Energy supply of the future
Expansion of wind power and photovoltaics
If energy is to be generated without significant CO₂ emissions, then the use of fossil fuels must end. Photovoltaics and wind energy are versatile alternatives that can be used and expanded on a large scale. The possibilities of geothermal energy are not yet sufficiently considered. The potential of bioenergy and hydropower is very limited.
What renewable energies are available?
Renewable energies utilise natural resources that are permanently available. These include solar energy, wind energy, bioenergy, hydropower, geothermal energy and ocean energy. They make a significant contribution to the energy supply without causing climate-damaging emissions and are a central component of the energy transition.
Solarenergie
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.
Windenergie
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.
Bioenergie
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.
Wasserkraft
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.
Geothermie
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.
Meeresenergie
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.
Some European countries are focussing on nuclear energy as a low-carbon energy technology. In Germany, a decision has been made against the use of nuclear energy. Photovoltaics and wind energy have replaced the share of nuclear energy in the energy mix in recent years. Their further expansion must compensate for the share of coal in the energy supply. Some European countries are focussing on nuclear energy as a low-carbon energy technology.
Publications on the topic
- Investitionsanreize setzen, Reservekapazitäten sichern: Optionen zur Marktintegration erneuerbarer Energien (2023)
- Wie kann der Ausbau von Photovoltaik und Windenergie beschleunigt werden? (2022)
- Dekarbonisierung: Internationales Handeln ist dringend notwendig (2022)
- Strommarktdesign 2030 – Die Förderung der erneuerbaren Energien wirksam und effizient gestalten (2022)
- Biomasse im Spannungsfeld zwischen Energie- und Klimapolitik. Potenziale – Technologien – Zielkonflikte (2019)
Hydrogen as a climate-friendly energy source
The number of applications for electricity (from renewable energies) will increase in the future and the demand for electricity will rise. However, there are also areas in which fossil fuels cannot be easily replaced by electricity. These include heavy goods transport (e.g. shipping and air transport), steel production and cement production. In these areas, hydrogen is intended to replace gas, coal and oil as a material energy source.
Questions and answers
Question
Where does the hydrogen come from?
Answer
In order for hydrogen to be produced in a climate-friendly (green) way, it must be produced using electricity from renewable energies. However, it is not possible to produce the quantities required for this in Germany. Germany will therefore have to import large quantities of hydrogen from regions or countries where sufficient wind or solar energy is available to meet local demand. Hydrogen can be used to transport and trade renewable energy worldwide and thus compensate for seasonal or permanent local energy shortages in the same way that fossil fuels are used today. As hydrogen can be produced effectively in many places around the world, a global market for renewable energy can be created that does not have the strategic dependencies of today's fossil energy markets. The energy losses incurred during transport are at least offset by the often better efficiency of production in sunny and windy regions. As many of these locations are in the global South, this will enable additional economic activity in countries that are currently economically disadvantaged.
Hydrogen is produced by splitting water into its components oxygen and hydrogen. However, the process used for this, electrolysis, consumes a lot of electricity. Around 70 per cent can be stored as chemical energy in hydrogen. The rest are losses, some of which can still be reduced through improved processes.
Hydrogen production process
Design: Emde Grafik
Video The fascination of hydrogen
Leopoldina Lecture by Prof. Dr Ferdi Schüth ML | 19 February 2025, Leopoldina Ballroom, Halle (Saale)
Hydrogen can be used as a versatile energy source and is also irreplaceable for the production of basic chemicals such as methanol and ammonia. Both substances play an important role in climate-friendly energy systems and production processes. Other possible hydrogen applications include reconversion into electricity in fuel cells or direct utilisation in thermal production processes. Hydrogen can be combined with CO₂ and the resulting hydrocarbons can be used as synthetic fuels in aviation or in other energy-intensive mobility applications (e-fuels, SAF). Hydrogen obtained from natural gas is already in use today: in metal production, for refining crude oil into petrol and diesel fuels and for the production of numerous chemicals. If this hydrogen is produced from renewable sources in the future, this would make a significant contribution to reducing global CO₂ emissions.
In addition, there are a number of other processes in the "colour theory of the energy transition" (e.g. red, blue or orange hydrogen) to produce hydrogen with a reduced CO₂ footprint. However, most of these are not sustainable and are therefore only seen as transitional solutions until sufficient capacity for the production of green hydrogen has been built up worldwide.
Energy security through nuclear fusion?
Nuclear fusion involves the fusion of atomic nuclei. Similar to the sun, this reaction can release a lot of energy. Utilising nuclear fusion to generate energy would have many advantages: The energy isCO2-neutral and constantly available, meaning it is base-load capable. The construction of a fusion power plant would require only limited intervention in the landscape. In addition, there are no risks of accidents due to radioactive chain reactions as with nuclear fission. Furthermore, nuclear fusion does not produce any long-lived, highly radioactive waste. Nevertheless, nuclear fusion can only make a contribution to the energy system in the long term (probably from the second half of the century). This is because functioning power plants do not yet exist.
Questions and answers
Question
How does nuclear fusion work?
Answer
During nuclear fusion, reactions similar to those on the sun take place. Light atomic nuclei, for example atomic nuclei of the hydrogen isotopes deuterium and tritium, fuse together to form new (heavier) elements, for example helium atomic nuclei. Energy is released during this reaction. However, very high temperatures and high pressure are required for nuclear fusion to occur. In addition, the atomic nuclei must move towards each other at high speed. There are two basic technological approaches for this: magnetic fusion and inertial confinement fusion (also known as laser fusion). In magnetic fusion, a plasma is generated from a hydrogen isotope gas mixture at temperatures of 100 to 150 million °C, in which atomic nuclei and electrons are separated. Superconducting magnets hold the plasma in the reaction chamber so that the fusion of the hydrogen atomic nuclei can take place. Inertial confinement fusion uses intense radiation from a high-energy laser system to compress a deuterium-tritium mixture in a millimetre-sized round capsule in fractions of a second.
It is not yet technically possible to utilise nuclear fusion efficiently. The energy required to bring about a nuclear fusion reaction still far exceeds the energy generated by nuclear fusion. There are no finalised power plant concepts for either magnetic or inertial confinement fusion. Further basic and applied research is needed before the first fusion power plant can be put into operation by the middle of this century at the earliest. Nuclear fusion can therefore not contribute to achieving the German and European climate targets by 2045 and 2050. In the long term, however, it can become part of the energy system.
Fracking in Germany?
For many years, natural gas was extracted in Germany from easily accessible sources. In addition to these "conventional deposits", natural gas can also be found in shale rock. In order to extract this shale gas, a special liquid must be pressed into the ground under high pressure. The resulting cracks allow the gas to escape and be extracted. The carbon footprint of natural gas extracted in Germany would be better than that of imported fracking gas from the USA, as the energy-intensive liquefaction and transport would be eliminated.
However, the environmental risks caused by fracking, e.g. earthquakes or groundwater contamination, are the subject of intense debate in a densely populated country like Germany. Furthermore, the process contradicts the goal of climate neutrality, which is why fracking gas would be no more than a temporary solution for energy supply in Germany.
Energy storage technologies
Yields from renewable energies, especially solar and wind energy, fluctuate considerably not only between the seasons, but also within a day. This often does not correspond to demand. In order to compensate for weather and seasonal fluctuations, new ways of storing ever larger amounts of energy in the medium and long term are required.
Energy storage systems can increasingly decouple electricity supply and demand from one another. Currently, electricity is almost exclusively stored globally via pumped storage power plants. In 2020, 91 per cent of stored energy worldwide came from this form of storage. However, their construction and operation are considered to be particularly resource-intensive and costly. Alternative technological approaches, such as compressed air storage, electrical storage or chemical storage such as hydrogen, also promise growing electricity storage capacities, but are not yet fully ready for the market.
Questions and answers
Question
What role do high-performance batteries play in energy storage?
Answer
Batteries have the potential to be developed into reliable and large-scale energy storage systems. The decisive factors here are their number of cycles (the achievable number of possible charging/discharging processes), their "calendar" service life and their specific energy (the storage capacity in relation to volume or weight) and, of course, their costs. Lithium-ion batteries are currently the leading high-performance storage systems and offer high energy density, a long service life and fast charging/discharging times - they are primarily used in fast buffer storage systems for short-term grid stabilisation. However, rising demand is increasing the need for raw materials such as lithium and cobalt, the extraction of which can have serious ecological and social consequences. Materials research has therefore recently focussed increasingly on the development of sodium-ion batteries, which can be built from more widely available and more cost-effective materials. Although sodium-ion batteries have a significantly lower energy density than lithium-ion batteries, this does not play a decisive role for stationary storage. Here, the service life and costs play a more important role. Research is therefore focussing on long-term stability with good performance and reliably available raw materials. The further development of high-performance batteries on the one hand and easily scalable batteries that are not critical in terms of raw materials on the other could make a decisive contribution to the energy transition.
With a view to the energy transition and the reliable use of renewable forms of energy, only technologies that can store or provide energy in relevant quantities can be considered. The diverse requirements for energy storage systems include storage capacity, response time, efficiency and storage duration
Video Materials research for high-performance batteries
