlagen ergeben sich pro Jahr nutzbare Biomethanausbeuten von ca. 45 MWh pro ha bzw. 4,5 kWh pro m² und Jahr. Mit Stand 2017 wurden weltweit auf einer Ackerfläche von rund 14 Mio. ha Bioenergieträger angebaut, was etwa 1 % der weltweiten Ackerfläche entspricht.


title: Energiewende

text: Während die Nutzung von landwirtschaftlichen Rest- und Abfallstoffen wie z. B. Stroh als ökologisch und sozialpolitisch als unproblematisch gesehen wird, ist hingegen insbesondere die Herstellung von Biotreibstoffen umstritten. Darüber hinaus kann eine zu starke Nutzung von Biotreibstoffen nicht nur die Ernährungssicherheit gerade in wenig entwickelten Staaten beeinträchtigen, sondern zusätzlich stark negative Auswirkungen auf die Ökologie, Biodiversität und naturnahe Lebensräume haben. Aufgrund dessen wird das Potential der Bioenergie insgesamt in aktuelleren Studien deutlich geringer geschätzt als in älteren Studien. Ging z. B. die IEA in der Vergangenheit davon aus, dass die Bioenergie im Optimalfall 700 EJ/a an Energie liefern könnte, was 60 % des geschätzten Weltenergiebedarfs im Jahr 2050 entspräche, beziffern neuere Studien das Biomassepotenzial nur noch auf etwa 180 EJ/a bzw. 15 % des Weltenergiebedarfs 2050. Um die nachhaltige Nutzung der Biomasse zu gewährleisten, wird in einigen neueren Arbeiten, die eine regenerative Vollversorgung ausschließlich mittels erneuerbarer Energien modellieren, der Einsatz von Bioenergie deutlich limitiert oder sogar vollständig ausgeschlossen.


title: Energiewende

text: Grundsätzlich gilt, dass Biomasse alleine nicht das Potential besitzt, fossile Energieträger vollständig zu ersetzen. Beispielsweise wäre Deutschland nach Volker Quaschning selbst bei vollständiger Nutzung der inländischen Ackerfläche für den Rapsanbau zur Biodieselproduktion gerade einmal in der Lage, ein Drittel des deutschen Dieselverbrauchs mittels Biodiesel zu decken. Die Nutzung der Elektromobilität gilt daher als deutlich vielversprechender als die Nutzung von Biotreibstoffen. Das Potenzial der Biotreibstoffe wird hingegen vor allem in Bereichen gesehen, wo der Einsatz von Elektrofahrzeugen auch längerfristig nicht praktikabel ist.