Erneuerbare Energien: Klimaschutz und nationale Versorgungssicherheit

Die Umstellung unseres Energiesystems auf erneuerbare Energien ist politisches Ziel und derzeit – vor allem auch getrieben durch den Krieg in der Ukraine – in aller Munde. Es soll hier ein skizzenhafter Überblick zu der nicht ganz einfachen Thematik gegeben werden. 

Entwicklung, aktueller Stand und Perspektiven

Der Ausbau erneuerbarer Energien ist bereits vor mehr als 50 Jahren unter anderem vor dem Hintergrund endlicher Rohstoffressourcen mit Nachdruck gefordert worden. Insbesondere die Aktivitäten des „Club of Rome“ und die umfangreiche Studie „Global 2000 – Grenzen des Wachstums“ geraten in Erinnerung. Faktisch hat vor allem die Ölkrise Anfang der 1970er-Jahre ein breites öffentliches Bewusstsein für die Problematik geschaffen, die den Blick auf Alternativen lenkte. 

Mobilität

So wurden im Bereich der Mobilität alternative Kraftstoffe ein Thema, wie etwa Biodiesel, Ethanol, Pflanzenöl oder synthetische Kraftstoffe; und auch die Elektromobilität geriet wieder in den Fokus. Jedoch waren diese Ansätze entweder – noch – nicht marktfähig oder technisch nicht ausgereift. Angetrieben insbesondere durch von der Europäischen Union (EU) vorgegebenen Treibhausgasminderungsquoten im Kraftstoffbereich, lag der Anteil von Biodiesel, Bioethanol und auch Biomethan im Jahr 2020 bei 7,5 Prozent.¹  In Zukunft wird beim privaten Autoverkehr – vor allem aus Effizienzgründen – auf Elektrofahrzeuge gesetzt. Im Schwerlast-, Schiffs- und Flugverkehr sollen synthetische und Bio-Kraftstoffe, aber auch grüner² Wasserstoff zum Einsatz kommen.

Stromerzeugung

Im Bereich der Stromerzeugung betrug 2020 der Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Stromverbrauch 45,6 Prozent. Bei einem Gesamtstromverbrauch von 550 Terrawattstunden (TWh)³ betrug die Gesamtmenge erneuerbaren Stroms 251 TWh. Die aktuellen politischen Ziele sehen eine Erhöhung dieses Anteils auf 80 Prozent in 2030 vor.⁴  Ausgehend von einer angenommenen Erhöhung des Stromverbrauchs von bis zu 750 TWh (in 2030) bedeutet dies eine notwendige Steigerung der installierten Leistung erneuerbarer Energieerzeugungseinheiten um 136 Prozent.⁵  Die größte Bedeutung haben derzeit die Stromerzeugungen aus Wind (131 TWh), Sonne (50,6 TWh), Biomasse (50,6 TWh) und Wasserkraft (18,6 TWh):⁶ 

Bereits in den 1970er-Jahren wurden in Dänemark Windenergieanlagen – z. T. sogar im Megawatt (MW)-Bereich (!) – erfolgreich betrieben. In der Bundesrepublik hatte 1976 das zuständige Forschungsministerium beschlossen, eine Großwindanlage („Growian“) im Rahmen eines Forschungsprojekts zu errichten. Growian ging im Oktober 1983 mit einer installierten Leistung von drei MW als weltweit größte Windenergieanlage (im Folgenden: WEA) in Betrieb. Sie war zwar wirtschaftlich, u.a. aber wegen erheblicher Konstruktionsmängel nicht erfolgreich und zog Spott auf sich. Letztlich wurden jedoch wichtige Erkenntnisse für die großtechnische Nutzung von WEA gewonnen. Seither wurde die Windenergie, insbesondere getrieben durch die gesetzlichen Förderregime⁷, stark ausgebaut. Die installierte Leistung beträgt aktuell bei Windkraftanlagen an Land 55,6 Gigawatt (GW) und auf See 7,8 GW⁸. Die installierte Leistung von Windenergieanlagen an Land soll nach aktuellen Vorstellungen der Ampelkoalition⁹ bis 2030 auf 115 GW und bis 2040 auf 160 GW erhöht werden.

Photovoltaik(PV)-Anlagen wurden ab Ende der 1980er-Jahre unter anderem in Deutschland und den USA erforscht mit dem Ziel, die geringe Effizienz deutlich zu steigern. Mit der hohen Förderung nach dem Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) ab 2004¹⁰ begann der massive Zubau, derzeit sind 56,3 GW installiert. Ziel der Bundesregierung ist für 2030 eine Erhöhung der installierten Leistung auf 215 GW (fast eine Vervierfachung der derzeit installierten Leistung) und für 2040 auf 400 GW.

Einen wichtigen Beitrag zur Stromerzeugung leistete auch die Biomasse (Holz und Biogas). Biogas, das zu Beginn aus tierischen Exkrementen, später auch aus Anbaubiomasse (Mais, Ganzpflanzensilage etc.) gewonnen wurde (und wird); dies erfuhr insbesondere mit den Förderregelungen des EEG 2004 und 2009 einen deutlichen Schub. Ab dem 1. August 2004 wurde die Stromerzeugung aus Biogas, das aus der anaeroben Vergärung nachwachsender Rohstoffe gewonnen wird, besonders vergütet.¹¹ Dieses führte zu einer Erhöhung der Anlagenzahl in Niedersachsen von etwa 280 im Jahr 2004 zu derzeit rund 1.800 Anlagen. Die installierte Leistung aller Biomasseanlagen beträgt bundesweit 8,5 GW und soll nach Vorstellung der Bundesregierung bis 2030 bei 8,4 GW gehalten werden.

Die installierte Leistung von Wasserkraftwerken liegt bei 5,1 GW, sonstige erneuerbare Energien nehmen mit einer Leistung von 0,4 GW eine untergeordnete Rolle ein.

Wärme- und Kälteerzeugung

Der Energieverbrauch für die Wärme- und Kälteerzeugung macht etwa 50 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs¹² aus . Davon entfallen etwa 30 Prozent auf Raum- und 20 Prozent auf Prozesswärme. Der Anteil erneuerbarer Energien ist hier insgesamt mit 16,5 Prozent (2021)¹³ deutlich geringer als im Stromsektor. Die größte Bedeutung im Bereich erneuerbarer Energien hat die Biomasse sowie die Geo- und Solarthermie, deren Umfang deutlich erhöht werden soll. Der Förderrahmen ist zudem erheblich erweitert worden, so dass es beim erforderlichen Ersatz bspw. einer Öl- oder Gasheizung interessant ist, eine strombetriebene Wärmepumpe zu installieren.

Sektorenkopplung

Am zuvor aufgeführten Beispiel wird erkennbar, dass weite Bereiche der Energienutzung künftig strombasiert erfolgen sollen. „Um alle fossilen Brennstoffe wie Gas, Kohle und Benzin zu ersetzen, muss Strom aus erneuerbaren Energien auch für Verkehr und Wärme genutzt werden“.¹⁴  Es wird in diesem Zusammenhang von „Sektorenkopplung“ gesprochen. In diesem Kontext ist etwa die Elektromobilität zu sehen oder auch die direkte Verwendung von Strom zur Wärmeerzeugung („Power to heat“). Da der erneuerbare Strom aus Wind und Sonne jedoch nicht permanent und kontinuierlich erzeugt werden kann, bedarf es Speichertechniken, um ihn auch nachts (Solarstrom) oder bei einer Windflaute über eine Zwischenspeicherung bedarfsgerecht verfügbar zu machen. Hierbei spielen vor allem Batteriespeicher (Akkumulatoren) und die Erzeugung grünen Wasserstoffs eine Rolle.

Herausforderungen der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien

Die komplette Stromversorgung über eine sektorenübergreifende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien bedarf folglich hoher, den aktuellen Strombedarf weit überschreitender Stromerzeugungskapazitäten, mit denen dann Energie gewonnen wird, die bei Wind- und / oder Sonnenflaute genutzt werden kann. Dafür müssen parallel zum Stromerzeugungsausbau entsprechend große Speicherkapazitäten geschaffen werden, um den Energiebedarf dann decken zu können, wenn die aktuelle Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien nicht ausreicht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn in den Monaten um die Wintersonnenwende kein Wind weht und kaum Sonnenlicht die Erdoberfläche erreicht (so genannte „Dunkelflaute“). Gleiches gilt auch für windarme Nächte im Sommerhalbjahr.¹⁵  

Da Strom aus Biomasse sowohl eine kontinuierliche als auch eine bedarfsgerechte Stromerzeugung ermöglicht, können Biogasanlagen einen erheblichen Teil zum Ausgleich der Volatilität beitragen. Dies geschieht in der Weise, dass das Biogas nicht permanent, sondern nur zu Zeiten hohen Bedarfs verstromt wird (flexible Stromerzeugung). Hier wird aus dem erzeugten Biogas über BHKWs¹⁶ Strom erzeugt, wenn er benötigt wird. Das EEG sieht bereits seit zehn Jahren einen Anreiz für die flexible Erzeugung von Biogasstrom vor. Die Biogasanlagenbetreiber müssen in zusätzliche BHKW-Kapazitäten investieren, um das beim Vergärungsprozess anfallende Biogas in kürzeren „Bedarfszeiträumen“ verstromen zu können, anstatt den Strom „rund um die Uhr“ – in Grundlast – zu erzeugen. Die Politik sieht allerdings die Zukunft der Konversion gasförmiger Energieträger, wie Wasserstoff (H2) oder Biogas, in H2-Spitzenlastkraftwerken.¹⁷  Das bedeutet, eine Vor-Ort-Verstromung des Biogases entfällt; dafür wird dieses, aufbereitet zu „Biomethan“, in das Gasnetz eingespeist, um anschließend gemeinsam mit Wasserstoff in H2-Spitzenlastkraftwerken verstromt zu werden. 

Speichertechnologien

Aus all dem wird deutlich, dass in der künftigen Energielandschaft den Strom- und Energiespeichern die zentrale Schlüsselrolle zukommt. Neben Akkumulatoren (Batterien) und gasförmigen Speichern (H2¹⁸ und auch „power to gas“¹⁹) werden noch Pump- und Druckluftspeicher betrieben, die insbesondere zur Erhaltung der Netzstabilität und für Systemdienstleistungen verwendet werden.

Wasserstofferzeugung

Es gibt derzeit unterschiedliche Szenarien die Wasserstoffproduktion betreffend. Die hochambitionierten Ziele einer Energieautarkie werden in Fachkreisen auch in Frage gestellt. In einem Land, zwischen dem 47. und 55. Breitengrad gelegen, ist die Globalstrahlung im Winterhalbjahr und damit auch eine mögliche Wasserstoffproduktion aus Sonnenenergie gering. Wasserstoffexperten gehen davon aus, dass ein Großteil des künftig verwendeten grünen Wasserstoffs importiert werden muss. So hat Wirtschaftsminister Habeck kürzlich die Zusammenarbeit bei Forschung und Produktion von Wasserstoff mit den Vereinigten Arabischen Emiraten verkündet.²⁰ Zudem versucht die Industrie derzeit, sich Rechte für die Wasserstofferzeugung im nördlichen Afrika und im Nahen Osten zu sichern. Auch hier wird sich perspektivisch in die Abhängigkeit autokratischer oder politisch instabiler Regime mit den bekannten Problemen begeben. Entscheidend wird sein, das Bezugsrisiko auf möglichst viele Lieferregionen zu verteilen. 

In diesem Zusammenhang sei der Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz Robert Habeck zitiert: 

„Grüner Wasserstoff spielt eine zentrale Rolle für die Transformation unserer Wirtschaft. Wir werden zukünftig einen hohen Bedarf an grünem Wasserstoff haben und neben der Produktion in Deutschland auch Importe benötigen. Daher starten wir bereits jetzt den internationalen Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft und bauen über das Instrument H2Global langfristige Wertschöpfungs- und Lieferketten auf.“²¹ 

Technisch erfolgt die Wasserstoffproduktion über Elektrolyseure, die zum einen Wasserstoff, zum anderen auch Wärme erzeugen. Elektrolyseure sollten aus Effizienzgründen immer an „Wärmesenken“ betrieben werden, um die Wärme auch sinnvoll zu nutzen.²² Dies können insbesondere Gewerbebetriebe sein, die ganzjährig Prozesswärme benötigen. Interessant wären aber auch innovative kristalline Wärmespeicher, die die Wärmeenergie für lange Zeit verfügbar halten.

Herausforderungen und Realisierungshemmnisse

Die von der Politik angestrebte „Transformation“ des Energiesystems ist derart fundamental, dass sie allein schon aufgrund ihrer – kaum fassbaren – gewaltigen Dimension extreme Herausforderungen auslösen wird. Diese sind sicher zu bewältigen, allerdings nur unter Inkaufnahme eines grundlegenden Wandels unserer Lebensverhältnisse und der Bereitschaft, Einbußen unseres Wohlstandes hinzunehmen. Gesellschaftlich ist dafür ein Gemeinsinn zu schaffen, der zu einer breiten Unterstützung der Energiewende und einem allseits unterstützten Solidarpakt führt. Hier können sicher auch Kirchen und Religionsgemeinschaften eine große Rolle spielen, indem sie sich stark engagieren, etwa Menschen zusammenführen, indem sie „kirchliche Energiegemeinden“ gründen und daraus Projekte anstoßen.

Vor allem gilt es, Realisierungshemmnisse zu bewältigen. Hier seien einige genannt:

•    Akzeptanz: Der Ausbau erneuerbarer Energien stößt häufig auf heftigen Widerstand, wenn etwa Windenergieanlagen oder Höchstspannungsleitungen in der Nähe des eigenen Wohnortes geplant werden. Hier gilt es, Möglichkeiten zu finden, die Akzeptanz zu erhöhen. Dies kann insbesondere durch die Einbindung und die Einräumung von Beteiligungsmöglichkeiten erreicht werden. Da sind Bürgerenergieprojekte sicher eine gute Möglichkeit, die auf Initiative aus der Bevölkerung vor Ort initiiert werden und regionale Wertschöpfungsmöglichkeiten schaffen. Wenn jeder Flügelschlag einer Windenergieanlage Geld in die Taschen der Gemeinde und seiner Bürger spielt, ist der Blick der Menschen auf Anlagen eine völlig andere, weil es „ihre“ Anlagen sind.

•    Rohstoffknappheit, Produktionsengpässe, Personalmangel, Inflation: Schon das nationale Bestreben, die Stromerzeugungskapazitäten erneuerbarer Energien drastisch auszubauen, erzeugt einen Nachfrageüberhang, der alles Bisherige in den Schatten stellt. Supranational hat die EU mit dem „green deal“ und dem Maßnahmenpaket „fit for 55“ zur Reduktion der CO2-Emissionen um 55 Prozent bis 2030 ebenfalls einen massiven Ausbau erneuerbarer Energien zum Ziel. Ein weiterer massiver Nachfrageschub wird auch in den USA zu erwarten sein. In diesem Zusammenhang werden zwangsläufig erhebliche Engpässe auf den Rohstoffmärkten, den Produktionsstätten und dem Arbeitsmarkt entstehen, die eine erhebliche und in Ansätzen schon erkennbare Inflation auslösen. Auch wird diese Entwicklung auf den Rohstoffmärkten ausgeprägte Spekulationsprozesse zur Folge haben, worauf die Politik noch Antworten finden muss.

•    Projekthemmende Vorschriften: Viele erneuerbare Energieprojekte scheiterten in der Vergangenheit bereits an rechtlichen Hemmnissen. Ein klassischer Fall ist der – insbesondere europäisch geprägte – besondere Artenschutz²³, dessen Schutzregime unter anderem den Rotmilan erfasst. Da er auf Individuen bezogen ausgestaltet ist, bedeutete bereits ein vorhandener Milanhorst das Aus eines Windenergieprojekts. Der Artenschutz soll daher künftig populationsbezogen ausgestaltet werden mit dem Ziel, die Situation des Artenbestandes insgesamt noch zu verbessern, jedoch im Fall Erneuerbarer Energienanlagen verstärkt Ausnahmen vom Artenschutz zu ermöglichen. Da erneuerbare Energien als im überragenden öffentlichen Interesse liegend und der öffentlichen Sicherheit dienend gesetzlich verankert werden²⁴, wird künftig der Ausnahmegrund „in der Regel“ vorliegen.²⁵ Darüber hinaus sollen zahlreiche Verfahrensvereinfachungen geschaffen werden, die eine Genehmigungsbeschleunigung ermöglichen.

•    Leitungsbau: Soll die Energiewende gelingen, ist auch das Stromnetz auf allen Spannungsebenen auszubauen. Insbesondere Höchstspannungsleitungen, die Windstrom aus dem Norden in den Süden transportieren, sind in möglichst kurzer Zeit zu bauen, um die Industriestandorte im Süden nicht zu gefährden. Zudem muss die Industriepolitik im Norden neu gedacht werden, da hier – energiebezogen – sehr gute Standortbedingungen bestehen.

•    Energiekonzepte, Standortfindung, gute Planung: Da die künftige Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien immer die Speichermöglichkeiten berücksichtigen muss, ist bei der Standortfindung dieses unbedingt „mitzudenken“. Insbesondere sind Energieinfrastrukturen wie Gasnetze und Gaskavernen bei der Suche nach geeigneten Standorten für erneuerbare Energieanlagen zu berücksichtigen. Gleiches gilt für die Wärmenutzung im Fall des Betriebs von Hydrolyseuren. Es sollte daher einer kommunalen Bauleitplanung immer die Erstellung eines möglichst regionalen Energiekonzeptes oder zumindest eines gemeindlichen Kriterienkatalogs für die Standortfindung vorausgehen. Nur so kann eine ausgewogene, den enormen Anforderungen der Energiewende entsprechende Bauleitplanung auf Gemeindeebene sichergestellt werden. So muss bei der Inanspruchnahme von Ackerflächen für Solarparks im Zuge der Erstellung von Energiekonzepten etwa berücksichtigt werden, dass die ackerbauliche Nutzung dort auf Dauer entfällt. Die Flächen kommen weder für die Lebensmittelproduktion noch auch für die Produktion nachwachsender Rohstoffe in Betracht, die in Zukunft eine zunehmende Bedeutung erlangen werden. Wenn überhaupt landwirtschaftliche Flächen in Anspruch genommen werden sollen, dann ist der Fokus hier allenfalls auf ertragsschwache Standorte zu legen.

•    Zusammenführung von Energieerzeugung und Energieverbrauch: Schließlich wird es künftig von besonderer Bedeutung sein, Erzeugung und Verbrauch von Strom zeitlich zusammenzuführen. Stromverbraucher, wie bspw. Waschmaschinen oder Geschirrspüler, sollten in Phasen hoher Stromerzeugung, also bei Sonnenschein oder Wind betrieben werden. Dies kann zum einen über intelligente Netze, so genannte „smart grids“, zum anderen auch über eine lastgangabhängige Strompreisbildung erfolgen. Hierzu gibt es eine Fülle von Vorschlägen und Vorstellungen, die in Praxis Anwendung finden werden. 

Schlussbemerkung

Ein wesentlicher Beitrag zum Gelingen der Energiewende wird durch die Reduzierung des eigenen Energieverbrauchs geleistet. Alles, was nicht an Energie verbraucht wird, muss auch nicht – aufwändig – erzeugt werden. Wir müssen daher in allen Lebensbereichen versuchen, Energie einzusparen. Dies setzt voraus, dass wir unsere Gewohnheiten im privaten und beruflichen Bereich mit Blick auf den Energieaufwand grundlegend überprüfen. Das ist zwar lästig, aber für das Gelingen der Energiewende unabdingbar. 

Anmerkungen

1. www.umweltbundesamt.de/daten/energie/erneuer bare-energie-im-verkehr
2. „Grün”, weil aus erneuerbaren Energien gewonnen.
3. 1 Terrawattstunde = 1.000 Giga- = 1 Mio. Mega- = 1 Mrd. Kilowattstunden.
4. Referentenentwurf vom 4. März 2022 – Entwurf eines Gesetzes zu Sofortmaßnahmen für einen beschleunigten Ausbau der erneuerbaren Energien und weiteren Maßnahmen im Stromsektor, 1.
5. Zum besseren Verständnis: Die verfügbare Strommenge einer Anlage pro Jahr (Einheit: Wattstunden) errechnet sich aus der installierten Leistung der Anlage (Einheit: Watt) multipliziert mit der Anzahl der Stunden, die die Anlage im Durchschnitt pro Jahr läuft (sog. Volllaststunden). Beispiel: Eine Windenergieanlage mit 3 MW Leistung produziert durchschnittlich 1.800 Stunden pro Jahr Strom = 5,3 GWh. 
6. Nach Angaben des Umweltbundesamtes zu den Stromerzeugungsmengen aus Wind, Sonne, Biomasse und Wasserkraft im Jahr 2020
7. Stromeinspeisungsgesetz, in Kraft getreten am 1. Januar 1991; dieses wurde im Jahr 2000 ersetzt durch das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG).
8. Siehe dazu und auch im Folgenden unter www.smard.de
9. Gesetzesentwurf der Bundesregierung vom 6. April 2022: Entwurf eines Gesetzes zu Sofortmaßnahmen für einen beschleunigten Ausbau der erneuerbaren Energien und weiteren Maßnahmen im Stromsektor, 23.
10. Anfangs (für im Jahr 2004 in Betrieb genommene PV-Dachanlagen) bestand ein Förderanspruch in Höhe von 57,4 Cent/kWh.
11. Nach dem EEG 2004 besteht ein Anspruch auf den „NawaRo-Bonus“ in Höhe von 6 Cent/kWh, nach dem EEG 2009 in Höhe von 7 Cent/kWh.
12. www.umweltbundesamt.de/daten/energie/energieverbrauch-fuer-fossile-erneuerbare-waerme#warme verbrauch-und-erzeugung-nach-sektoren 
13. Ebd.
14. www.unendlich-viel-energie.de/themen/strom/
    sektorenkopplung 
15. Grafische Darstellungen zur Stromerzeugung differenziert nach Energieträgern finden sich unter: www.smard.de, die die Problemlage gut verdeutlichen.
16. Blockheizkraftwerke sind Motoren, die bei der Verbrennung des Gases einen Stromgenerator mit einem elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 45 Prozent antreiben und zugleich 40 Prozent Wärmeenergie erzeugen. Diese Kraft-Wärme-Kopplung („KWK“) ist die effizienteste Form der Energieerzeugung aus Gasen, wenn die anfallende Wärme auch sinnvoll genutzt werden kann.
17. Gesetzesentwurf der Bundesregierung vom 06. April 2022: Entwurf eines Gesetzes zu Sofortmaßnahmen für einen beschleunigten Ausbau der erneuerbaren Energien und weiteren Maßnahmen im Stromsektor, 3.
18. Wasserstofferzeugung durch Elektrolyseure.
19. Wasserstoff und synthetisches Methan, das aus H2 und im Rohbiogas befindlichem CO2 erzeugt wird.
20. www.tagesschau.de/wirtschaft/technologie/vae-wasserstoff-kooperation-habeck-101.html 
21. www.bmuv.de 
22. Im Kabinettsentwurf zur EEG-Novelle vom 6.04.2022 wird dies auch ausdrücklich gefordert (siehe dort 14).
23. FFH (Flora Fauna Habität) – Richtlinie, Vogelschutzrichtlinie.
24. Kabinettsentwurf zur EEG-Novelle vom 6. April 2022, 10.
25. Siehe das Eckpunktepapier des BMVU „Beschleunigung naturverträglichen der Windenergie“ vom 4. April 2022, 3, www.bmuv.de.