Regenerative Energieversorgung

Übergreifend

Regenerative Energieversorgung

  • Was sind die Quellen für erneuerbare Energien?
  • Wie nutzen wir die Sonnenenergie?
  • Woher kommen Wind- und Wasserkraft?
  • Wie sieht die Energiegewinnung der Zukunft aus?

Anteil erneuerbarer Energien

Noch ist der Beitrag der erneuerbaren Energien bei der Primärenergie für die BRD (2005) unter 5%. Bei der Strombereitstellung beträgt der Anteil der erneuerbaren Energien dagegen schon etwa 10% und soll nach den Vorgaben der Bundesregierung bis zum Jahr 2020 auf 20% gesteigert werden.

Quelle: BMU

Die folgende Graphik zeigt, aus welchen Anteilen sich der Beitrag der erneuerbaren Energien zum Primärenergiebedarf zusammensetzt.

Quelle: BMU

Die Nutzung der erneuerbaren Energien vermeidet die Freisetzung von Luftschadstoffen und klimarelevanten Gasen. Ihr weiterer Ausbau ist deshalb ein unverzichtbarer Bestandteil der deutschen Klimaschutzstrategie. Im Jahr 2005 betrug der gesamte energiebedingte Ausstoß des klimaschädlichen CO2 805 Millionen Tonnen (weltweit ca. 29 Milliarden Tonnen). Im Jahr 2005 konnten durch den Einsatz regenerativer Energien 84 Mio Tonnen CO2 vermieden werden. Die folgende Graphik zeigt, wie stark die einzelnen Bereiche der erneuerbaren Energien an der CO2-Vermeidung beteiligt waren.

Quelle: BMU

Die zeitlichen Trends für die Gesamtheit der erneuerbaren Energien (EE) wird in der folgenden Tabelle dargestellt. Dabei werden weitere Abkürzungen verwendet: EEV: Endenergie"verbrauch"; PEV: Primärenergie"verbrauch"

Quelle: BMU

Zeitliche Entwicklung der erneuerbaren Energien nach Bereichen

Die folgenden Informationen wurden weitgehend vom Bundesumweltministerium übernommen.

Quelle: BMU

Windenergie

Deutschland liegt inzwischen weltweit an der Spitze der Windenergienutzung und hat damit Dänemark abgelöst. Ende 2005 waren in Deutschland knapp 18000 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 18.428 MW in Betrieb. Bezogen auf die gesamte installierte Leistung liegt Niedersachsen an der Spitze, gefolgt von Brandenburg, Schleswig-Holstein und Nordrhein-Westfalen. Insgesamt wurden 2005 rd. 26,5 TWh Strom aus Windenergie erzeugt, ihr Anteil an der Strombereitstellung lag bei 4,3 %. Für die nächsten Jahre wird der Zubau neuer Anlagen an Land (Onshore-Anlagen) nicht mehr so rasant sein, da die gut geeigneten Standorte abnehmen. In Zukunft wird der Ausbau von Windenergieanlagen auf See eine wichtige Rolle spielen (Offshore-Anlagen). Man geht davon aus, dass bis 2030 auf See insgesamt 20.000 bis 25.000 Megawatt installiert werden. Insgesamt – an Land und auf See – soll die Windenergie dann ein Viertel zur gesamten Stromversorgung in Deutschland beisteuern (2005: 4,3%).

Quelle: BMU

Wasserkraft

Im Jahr 2005 wurden aus erneuerbarer Wasserkraft 21,5 TWh Strom erzeugt, ihr Anteil an der Strombereitstellung lag damit bei 3,5 %. Damit ist die Wasserkraft die zweitwichtigste erneuerbare Energiequelle zur Stromerzeugung nach der Windenergie. In Deutschland sind die Möglichkeiten den Beitrag des Wassers bei der Energiegewinnung zu erhöhen weitgehend auf Modernisierungsmaßnahmen beschränkt.

Quelle: BMU

Biomasse

Durch gesetzliche Maßnahmen konnte der Einsatz von Biomasse zur Verstromung deutlich gesteigert werden. Der Biomasse-Anteil bei der Stromerzeugung erreicht allerdings noch längst nicht den Beitrag der Windenergie. Jedoch ist zu Bedenken, dass bei der Bereitstellung der "Bioenergie" keine solch starken zeitliche Schwankungen auftreten wie bei der Windenergie.

Quelle: BMU

Biomasse

Der Beitrag der Biokraftstoffe ist in 2005 bezogen auf den gesamten Straßenverkehr zwar nur 3,6%. Sollten die Kraftstoffpreise aber weiter steigen, so ist mit einem weiterhin sehr starken Aufwärtstrend zu rechnen.

Quelle: BMU

Solarwärme - Solarthermie

Bei der Solarthermie wird die Strahlung der Sonne in Wärme umgesetzt, um Wasser oder Gebäude aufzuheizen. Ende 2005 waren in Deutschland ca. 7,2 Mio. m2 Kollektorfläche installiert.

Quelle: BMU

Solarstrom - Fotovoltaik

Aufgrund der deutlich verbesserten Vergütungssätze für Solarstrom nach dem Gesetz für erneuerbare Energien (EEG), hat die Aufstellung von Fotovoltaikanlagen stark zugenommen. In Deutschland sind Fotovoltaikanlagen mit rund. 1.500 MW Leistung in der Spitze am Netz, die 2005 etwa 1 Mrd. kWh Strom erzeugt haben. Dies entspricht einer Verdreifachung gegenüber 2003. Ihr Beitrag zur Stromerzeugung lag dennoch im Jahr 2005 nur bei ca. 0,16 %.

Blick in die Zukunft

Perspektiven bis 2020

Die Bundesregierung hat sich konkrete mittelfristige Ziele in der Energiepolitik gesetzt:

  • Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien bei der Primärenergie bis zum Jahr 2020 auf mindestens 10 % (2005: 4,7%) und danach kontinuierliche weitere Steigerung entsprechend der Nationalen Nachhaltigkeitsstrategie. Im Jahr 2050 sollen dann 50 % des Primärenergiebedarfs aus erneuerbaren Energien bereitgestellt werden.

  • Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung auf mindestens 12,5 % bis zum Jahr 2010 und mindestens 20 % bis zum Jahr 2020.

Quelle: BMU
  • Erhöhung des Anteils von Biokraftstoffen am Kraftstoffverbrauch auf 5,75 % bis zum Jahr 2010.

  • Parallel dazu wird versucht bei allen Umwandlungsprozessen Energie einzusparen (Energieeffizienzstrategie). Das Ziel ist, die Energieeffizienz der Volkswirtschaft bis 2020 gegenüber 1990 zu verdoppeln. Bei den Einsparbemühungen haben Gewerbe und Industrie bereits große Fortschritte gemacht. Sorgen bereiten dagegen der Verkehr und die privaten Haushalte. Bei den Haushalten dürfte das größte Einsparpotential in der Wärmedämmung liegen.

Perspektiven bis 2050

Die angestrebte Steigerung der erneuerbaren Energien bis 2020 wird sich deutlich auf die Emissionsbilanz Deutschlands auswirken. Bereits heute vermeidet ihr Einsatz jährlich rund 83 Mio. Tonnen Kohlendioxid, bis zum Jahr 2020 wird es gut das Doppelte sein. Bis zur Mitte diesen Jahrhunderts sollte jedoch eine Reduktion des gesamten energiebedingten CO2-Ausstoßes um 80 % gegenüber dem Niveau des Jahres 1990 erreicht werden. Diesen Empfehlungen nationaler und internationaler Experten soll die Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung Rechnung tragen. Um das Ziel erreichen zu können, muss neben die Säule “gesteigerte Effizienz bei der Umwandlung und Nutzung von Energie” in gleichem Maße die Säule “erneuerbare Energien” treten.

Quelle: BMU

Informationen Windkraft

Wie es zum Wind kommt

Letztlich ist als Ursache für den Wind die Sonnenenergie anzusehen. Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche und diese die darüber befindliche Luftschicht. Durch örtliche Unterschiede in der Erwärmung bilden sich Zonen mit verschiedenem Luftdruck aus, sogenannte Hoch- und Tiefdruckgebiete. Die Luftbewegung, der "Wind" entsteht, wenn es zum Druckausgleich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebiet kommt. Infolge der Erdrotation erfolgt die Luftströmung nicht geradlinig, sondern bedingt durch die Corioliskraft auf spiralförmigen Bahnen um das Zentrum der jeweiligen Hoch- bzw. Tiefdruckgebiet. Beim Einströmen der Luft in ein Tiefdruckgebiet erfährt diese auf der nördlichen Halbkugel eine Rechtsablenkung, was zur Bildung einer linksdrehenden Zyklone führt. Strömt dagegen die Luft aus einem Hochdruckgebiet ab, so kommt es zu einer entgegengesetzt drehenden Antizyklone. Auf der südlichen Halbkugel sind die Drehrichtungen in beiden Fällen umgekehrt. Diese Wirbelbildung ist auch der Grund dafür, dass die Isobaren (Linien gleichen Luftdruckes) keinen geradlinigen Verlauf zeigen. Dasselbe gilt für die Wolken der Tiefdruckgebiete, deren Wirbel auf Satelliten-Fotos gut zu erkennen sind.

Windstärken

Windstärke nach Beaufort

Geschwindigkeit
in m/s

Auswirkungen des Windes

0 Windstille

0,0 - 0,2

Rauch steigt gerade empor

1 leichter Zug                 

0,3 - 1,5

Windrichtung nur am Rauch erkennbar

2 leichte Brise

1,6 - 3,3

Wind im Gesicht fühlbar, Blätter säuseln

3 schwache Brise

3,4 - 5,4

Blätter und dünne Zweige bewegen sich

4 mäßige Brise

5,5 - 7,9

Wind bewegt Zweige, hebt Staub

5 frische Brise

8,0 - 10,7

Kleine Bäume beginnen zu schwanken

6 starker Wind

10,8 - 13,8

Pfeifen an Drahtleitung

7 steifer Wind

13,9 - 17,1

Fühlbare Hemmung beim Gehen

8 stürmischer Wind

17,2 - 20,7

Wind bricht Zweige von den Bäumen

9 Sturm

20,8 - 24,4

Kleinere Schäden an Haus und Dach

10 schwerer Sturm

24,5 - 28,4

Wind entwurzelt Bäume

11 orkanartiger Sturm

28,5 - 32,6

Schwere Sturmschäden

12-17 Orkan

32,7 - > 56,0

Schwere Verwüstungen

Windpotential
Das windbedingte Energiepotential der Erde entspricht etwa 2% der gesamten Sonneneinstrahlung bzw. 2 Millionen Terrawattstunden (1 Terra = 1012) jährlich (zum Vergleich: gesamter Primärenergieverbrauch auf der Erde 1997: 110 Tausend Terrawattstunden). Auf die bewohnten Gebiete der Erde entfallen davon etwa 270 Millionen Gigawatt, was immer noch ein Vielfaches des gesamten Weltenergiebedarfs. Praktisch nutzbar wäre nur ein geringer Teil der Windenergie. Optimisten rechnen mit ca. 3%, was bedeuten würde, dass mit Windenergie maximal ein Drittel des gegenwärtigen Gesamtenergiebedarfs gedeckt werden könnte.

Windverteilung in Deutschland

Moderne Windkonverter werden vorwiegend zur "Erzeugung" elektrischer Energie eingesetzt. Sie besitzen nur wenige Rotorblätter und brauchen daher zum Anlaufen mindestens Windgeschwindigkeiten von 4m/s - 5m/s. Wie auf der Seite "Leistungsbetrachtung" dargelegt wird, steigt die Energieausbeute einer Windkraftanlage mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Dies bedeutet, dass eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit einer Verachtfachung der Energieausbeute bewirkt.

Die Abbildung zeigt, dass in Deutschland die erforderlichen Windgeschwindigkeiten nur im Küstengebiet und in einigen Mittelgebirgen erreicht werden.

Die Windgeschwindigkeit hängt auch stark von der Höhe ab. Landeinwärts bedarf es immer größerer Höhen, um die Windgeschwindigkeiten an der Küste zu erreichen.
Aber auch lokale Begebenheiten, wie Bebauung, Geländeform und Bewuchs beeinflussen die Windgeschwindigkeit.

 

In den Alpen kommt es zwar auch teilweise zu hohen Geschwindigkeiten, jedoch wechselt die Windrichtung relativ oft. Außerdem ist die Häufigkeit hoher Windgeschwindigkeiten geringer als an der Küste.

In der neueren Zeit baut man Windräder nicht nur an der Küste (onshore) sondern auch über dem Meer auf (offshore). Meist erstellt man ganze Windparks mit einer größeren Zahl von Windrädern. Auf diese Weise wird die Energiegewinnung wirtschaftlicher. Der Vorteil der Offshore-Version ist, dass der Wind über dem Meer gleichmäßiger weht, die Erzeugung elektrischer Energie unterliegt daher keinen so großen Schwankungen. Darüber hinaus stört bei Offshore-Analgen die nicht unerhebliche Lärmbelästigung durch die sich drehenden Räder weniger. Bei Naturschützern finden diese Anlagen jedoch nicht ungeteilte Zustimmung.

 

Wasserkraft-Zahlen

Das Wasser stellt eine sogenannte regenerative Energiequelle dar, d.h. diese Energiequelle versiegt nicht, solange es bei uns Sonneneinstrahlung gibt. Erzeugt man elektrischen Strom mit Hilfe der Energie des Wassers, so entsteht hierbei kein klimaschädliches CO2 wie dies z.B. in Kraftwerken mit Kohle-, Öl- oder Gasbefeuerung der Fall ist.

Die Sonnenstrahlung, welche auf die Erde trifft bewirkt einen Wasserkreislauf, der uns Trinkwasser und Energie (potenzielle und kinetische Energie des Wassers) ständig zur Verfügung stellt: Das Wasser steigt als Wasserdampf zum Himmel auf und bildet Wolken. Als Niederschlag kehrt es zur Erde zurück und setzt seine Reise Richtung Meer fort.

Wenn auch Niederschläge in der Freizeit meist nicht erwünscht sind, sie stellen für unser Land einen Segen dar, den man erst schätzt, wenn man sich längere Zeit in Trockengebieten aufgehalten hat.

Die folgende Grafik zeigt die Verteilung der Niederschläge in Deutschland. Aus ihr können schon grob die günstigsten Standorte für Wasserkraftwerke abgeleitet werden. Von den Gebirgen mit hoher Niederschlagsmenge fließen vermehrt Flüsse ab.

 
> 1400 mm/a
 
1200 - 1400 mm/a
 
1000 - 1100 mm/a
 
800 - 900 mm/a
 
600 - 700 mm/a
 
400 - 500 mm/a
 
< 400 mm/a

 

Unter den regenerativen Energiequellen stellte das Wasser bis zum Jahre 2002 den größten Anteil bei der Stromgewinnung aus regenerativen Energien dar. Ab 2002 wurde die aus dem Wasser gewonnene Energie von der Windenergie überflügelt. Die Photovoltaik spielt immer noch eine geringe Nebenrolle.

Beachtliche ist, dass sich der Anteil der regenerativen Energiequellen bei der Stromerzeugung in den zehn Jahren von 1995 bis 2005 mehr als verdoppelt hat.

Wir sehen also, dass der Anteil der Wasserkraft bei der Stromerzeugung unter den regenerativen Energiequellen in Deutschland recht beachtlich ist. Zieht man aber auch noch die anderen, nicht regenerativen Energieträger in Betracht, so spielt das Wasser bei der Stromerzeugung in Deutschland keine sehr große Rolle (ca. 4%). Beachte auch, dass die Energieträger nicht nur zur Stromerzeugung eingesetzt werden, sondern auch für die Bereitstellung von Wärme usw. Bei der Deckung des gesamten Energiebedarfs in der BRD ist das Wasser nur mit 0,6% beteiligt. In einigen Ländern spielt dagegen die Wasserkraft bei der Stromerzeugung eine sehr bedeutende Rolle. Weltweit trägt die Wasserkraft ca. 20% zur Stromerzeugung bei. Dieser Anteil ist noch steigerbar, während in der Bundesrepublik die Möglichkeiten der Wasserkraft weitgehend ausgeschöpft sind.

Wasserräder

Die älteste Form des Wasserrades ist das sogenannte Stoßrad. Es besitzt eine horizontale Achse und wird einfach in das strömende Wasser gehängt. Bei dieser Form des Wasserrades wird ausschließlich die kinetische Energie (Bewegungsenergie) des Wassers genutzt.

Eine Fortentwicklung des Stoßrades ist das sogenannte unterschlächtige Wasserrad. Unterschlächtig bedeutet, dass das fließende Wasser die Schaufeln des Rades an seinen untersten Stellen trifft. Im Gegensatz zum Stoßrad besteht zwischen dem Wassereintritt und dem Wasseraustritt eine leichte Höhendifferenz. Neben der Bewegungsenergie des Wassers wird also noch die potentielle Energie (wenn auch in geringem Maße) des Wassers genutzt.

Der Wirkungsgrad eines unterschlächtigen Wasserrades beträgt ca. 35%.

 

Einen etwa doppelt so großen Wirkungsgrad (bis 75%) wie das soeben besprochene unterschlächtige Wasserrad besitzt das sogenannte oberschlächtige Wasserrad, bei dem das Wasser von oben in die muldenartig geformten Schaufeln stürzt (gleiche Größe und Wassermenge vorausgesetzt). Hier wird im Wesentlichen die potenzielle Energie (Lageenergie) des Wassers ausgenutzt. Aufgrund des Übergewichtes auf einer Seite des Rades kommt es zu dessen Drehung. Der hohe Wirkungsgrad des oberschlächtigen Rades wird mit einem höheren Aufwand bei dessen Bau erkauft. Durch Eingriffe in die Wasserführung (Bau von Dämmen, Mühlengräben, Teichen usw.) muss erreicht werden, dass das Wasser von oben auf das Rad trifft. Darüber hinaus ist die dichte Ausführung der Schaufeln teurer als bei den anderen Wasserrädern.
Oberschlächtige Räder haben in der Regel eine niedrigere Drehgeschwindigkeit als unterschlächtige Räder.

 

Agricola (1556) beschreibt ein sogenanntes Kehrrad, das zwei nebeneinander angebrachte, verschieden ausgerichtete Laufflächen aufweist. Je nachdem in welche Lauffläche das Wasser von oben geleitet wurde, drehte sich das Rad links oder rechts herum. Solche Wasserräder wurden hauptsächlich zur Entwässerung von Bergwerken eingesetzt. Wirkungsvolle Pumpen waren zu dieser Zeit noch nicht bekannt.

Turbinen

Bilder z.T. aus Strombasiswissen: Wasserkraft

Die ursprünglich aus Holz gebauten Wasserräder wurden ab etwa 1800 aus Gusseisen hergestellt. Ab dem Jahr 1825 konstruierte man in Frankreich die ersten Wasserturbinen, von denen heute im Wesentlichen drei wichtige Typen verwendet werden.

Pelton-Turbine (1880)

Sie stellt eine Weiterentwicklung des Stoßrades dar und nutzt die kinetische Energie des aus großen Höhen fallenden Wassers (stürzt Wasser z.B. 1000m herab, so hat es eine Geschwindigkeit von ca.
500km/h). Aus einer oder mehreren Düsen strömt Wasser, trifft auf die becherförmig ausgeführten Schaufeln und treibt das Laufrad an. Die Pelton-Turbine wird in Wasserkraftwerken mit sehr großen Fallhöhen aber nicht allzu großen Wasserströmen eingesetzt.
Ihr Wirkungsgrad ist etwa 90-95%.


Läufer einer Pelton-Turbine

Francis-Turbine (1849)

Die Francis-Turbine wird als das "Lastpferd der Wasserkraftnutzung" bezeichnet, da sie in einem sehr breiten Bereich (vgl. folgende Tabelle) einsetzbar ist. Bei ihr wird das Wasser durch ein feststehendes aber verstellbares Leitwerk zum Laufrad geleitet. Im Gegensatz zur Kaplan-Turbine strömt das Wasser senkrecht zur Laufradachse ein.
Der Wirkungsgrad einer Francis-Turbine ist ca. 90%.

Einbau des Laufrades einer Francis-Turbine

Kaplan-Turbine (1912)

Diese Turbine wurde durch V. Kaplan aus der Francis-Turbine weiterentwickelt. Die Kaplan-Turbine ist speziell für geringen Wasserdruck aber große, stark schwankende Durchflussmengen geeignet, wie sie an Flüssen auftreten. Das Laufrad gleicht einem Schiffspropeller durch dessen verstellbare Schaufeln die Wassermassen strömen. Das Wasser wird durch ein ebenfalls verstellbares Leitwerk parallel zur Achse des Laufrades zugeführt. Die Kaplan-Turbine wird vorwiegend in großen Flusskraftwerken bei relativ geringer Strömungsgeschwindigkeit des Wassers eingesetzt.
Der Wirkungsgrad einer Kaplan-Turbine beträgt 80-95%.


Revision einer Kaplan-Turbine

In der folgenden Grafik ist der Einsatzbereich der verschieden Turbinen übersichtlich dargestellt:

Typ

Pelton-Turbine

Francis-Turbine

Kaplan-Turbine

Bild
Einsatzbereich
Speicherkraftwerke
Speicherkraftwerke
Laufkraftwerke
Fallhöhe
in m
200 - 2000
10 - 700
0 - 30
Durchfluss-
menge
4 - 15 m3/s
4 - 55 m3/s
4 - 350 m3/s
Wirkungsgrad
90 - 95 %
ca. 90%
80-95%

Strahlungleistung auf die Erde

Die Solarkonstante ist 1360 W/m²

Atmosphäreneinfluss

Abhängig von der Schichtdicke der durchdrungenen Atmosphäre wird ein Teil der Sonnenstrahlung gestreut oder absorbiert, so dass nur ein Teil davon auf der Erdoberfläche ankommt. Das sind in Deutschland bei klarer Sonne im Tages- und Jahresmittel etwa 1000 W/m².

Tag-Nacht-Einfluss

Da nur die Hälfte der gesamten Zeit Tag ist, halbiert sich die mittlere Leistung auf etwa 500 W/m².

Wolken

Da bei Bewölkung die Strahlung im wesentlichen von den Wolken reflektiert wird, halbiert sich die mittlere Leistung auf etwa 250 W/m².

 

Schräger Einfall
Da die aufgegangene Sonne auf Deutschland im Tages- und Jahresmittel unter ca. 28° einfällt, reduziert sich die mittlere Leistung mit sin 28° = 0,47 auf 0,47·250 W/m² = 118 W/m².

 

Vergleich mit Daten des Wetterdienstes
Die mittlere Jahressumme in kWh/m² ist auf nebenstehender Karte des deutschen Wetterdienstes zu ersehen.
Mit obigen Daten ergäbe sich eine Jahressumme von 365·24h·118W/m² = 1034 kWh/m², stimmen also mit den vom Deutschen Wetterdienst gesammelten Daten für die Globalstrahlung gut überein.

Deutschland

Damit wird in Deutschland im Jahresmittel eine gesamte Strahlungsleistung von ca. 4,2·1013W (= 3,57·1011m²·118W/m² ) von der Sonne eingestrahlt.

Zum Vergleich:
Die Weltjahresproduktion an Primärenergie beträgt ca. 3,5·1020 J, das entspricht einer Leistung von 1,1·1013 W.

Wollte man den derzeitigen Energiebedarf der Erdbevölkerung mit Solarzellen eines realistischen Wirkungsgrads von 10% erzeugen, bräuchte man ein Fläche, die 3 mal so groß wie Deutschland ist.

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