Solarenergie nutzt die Kraft der Sonnenstrahlung, um Strom oder Wärme zu produzieren. Am häufigsten wird mithilfe von Photovoltaikanlagen Strom erzeugt. Durch die Einstrahlung des Sonnenlichts setzen die Solarzellen Elektronen in Bewegung. Diese fließen durch einen elektrischen Halbleiter. Der entstandene Gleichstrom wird dann durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und nutzbar gemacht. Durch diesen Prozess entsteht elektrischer Strom. Solarthermieanlagen wandeln Sonnenenergie in Wärme um. Das Sonnenlicht wird dafür über die Solarkollektoren in einen Wärmekreislauf aufgenommen und in einen Wärmespeicher geleitet. Diese thermische Energie kann dann als Warmwasser oder zur Unterstützung von Heizungen eingesetzt werden. Trotz ihrer unerschöpflichen Verfügbarkeit erfordert Solarenergie angesichts ihrer natürlichen Schwankungen im Tages- und Jahreszeitengang flexible Energiespeicher und beträchtliche Flächen. | Bild: Adobe Stock / YouraPechki

Wind ist überall verfügbar und eine unerschöpfliche Energiequelle. Windenergie kann sowohl an Land (Onshore) als auch auf See (Offshore) gewonnen werden. Wind trifft auf die Rotorblätter des Windrades und erzeugt Auftrieb. Die Rotorblätter beginnen sich zu drehen und die kinetische Energie der Windböen kann so in Rotationsenergie umgewandelt werden. Das Rotorgetriebe gibt diese Energie an den Generator weiter, der sie schließlich in elektrische Energie umwandelt. Wie zuverlässig eine solche Anlage Strom produziert, hängt vom Standort, der Länge der Rotorblätter und der Gesamthöhe der Anlage ab. Offshore-Windparks sind zwar deutlich kostenintensiver als Onshore-Anlagen, liefern aber zuverlässiger Energie, da die Windgeschwindigkeiten über dem Meer höher und konstanter sind. Standortübergreifend bleibt der Nachteil, dass Wind nicht verlässlich weht und der Bau sowie der Betrieb von Windparks immer einen Eingriff in die Landschaft und die umliegenden Ökosysteme bedeutet. | Bild: Adobe Stock / engel.ac

Unter Bioenergie wird die Gewinnung von Energie aus nachwachsenden Rohstoffen wie Mais und Holz sowie Abfallprodukten von Privathaushalten oder der Land- und Forstwirtschaft zusammengefasst. Die Umwandlungsmöglichkeiten sind vielfältig, was den Einsatz von Bioenergie in nahezu allen energierelevanten Sektoren ermöglicht. Bioenergie kann durch Vergärungsprozesse gasförmig (Biogas oder Biomethan) für die Stromerzeugung eingesetzt oder im flüssigen Zustand (Pflanzenöl) als Biokraftstoff bzw. zum Heizen verwendet werden. Sie ist langfristig speicherbar und steht damit immer zur Verfügung. In Deutschland sind Pellets und Industrierestholz die wichtigsten Bioenergieträger. Die Fülle an Erzeugungs- und Anwendungsformen macht Biomasse zu einem ergiebigen Energieträger. Da beim Anbau von Bioenergiepflanzen der Einsatz fossiler Energie notwendig ist und die Flächen mit dem Anbau von Nahrungsmitteln konkurrieren, sollte sich die weitere Nutzung von Bioenergie auf Reststoffe beschränken. | Bild: Adobe Stock / Visions-AD

Wasserkraft hat eine jahrhundertealte Tradition. Wurde sie früher noch mechanisch genutzt, kommt die Kraft des Wassers heute vorwiegend bei der Stromerzeugung zum Einsatz. Dabei wird Bewegungsenergie (Strömung) bzw. potenzielle Energie (Höhendifferenz an Aufstauungen) des Wassers in elektrische Energie umgewandelt. Das geschieht durch den Antrieb von Turbinen im Inneren eines Laufwasser- oder Speicherkraftwerks. Laufwasserkraftwerke nutzen die natürliche Strömung von Flüssen und Bächen, Speicherkraftwerke das Wasser aus Stauseen. Zudem existieren sogenannte Pumpspeicherwerke. Sie werden als Speicher elektrischer Energie genutzt, indem sie Wasser aus dem Tal in höher gelegene Speicherbecken pumpen. Das Potenzial der Wasserkraft in Deutschland gilt als ausgeschöpft, nicht zuletzt wegen zunehmender Widerstände gegen großflächige Landschaftseingriffe. Eine Erhöhung der Stromerzeugung kann durch Modernisierung und Erweiterung bestehender Anlagen dennoch erreicht werden. | Bild: Adobe Stock / evgenii_v

Geothermie oder auch Erdwärme kann direkt gespeichert sowie – bei ausreichend hoher Temperatur – zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Entscheidend für das verwendete technische Verfahren sind vor allem die thermischen Bedingungen im Untergrund. Oberflächennahe Geothermie bis zu einer Tiefe von 400 Metern wird durch Wärmepumpen gewonnen, in ein Heizsystem oder einen Warmwasserspeicher an der Oberfläche übertragen und stellt so thermische Energie bereit. Die Nutzung tiefer Geothermie ist aufwendiger. Über Bohrlöcher werden Wärmereservoirs in bis zu 5.000 Meter Tiefe erschlossen, die als Heizwärme bzw. bei ausreichend hohen Temperaturen über Dampfturbinen direkt zur Verstromung eingesetzt werden. Insbesondere die tiefe Geothermie macht angesichts der hohen Kosten und Unwägbarkeiten hinsichtlich möglicher Erdbeben sowie Umwelt- bzw. Gesundheitsschäden durch Austritt geothermischer Gase derzeit nur einen sehr geringen Anteil an der Wärme- und Stromproduktion in Deutschland (0,03 %) aus. | Bild: Adobe Stock / Andy Ilmberger

Unter Ozean- oder Meeresenergie werden verschiedene Technologien zusammengefasst, mit denen sich die Wellen- und Strömungsenergie der Weltmeere nutzen lassen. Theoretisch würde die verfügbare Energie der Wellen ausreichen, um alle Menschen der Erde mit Energie zu versorgen. Praktisch ist das Potenzial dieser Ressource noch nicht annährend ausgeschöpft. Die wenigen existierenden Wellenkraftwerke sind fest an Küstenstreifen oder auf der Wasseroberfläche platziert. Bei der Technologie der schwingenden Wassersäule wird innerhalb eines auf der Wasseroberfläche liegenden Wasserpendels durch das Auf und Ab der Wellen Flüssigkeit durch Rohre geleitet, um so Turbinen bzw. Generatoren anzutreiben. Bei stationären Kraftwerken ist es hineinströmendes Wasser bzw. dadurch hinausgedrückte Luft, die zum Antrieb der Turbinen führen. Die immerwährende Herausforderung bleibt die fehlende Widerstandsfähigkeit der Anlagen gegenüber Stürmen und die Bereitstellung von ausreichend Energie bei geringem Wellengang. | Bild: Adobe Stock / Regina

Damit Wasserstoff klimafreundlich (grün) produziert werden kann, muss dieser mit Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. Es ist jedoch nicht möglich, die hierfür erforderlichen Mengen in Deutschland zu gewinnen. Daher wird Deutschland große Mengen Wasserstoff aus Regionen oder Ländern importieren müssen, in denen Wind- oder Sonnenenergie ausreichend zur Verfügung steht, um den hiesigen Bedarf zu decken. Mit Wasserstoff kann man erneuerbare Energie weltweit transportieren und handeln und damit saisonale oder dauerhafte lokale Unterversorgung an Energie ebenso ausgleichen, wie das heute mit fossilen Energieträgern geschieht. Da die Herstellung von Wasserstoff an sehr vielen Orten der Erde effektiv möglich ist, kann ein Weltmarkt für erneuerbare Energie entstehen, der nicht die strategischen Abhängigkeiten wie die heutigen fossilen Energiemärkte aufweist. Die beim Transport entstehenden Verluste an Energie werden durch die oftmals bessere Effizienz der Herstellung in sonnen- und windreichen Gegenden zumindest ausgeglichen. Da viele dieser Orte im globalen Süden liegen, wird dadurch zusätzliche Wirtschaftstätigkeit in Ländern ermöglicht, die heute ökonomisch benachteiligt sind.

Batterien haben das Potenzial, zu zuverlässigen und großskaligen Energiespeichern ausgebaut zu werden. Entscheidend sind hierfür ihre Zyklenzahl (die erreichbare Anzahl möglicher Lade-/Entladevorgänge), ihre „kalendarische“ Lebensdauer sowie ihre spezifische Energie (die Speicherfähigkeit bezogen auf Volumen oder Gewicht) und natürlich ihre Kosten. Lithium-Ionen-Batterien sind aktuell die führenden Hochleistungsspeicher und bieten gleichermaßen eine hohe Energiedichte, eine lange Lebensdauer und schnelle Lade-/Entladezeiten – diese kommen vor allem in schnellen Pufferspeichern für die kurzfristige Netzstabilisierung zum Einsatz. Durch die steigende Nachfrage wächst allerdings der Bedarf an Rohstoffen wie Lithium und Kobalt, deren Abbau zum Teil schwere ökologische und soziale Folgen hat. Die Materialforschung konzentriert sich daher in jüngerer Zeit zunehmend auf die Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien, die aus breiter verfügbaren und kostengünstigeren Materialien gebaut werden können. Zwar haben Natrium-Ionen-Batterien eine deutlich niedrigere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien, dies spielt aber für die stationäre Speicherung keine ausschlaggebende Rolle. Hier spielen die Lebensdauer und die Kosten eine wichtigere Rolle. In der Forschung stehen daher die Langzeitstabilität bei guter Leistung und sicher verfügbaren Rohstoffen im Mittelpunkt. Die Weiterentwicklung von Hochleistungsbatterien einerseits und gut skalierbaren rohstoff-unkritischen Batterien andererseits könnte entscheidend zur Energiewende beitragen. | Bild: AdobeStock / Val Thoermer