Das Orangebuch der Energiepiraten – meine Sicht – Teil 5
4 Die Erzeugung der Energie von morgen
Nachdem abgeschätzt wurde, wie groß der Energiebedarf in Deutschland bei einer nachhaltigen Energieversorgung sein wird, stellt sich die Frage, ob mit erneuerbaren Energien auch genügend Strom und Wärme erzeugt werden kann. Dazu muss geklärt werden, ob ausreichend Rohstoffe und ausreichend Flächen für den Aufbau dieser Erzeugungskapazität vorhanden sind.
Im Jahr 2015 wurden mit erneuerbaren Energien 196 TWh Strom erzeugt. Dies war ein Anteil von 32,6% an der Bruttostromerzeugung. [4a] Für die Wärmeversorgung stellten die erneuerbaren Energien 155 TWh bzw. 13,2% zur Verfügung. [4b] Für eine nachhaltige Energieversorgung muss jedoch ungefähr die sechsfache Menge an Strom und die dreieinhalbfache Wärmemenge erzeugt werden (siehe Kapitel 3.2). Welchen Beitrag sollen und können die einzelnen Technologien der erneuerbaren Energien leisten? Dies soll in den nächsten Kapiteln betrachtet werden.
4.1 Zukünftige Stromerzeugung in Deutschland
Photovoltaik bietet das größte Potential, da sämtliche versiegelte Flächen – immerhin 15 % der gesamten Fläche der Bundesrepublik – konfliktarm entweder direkt genutzt oder überdacht und dann genutzt werden können. Dazu zählen sämtliche Eisenbahnflächen, die rund 2% der Bundesfläche einnehmen, sämtliche Autobahne und Bundesstraßen und natürlich alle Gewerbegebiete, Industrieflächen Wohnflächen usw. Denkbar wäre es einen Anreiz zu setzen, indem die kommunale Grundsteuer um einen Nachhaltigkeitsfaktor ergänzt wird, der auf der Nichtnutzung für Energiegewinnung basiert. Auf Deutsch: Wer die Installation von PV, Solarthermie oder kleiner Windkraft (unter 10/12 Meter) unterlässt, muss für den nicht erzeugten EE-Strom eine CO2-Abgabe bezahlen. Das entspricht der Fehlbelegungsabgabe für Sozialwohnungen.
4.1.1 Stromerzeugung durch Wasserkraft
Bei Wasserkraftwerken wird die kinetische Energie von Wasser zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt.
In Deutschland gibt es Laufwasserkraftwerke, Speicherkraftwerke, und Pumpspeicherkraftwerke.
Laufwasserkraftwerke sind Kraftwerke bei denen in der Regel Zufluss und Abfluss gleich sind und nur eine geringe Regulierung der erzeugten Energie erfolgt. Sie sind deshalb typische Grundlastkraftwerke. Da sie permanent laufen können sie bei Blackouts zum Wiederaufbau des Netzes verwendet werden.
Speicherkraftwerke sind Kraftwerke die nur bei Bedarf elektrischen Strom erzeugen. Sie können bei Stromdefiziten im Netz sehr schnell zusätzlichen Strom bereitstellen und tragen damit zur Netzstabilisierung bei. Außerdem sind sie schwarzstartfähig und können deshalb bei Blackouts zum Wiederaufbau des Netzes verwendet werden.
Pumpspeicherkraftwerke werden in einem anderen Kapitel behandelt.
In Deutschland waren 2015 Wasserkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 5.614 MW in Betrieb. Diese erzeugten 19.3 GWh Strom. Dies entsprach 3,3% der Stromerzeugung in Deutschland.
[http://www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/Binaer/energie-daten-gesamt,property=blob,bereich=bmwi2012,sprache=de,rwb=true.xls]
https://www.erneuerbare-energien.de/EE/Redaktion/DE/Downloads/entwicklung_der_erneuerbaren_energien_in_deutschland_im_jahr_2015.pdf?__blob=publicationFile&v=12
Ökologische Betrachtung
Bei der ökologischen Betrachtung muss man vier Faktoren berücksichtigen:
1. Flächenverbrauch
2. Rohstoffverbrauch
3. Gesundheitliche Auswirkungen
4. Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt
Flächenverbrauch
Die geomorphologischen Auswirkungen der einzelnen Wasserkraftwerke sind naturgemäß relativ hoch. Ein allgemein gültiger Wert bezüglich der Relation Fläche/TWh kann deshalb nicht angegeben werden.
Rohstoffverbrauch
Für die Staumauern und teilweise auch für Dämme wird Beton verwendet.
Für die Dämme wird meistens Aufschüttmaterial z.B. Kies, Erde verwendet. Daneben wird für Wehre, Turbinen, usw. auch Stahl benötigt.
Gesundheitliche Auswirkungen
Es liegen keine Daten über gesundheitliche Auswirkungen von Wasserkraftwerken auf Menschen vor.
Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt
Die Errichtung eines Wasserkraftwerkes stellt einen erheblichen Eingriff in die Natur dar. Dies betrifft sowohl Flora und Fauna. Abhängig vom jeweiligen Standort kann es durch den Bau sogar zu einer vollkommenen Umgestaltung des Biotops kommen.
Zukünftige Weiterentwicklung der Wasserkraft
Der Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke geht davon aus, dass bis 2030 die Stromproduktion auf 31 TWh gesteigert werden kann.
http://www.wasserkraft-deutschland.de/wasserkraft/potentiale.html
Je ein Drittel der Produktionssteigerung entfällt auf Modernisierung, Reaktivierung von stillgelegten Anlagen und Neubauten.
Dies würde jeweils knapp 4 TWh für die jeweiligen Maßnahmen entsprechen. Dagegen geht die Bundesregierung von einem deutlich geringeren Zubau aus. In der Studie „Potentialermittlung für den Ausbau der Wasserkraftnutzung in Deutschland“
wird das realisierbare Zubaupotential wie folgt untergliedert.
Zubaupotential an großen Gewässern:
Zubaupotential an bestehenden Standorten 2,7 TWh.
Zubau durch Neubauten 1,3 TWh. Jedoch wird die Verwirklichung als schwierig angesehen.
Für mittelgroße und kleine Gewässer wird ein technisch-ökonomisch-ökologisches Zubaupotential
von etwa 0,4 TWh abgeschätzt.
Dies bedeutet insgesamt einen möglichen Zubau von 3,1 TWh.
Diese Zahl erscheint deutlich realistischer als die vom Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke abgeschätzte Zahl.
Damit ergibt sich für die Zukunft eine Stromerzeugung von 22,7 TWh durch Wasserkraftwerke.
Atlas zum Beispiel für Laufwasserkraftwerke oder Geothermie mit Erzeugungsdaten:
http://www.energie-experten.org/energieatlas.html?id=186&tx_eeenergieatlas_pi1[postleitzahl]=&tx_eeenergieatlas_pi1[energiequelle]=6&tx_eeenergieatlas_pi1[suchen]=ok
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4.1.2 Stromerzeugung mit Klär- Deponie- und Grubengas
Im Faulturm einer Kläranlage entsteht bei der biologischen Umsetzung Klärgas. Dieses kann in einen Gasspeicher gepumpt werden, aus dem die Heizkessel des Klärwerks und ein Gasmotor für die Stromerzeugung versorgt werden. Die bei der Verstromung entstehende Wärme kann ebenfalls als Prozesswärme im Klärwerk eingesetzt werden. Das Klärgas setzt sich im Wesentlichen aus den Komponenten Methan – ca. 60% je nach organischen Einsatzstoffen etwas schwankend – und ca. 37% Kohlendioxid sowie weiteren Spurenstoffen zusammen. [4.1.2a]
Auch in Mülldeponien entsteht hauptsächlich durch den bakteriologischen und chemischen Abbau von organischen Inhaltsstoffen des Mülls das Deponiegas. [4.1.2b] Hauptbestandteile sind Methan zu 35% bis 60% und Kohlendioxid zu 20% bis 45% wobei der Methan-Gehalt im Verlauf der Jahre abnimmt. [4.1.2c]
Beim Steinkohleabbau wird das sogenannte „Grubengas“ freigesetzt. Untertage ist das methanhaltige Gas ein Sicherheitsproblem, da es in bestimmten Konzentrationen explosiv ist und damit das Leben der Bergleute gefährdet. Es muss daher sicher abgeführt werden und kann zur Strom und Wärmeerzeugung genutzt werden. Für die energetische Nutzung des Grubengases ist auf Grund der schwankenden Methangasgehalte von 30 bis 80 Volumenprozenten allerdings eine spezielle Anlagen- und Gasmotorentechnik erforderlich. [4.1.2d]
Im Jahr 2014 wurden 1,3 TWh Strom mit Klärgas und 0,5 TWh mit Deponiegas [4.1.2e] und nach Angaben des Interessenverbands „Grubengas e. V.“ 0,8 TWh Strom in den nordrheinwestfälischen Kohlekraftwerken. [4.1.2f]
Es ist davon auszugehen, dass zukünftig durch nachhaltige Produktionskonzepte (siehe das „cradle to cradle“-Konzept) die Deponierung von Reststoffen und durch das Schließen der letzten deutschen Kohlezechen in wenigen Jahren die aus Deponie- und Grubengas erzeugte Strommenge deutlich abnehmen wird. Auch der Anteil des Klärgases an der Stromerzeugung ist bereits heute gering. Daher wird der Anteil der Stromerzeugung aus diesen Gasen bei den weiteren Berechnungen vernachlässigt.
4.1.3 Stromerzeugung mit Biomasse
Biogas entsteht durch mikrobiellen Abbau organischer Stoffe.
Neben organischen Abfallstoffen wie Klärschlamm, Bioabfall, Gülle, Mist und Pflanzenresten werden inzwischen hauptsächlich sogenannte Energiepflanzen zur Biogaserzzeugung verwendet. Diese werden speziell für die Erzeugung von Biogas angebaut und stehen damit in direkter Konkurrenz zur Produktion von Nahrungsmitteln. In Deutschland wird hauptsächlich Mais zur Erzeugung von Biogas verwendet. Im Jahr 2013 wurde mit rund 0,9 Millionen Hektar ca.1/3 der Maisanbaufläche für die Biogasproduktion genutzt. [3.1a] Im Jahr 2013 waren 7720 Anlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von 3.550 MW in Betrieb. Diese erzeugten 27 TWh Strom, was 4,3% des deutschen Stromverbrauchs entsprach. [3.1a]
Biogas besteht hauptsächlich aus Methan und CO2. Der Methangehalt und der Ertrag je Tonne Rohmasse ist abhängig vom verwendeten Ausgangsmaterial. Da der Methanertrag pro ha beim Anbau von Mais am höchsten ist wird hauptsächlich Mais als Ausgangsmaterial verwendet. [3.1b] Bei dem entstehenden Biogas liegt der Methangehalt zwischen 50% und 75%. [3.1b] Da die Reinigung von Biogas technisch sehr aufwendig ist wird es in der Regel direkt verwertet und nicht in das bestehende Erdgasnetz eingespeist.
Da Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt wird ist seine CO2 Bilanz neutral. Jedoch entweicht bei der Produktion Methan. Dieses hat eine um den Faktor 25 höhere Klimaschädlichkeit als CO2. Deshalb kann die Verwendung von Biogas nicht als klimaneutral angesehen werden. Beim Anbau von Mais als Biosubstrat werden verstärkt Dünger und Pflanzenschutzmittel eingesetzt. Außerdem sind in den letzten Jahren die Pachtpreise für Ackerland angestiegen.
Biogasanlagen sind laut Baugesetzbuch (BauGB) §35 im Außenbereich privilegierte Bauvorhaben, falls sie eine bestimmte Größe nicht überschreiten. [3.1c] Dies erleichtert den Bau von Biogasanlagen.
Die Stromerzeugung aus Biogasanlagen erfolgt heute in der Regel im Dauerbetrieb.
Deshalb wären Biogasanlagen grundlastfähig.
Aufgrund der Bauweise, bei der die Stromerzeugung mit Gasturbinen erfolgt, wäre jedoch auch eine Nutzung zur Bereitstellung von Regelenergie möglich. Jedoch müssten die gesetzlichen Grundlagen für die Bereitstellung von Regelleistungen geändert werden, damit dieser Modus für die Betreiber rentabel wäre.
Bei einer Gesamtbewertung der Stromerzeugung aus Bioenergie kommt man zu keinem eindeutigen Ergebnis. Einerseits kann man die Verwertung von organischen Abfällen positiv bewerten, andererseits ist der Anbau von Energiemais jedoch schädlich für eine ökologische Landwirtschaft und den Erhalt der Artenvielfalt. Auch könnte die Bereitstellung von Regelenergie als Ausgleich für die fluktuierende Stromerzeugung durch PV und Windkraftanlagen genutzt werden. Mitzudenken sind in jedem Fall die spezifischen Erzeugungskosten von 20 ct. / kWh bis 22 ct. / kWh. Wirtschaftlich also jedoch nur über massive Subventionen oder Belastung der konkurrierenden Technologien über CO2-Abgaben.
Ökologische Betrachtung
Bei der ökologischen Betrachtung muss man fünf Faktoren berücksichtigen:
1. Flächenverbrauch
2. Rohstoffverbrauch
3. Recycling von alten Anlagen
4. Gesundheitliche Auswirkungen
5. Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt
Flächenbedarf
Der Flächenbedarf für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Biogas ist sehr hoch. Im Jahr 2013 wurden 1,268 Mio. Hektar Anbaufläche in der Bundesrepublik Deutschland für die Produktion der Rohstoffe zur Biogasproduktion genutzt. [3.1e] Dies entspricht rund 10% der Ackerfläche in Deutschland. Da damit 2013 nur ca. 4,3% des deutschen Strombedarfs gedeckt worden sind ist offensichtlich, dass Biogas niemals einen entscheidenden Anteil an der Stromproduktion haben kann.
Zudem ist zu berücksichtigen, dass die Produktion von Pflanzen für die Stromerzeugung zu einer Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion führt. Es werden deshalb auch vermehrt Futtermittel für die Fleischproduktion importiert, da die entsprechenden Flächen für eine heimische Produktion nicht mehr zur Verfügung stehen. [3.1f]
Rohstoffverbrauch
Neben den Flächen werden bei der Produktion von Energiepflanzen große Mengen an Düngemittel und Pflanzenschutzmitteln verwendet. Für deren Herstellung werden große Mengen an Phosphat, Erdöl und weitere Rohstoffe benötigt.
Recycling von alten Anlagen
Für das Recycling von alten Anlagen existieren etablierte Verfahren.
Gesundheitliche Auswirkungen
Es gibt bisher keine belastbaren Aussagen über direkte gesundheitliche Schäden. Indirekt ist jedoch eine Nitratbelastung des Trinkwassers bzw. durch Pestizide möglich.
Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt
Durch den vermehrten Einsatz von Düngemittel und Pflanzenschutzmitteln kommt es zu einer Beeinträchtigung der Tier- und Pflanzenvielfalt. Ebenso führt der großflächige Anbau von Maismonokulturen zu einer weiteren Beeinträchtigung der Biodiversität. [3.1g]
Zukünftige Weiterentwicklung der Stromerzeugung durch Biogas
Mit der EEG Novelle 2014 wurde eine Limitierung des Zubaus festgelegt. [3.1d] Der Zubau soll nicht mehr als 100 Megawatt installierter Leistung pro Jahr betragen.
Bei einer Änderung der Vergütungsstruktur wäre statt des heute üblichen Dauerbetriebs auch ein bedarfsorientierter Betrieb möglich. Dabei sollte die Vergütung nicht unabhängig vom aktuellen Stromangebot sein, sondern bei einem geringen Stromangebot aus anderen erneuerbaren Energien ein höherer Preis bezahlt werden. Damit könnten verminderte Einspeisungen von Windkraftanlagen und PV Modulen zumindest teilweise ausgeglichen werden.
Diesen möglichen positiven Effekt stehen jedoch erhebliche ökologische Nachteile entgegen.
Wegen der negativen Auswirkungen auf Natur und Umwelt sollte der weitere Anbau von sogenannten Energiepflanzen mittelfristig reduziert und langfristig gestoppt werden. Diese Flächen könnten dann für eine nachhaltige Nutzung an die bäuerliche Landwirtschaft zurückgegeben werden. Die Option der Energiewälder (Hackschnitzel Pellets) darf dabei bitte nicht pauschal mit verworfen werden. Diese sind sehr sinnvoll und bauen Böden neu auf.
Für die Biogaserzeugung mittels organischer Abfallstoffe sollten strengere Umweltauflagen eingeführt werden. Dies würde zu einer deutlichen Reduktion der Stromerzeugung durch Biogas führen. Es wird von einer Reduktion auf 25% der heutigen Kapazität, also 5,5 TWh ausgegangen.
http://www.erneuerbare-energien.de/EE/Redaktion/DE/Downloads/erneuerbare-energien-in-zahlen-2015.pdf?__blob=publicationFile&v=3
Da der Anteil der Stromerzeugung durch Biogas jedoch sehr gering ist könnte diese Verminderung leicht durch andere erneuerbare Energien ersetzt werden.
Alternativ bietet die Biomasse als direkte Quelle für CO2 zu synthetischem Methan und durch Reformeirung und Entschwefelung des ohnehin anteilig entstehenden Methans die Option, dieses biogene Gas statt lokaler Verbrennung vor Ort wo die Wärme meist kaum genutzt werden kann, einfach in das Gasnetz einzuspeisen. Das Gasnetz flächendeckend zur Versorgung auszubauen ist ohnehin eine wichtige Option, da Erdgas noch sehr lange vorhanden sein wird, klimafreundlicher ist als Öl, Benzin und Diesel und via Gas-Elektro-Hybridfahrzeugen eine deutliche stärkere Rolle im Verkehr spielen wird.
Quellen und weiter Informationen:
[3.1a] https://web.archive.org/web/20141214165348/http://media.repro-mayr.de/44/623744.pdf
[3.1b] https://mediathek.fnr.de/media/downloadable/files/samples/b/r/brosch-biogas-2013-web-pdf_1.pdf
[3.1c] http://www.gesetze-im-internet.de/bbaug/
[3.1d] http://www.gesetze-im-internet.de/eeg_2014/
[3.1e] http://www.statistischesbundesamt.de/
[3.1f] https://www.bund-naturschutz.de/fileadmin/_migrated/content_uploads/Biomassenutzung__Positionspapier_Biogas.pdf
[3.1g] http://www.bund-naturschutz.de/
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft
Fachverband Biogas e.V
http://www.biogas.org/edcom/webfvb.nsf/ID/DE_Homepage
https://de.wikipedia.org/wiki/Biogas
http://www.onmitan.de/
http://www.erneuerbare-energien.de/EE/Navigation/DE/Service/Erneuerbare_Energien_in_Zahlen/Entwicklung_der_erneuerbaren_Energien_in_Deutschland/entwicklung_der_erneuerbaren_energien_in_deutschland_im_jahr_2015.html
Biomasse
Unter Biomasse werden hier feste Brennstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen verstanden. Der überwiegende Teil davon wird in Deutschland für reine Heizzwecke verwendet. (Siehe hierzu das entsprechende Kapitel unter Wärmeerzeugung). Im Jahr 2012 waren in Deutschland 540 Biomasseheizkraftwerke mit einer installierten elektrischen Leistung von 1.560 MW und einer Stromerzeugung von 8,4 TWh in Betrieb. [3.2a]
Die meisten Biomasseheizkraftwerke sind als Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen in Betrieb. In diesem Modus erreichen sie einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 80% Prozent. Ansonsten erreichen sie einen Wirkungsgrad von 25%-30% Prozent für die Erzeugung von elektrischer Energie.
Umwelttechnisch problematisch sind Biomasseheizkraftwerke wenn sie nicht nur unbehandelte Biomasse verbrennen, sondern behandeltes Holz oder teilweise auch Kunststoffabfälle verfeuern. (So wie z.B. die Biowärme Kaufering mit einer Öleinspritzung zur Spitzenlasterzeugung) Es handelt sich dann um Müllverbrennungsanlagen. Sie arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Biomasseheizkraftwerke, müssen dabei aber sehr strenge Umweltauflagen einhalten.
Ökologische Betrachtung
Bei der ökologischen Betrachtung muss man fünf Faktoren berücksichtigen:
1. Flächenverbrauch
2. Rohstoffverbrauch
3. Recycling von alten Anlagen
4. Gesundheitliche Auswirkungen
5. Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt
Flächenbedarf
Der Flächenbedarf für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Biomasse ist sehr hoch.
Rohstoffverbrauch
In der Forstwirtschaft werden im Vergleich zur übrigen Landwirtschaft relativ wenig Düngemittel und Pflanzenschutzmitteln eingesetzt. Deshalb ist der Rohstoffverbrauch im Vergleich zur normalen Landwirtschaft auch gering. Bei der Nutzung von Kurzumtriebsplantagen werden leider jedoch vermehrt Düngemittel eingesetzt. (Gier macht Blind)
Recycling von alten Anlagen
Für das Recycling von alten Anlagen existieren etablierte Verfahren.
Gesundheitliche Auswirkungen
Es gibt bisher keine belastbaren Aussagen über direkte gesundheitliche Schäden. Indirekt ist jedoch eine Nitratbelastung des Trinkwassers bzw. durch Pestizide beim Anbau von Biomasse möglich. Außerdem ist bei der Verbrennung von Abfällen eine mögliche Schadstoffbelastung durch behandelte Materialien nicht auszuschließen.
Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt
Bei der energetischen Nutzung von Biomasse verbleiben im Gegensatz zur üblichen Holzwirtschaft keine Abfälle im Wald, da diese ja ebenfalls verbrannt werden können. Diese fehlen dann im Biotop und beeinträchtigen damit die Biodiversität. Speziell gilt dies für Kurzumtriebsplantagen in denen oft auch standortfremde Arten gepflanzt werden.
Zukünftige Weiterentwicklung der Biomassenutzung
Die Stromerzeugung aus Biomasseheizkraftwerken erfolgt heute in der Regel im Dauerbetrieb. Jedoch wäre auch eine Nutzung zur Bereitstellung von Regelenergie möglich. Dazu müssten jedoch die gesetzlichen Grundlagen für die Bereitstellung von Systemdienstleistungen geändert werden damit dies für die Betreiber rentabel wäre. Jedoch ist zu berücksichtigen, dass ein größerer Ausbau der Erzeugungskapazitäten nicht möglich ist. Denn die genutzten Brennstoffe wachsen nur relativ langsam nach.
Wegen der negativen Auswirkungen auf Natur und Umwelt sollte der weitere Anbau von sogenannten Energiepflanzen mittelfristig reduziert und langfristig gestoppt werden. Diese Flächen könnten dann für eine nachhaltige Nutzung an die bäuerliche Landwirtschaft zurückgegeben werden.
Über die Nutzung von Abfallstoffe sollten strengere Umweltauflagen eingeführt werden.
Dies würde zu einer deutlichen Reduktion der Stromerzeugung durch Biomasse führen.
Es wird von einer Reduktion auf 25% der heutigen Kapazität, also 2 TWh ausgegangen.
http://www.erneuerbare-energien.de/EE/Redaktion/DE/Downloads/erneuerbare-energien-in-zahlen-2015.pdf?__blob=publicationFile&v=3]
Da der Anteil von Biomasse bei der Stromerzeugung jedoch sehr gering ist könnte diese Verminderung leicht durch andere erneuerbare Energien ersetzt werden.
Quellen und weitere Informationen:
Bund Naturschutz in Bayern e.V.
http://www.bund-naturschutz.de/
https://de.wikipedia.org/wiki/Biomasseheizkraftwerkhttps://de.wikipedia.org/wiki/Biomasse
http://www.erneuerbare-energien.de/EE/Navigation/DE/Service/Erneuerbare_Energien_in_Zahlen/Entwicklung_der_erneuerbaren_Energien_in_Deutschland/entwicklung_der_erneuerbaren_energien_in_deutschland_im_jahr_2015.html
4.1.4 Stromerzeugung mit Windkraftanlagen auf See
Die Stromerzeugung mit Windkraftanlagen auf See ist die technisch aufwendigste [4.1.4a] und mit bis zu 19,4 Cent/kWh auch zweitteuerste Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien. Vergleicht man die Vergütungssätze im „Erneuerbare-Energien-Gesetz“ (EEG), so ist die Kilowattstunde ungefähr 60% teuer als die mit Photovoltaik und dreimal so teuer als die mit Windkraftanlagen an Land erzeugte. Lediglich Strom aus Geothermie ist nach wie vor wider jede Vernunft mit 25 ct / kWh vergütet und löst immense Direktsubventionen einzelner Kommunen aus Steuermittel aus, die niemals zurückerwirtschaftet werden. [4.1.4b]
Zum 31.12.2015 war eine Leistung von 3,3 GW Off-Shore Windkraft an das Stromnetz angeschlossen [4.1.4c] und sie soll nach den Vorgaben des „Erneuerbare Energien Gesetzes“ bis zum Jahr 2030 auf 15 GW ausgebaut werden. [4.1.4d] Dann ist mit einer Stromerzeugung von ca. 60 TWh im Jahr zu rechnen. Dies ist jedoch nur ein Anteil von 5% der zukünftig erforderlichen Strommenge. Aufgrund der vergleichsweise hohen Kosten für die Stromerzeugung und für den notwendigen Ausbau des Stromübertragungsnetzes sowie des trotz eines erheblichen Aufwands nur kleinen Anteils an der erforderlichen Stromerzeugung ist ein weiterer Ausbau über das Jahr 2030 hinaus nicht sinnvoll.
(„Merksatz“:) Ausbau-Stopp für Windkraftanlagen auf See spätestens ab einer Leistung von 15 GW
4.1.5 Stromerzeugung mit Windkraftanlagen an Land
Windkraftanlagen an Land werden von Menschen bereits seit fast 4.000 Jahren genutzt. Ursprünglich wurden sie als Getreidemühlen und Wasserpumpen genutzt. Aber auch als Kraftmaschinen im Gewerbe wurden sie eingesetzt. Diese Nutzung ging jedoch mit der industriellen Revolution zurück und die Mehrzahl der Windmühlen wurde aufgegeben.
Wenn man heute von Windkraftanlagen spricht, dann wird von Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie gesprochen. 1991 begann mit dem Stromeinspeisungsgesetz der Aufschwung der Windenergienutzung in Deutschland. Mit dem seit dem Jahr 2000 gültigen EEG nahm die Nutzung der Windenergie einen weiteren Aufschwung.
Neben der Anzahl der Anlagen stieg auch die Leistung der einzelnen Anlagen. Während Anfangs Windkraftanlagen mehr oder minder Einzelanfertigungen waren werden die Anlagen inzwischen industriell in Serie gefertigt.
Ende 2015 gab es in Deutschland an Land (onshore) 25.980 Anlagen mit einer Nennleistung von 41.652 MW. [3.3a] Offshore speisten 546 Anlagen mit einer Nennleistung von 2.282 MW ins Netz ein. [3.3b]
Insgesamt speisten Windkraftanlagen 2015 86 TWh Strom ins deutsche Netz ein. [3.3c] Der weitere Ausbau von Offshore-Anlagen ist jedoch durch die EEG Novelle von 2014 auf 6500 MW Nennleistung bis 2020 begrenzt. [3.3d]
Die Windkraftanlagen sind nicht gleichmäßig in Deutschland verteilt. Die Mehrzahl der Anlagen steht in den nördlichen, windreichen Bundesländern. Erst in den letzten Jahren bieten die Hersteller spezielle Anlagen für geringere durchschnittliche Windgeschwindigkeiten an, so dass auch in den südlichen, windschwächeren Bundesländern der Betrieb von Windkraftanlagen rentabler wird.
Dadurch, dass Windkraftanlagen vom Wind abhängig sind können sie nicht kontinuierlich Strom produzieren. Die Bundesnetzagentur rechnet für Windkraftanlagen daher nur mit einer gesicherten Leistung von 0,5%, obwohl die Realität deutlich mehr zeigt.
Der weitere Ausbau der Windenergie wird zunehmend durch Proteste behindert. Die Argumente gehen dabei vom Naturschutz bis zu gesundheitlichen Gefahren durch Infraschall und dem deutlichen Wertverlust von Immobilien angrenzender Wohnbebauung. Auch das irreführende Bild einer fluktuierenden Stromerzeugung (Flatterstrom) und eine angebliche Unrentabilität von Windkraftanlagen wird oft von Gegnern ins Feld geführt. [3.3f] Eine besondere Rolle bei der Verhinderung von Windkraftanlagen spielt Bayern. Hier ist durch die sogenannte 10H Regelung der weitere Ausbau der Windenergienutzung faktisch zum Erliegen gekommen. [3.3g] [3.3h]. In 2015 wurde genau ein Windpark mit vier Windrädern gemäß der 10-H-Regelung genehmigt. Der Rest bestand aus der Umsetzung von Altanträgen.
Ökologische Betrachtung
Bei der ökologischen Betrachtung von Windkraftanlagen sind fünf Faktoren zu berücksichtigen:
1. Flächenverbrauch
2. Rohstoffverbrauch
3. Recycling von alten Anlagen
4. Gesundheitliche Auswirkungen
5. Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt
Eine datenbasierte Analyse erforderlich, u. a. deshalb:
„Energiewende ist ressourcenblind“
http://green.wiwo.de/verbrauch-von-rohstoffen-energiewende-ist-ressourcenblind/
Ressourceneffizienz für den Bereich der erneuerbaren Energien bedeutet, die Systeme für Versorgung, Umwandlung, Speicher und Transport mit minimalem Aufwand an Fläche und Rohstoffen auszulegen. Es geht um die Erhöhung der lebenszyklusweiten Materialeffizienz und die Verringerung des Flächenbedarfs. Der Gesamtaufwand an stofflichen Primärressourcen sollte systemweit verringert und der Anteil von rezykliertem Material sukzessiv gesteigert werden. Beim Flächenaufwand kann insbesondere im Bereich der Bioenergie die Konkurrenz mit Nahrungsmitteln und stofflichen Verwendungen der Biomasse verringert werden.
http://www.fvee.de/forschung/forschungsthemen/effizienz/
Studien zur Ressourceneffizienz:
Fraunhofer IPA: „Analytische Untersuchung zur Ressourceneffizienz“, April 2015
http://edocs.fu-berlin.de/docs/servlets/MCRFileNodeServlet/FUDOCS_derivate_000000004260/Nexus_Ressourceneffizienz.pdf
Nexus Ressourceneffizienz und Energiewende, Oktober 2014:
hhttp://edocs.fu-berlin.de/docs/servlets/MCRFileNodeServlet/FUDOCS_derivate_000000004260/Nexus_Ressourceneffizienz.pdf
Hier finden sich alle Daten zu den untenstehenden Themenbereichen der Windkraft:
VDI Zentrum für Ressourceneffizienz: „Technologien und Ressourceneffizienz in der Windenergie“
http://windenergie.ressource-deutschland.de/
http://windenergie.ressource-deutschland.de/
Kurzanalyse Nr. 9: Ressourceneffizienz von Windenergieanlagen
http://www.ressource-deutschland.de/fileadmin/user_upload/downloads/kurzanalysen/2014-Kurzanalyse-VDI-ZRE-09-Ressourceneffizienz-Windenergieanlagen.pdf
Flächenverbrauch
Der Flächenbedarf für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Windkraftanlagen wird oft als zu hoch für die Bundesrepublik Deutschland dargestellt.
Eine Windkraftanlage der 3 MW Klasse benötigt eine Fundamentfläche von 300 m². Für Wartungsarbeiten wird eine frei zugängliche Fläche von ca. 50*50 Metern benötigt. Bei dieser Fläche ist jedoch eine weitere landwirtschaftliche Nutzung fast uneingeschränkt möglich.
Anders sieht die Situation bei den Abständen zwischen den einzelnen Windkraftanlagen aus. Zwischen den einzelnen Windkraftanlagen müssen anlagenabhängig größere Abstände eingehalten werden. Doch auch bei diesen Flächen ist eine landwirtschaftliche Nutzung fast uneingeschränkt möglich.
Rohstoffe
Windkraftanlagen bestehen hauptsächlich aus Beton und Stahl.
Das Fundament des Turmes besteht aus Stahlbeton. Der Turm besteht entweder komplett aus Stahl oder bei sogenannten Hybridtürmen im unteren Teil aus Beton und dem oberen Teil aus Stahlsegmenten. Hybridtürme sind bei größeren Windkraftanlagen inzwischen Standard.
Beton und Stahl sind häufig und stellen somit keinen Engpass bei der Errichtung von Windkraftanlagen dar.
Die Rotorblätter moderner Windkraftanlagen bestehen entweder aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Auch die Bestandteile der Rotorblätter stellen keinen rohstofflichen Engpass bei der Errichtung von Windkraftanlagen dar.
Der wichtigste Bestandteil einer Windkraftanlage ist das Maschinenhaus bzw. Gondel. In ihm sind der Generator, die Windnachführung, Steuerungselektronik und eventuell ein Getriebe untergebracht. Bei den Generatoren kommen hauptsächlich Asynchrongeneratoren zum Einsatz. Bei den Synchrongeneratoren wird zwischen fremderregten und permanenterregten unterschieden. Nur bei permanenterregten Synchrongeneratoren kommen Neodym-Eisen-Bor Magnete zum Einsatz, bei deren Rohstoffgewinnung es zu Umweltproblemen kommt. Deshalb sollte langfristig gesehen auf permanenterregte Synchrongeneratoren verzichtet werden und stattdessen sollten fremderregte verwendet werden.
In der Studie „Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050“ des Umweltbundesamtes (2014), wird ab Seite 56 auf den Rohstoffverbrauch für offshore Windenergieanlagen (für 1GW Leistung) eingegangen. [https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/07_2014_climate_change_dt.pdf]
Die Energierücklaufzeit, also die Zeit in der die für die Herstellung verbrauchte Energie wiedergewonnen ist beträgt ca. 5-7 Monate.[3.3i] für on-shore Anlagen. Bei off-shore Anlagen ist die Energierücklaufzeit naturgemäß höher und beträgt zwischen 7-9 Monate. [https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/07_2014_climate_change_dt.pdf]
Recycling von alten Anlagen
Fraunhofer IWES windenergie report deutschland 2013: „Special Report Recycling von Windenergieanlagen“:
http://windmonitor.iwes.fraunhofer.de/img/SR_2013_Recycling_von_Windenergieanlagen.pdf
Bis auf die Rotorblätter ist bei allen Bestandteilen einer Windkraftanlage eine stoffliche Verwertung problemlos möglich.
Bei den Rotorblättern erfolgt derzeit eine thermische Verwertung. Es gibt jedoch bereits verschiedene Projekt zur stofflichen Verwertung der Rotorblätter.
http://www.ressource-deutschland.de/fileadmin/user_upload/downloads/kurzanalysen/2014-Kurzanalyse-VDI-ZRE-09-Ressourceneffizienz-Windenergieanlagen.pdf]
[http://windenergie.ressource-deutschland.de/recycling/hochwertiges-recycling-von-rotorblaettern/
Gesundheitliche Auswirkungen
Von Windkraftgegnern wird immer wieder auf die Gefahr von Infraschall der durch Windkraftanlagen erzeugt wird verwiesen.
Infraschall ist Schall unter der Hörschwelle von 20 Hertz.
Infraschall ist ein Phänomen das sowohl natürliche Ursachen (z.B. Wind, Meeresrauschen) als auch künstliche Ursachen (z.B. Autoverkehr, Kühlschrankkompressor) haben kann.
Die Physikalisch technische Bundesanstalt in Braunschweig hatte vor einem Jahr eine Untersuchung gemacht, in der sie gezeigt hat, dass ein Teil der Probanden von Infraschall belastet wurde. Sie hat weiteren Forschungsbedarf formuliert.
In Deutschland werden die Grenzwerte einer Belastung durch Schall in der Technischen Anleitung Lärm (TA Lärm) geregelt. [3.3l] Die darin festgelegten Grenzwerte müssen auch von Windkraftanlagen eingehalten werden. Eine Messung des Infraschalls ist darin bisher nicht vorgegeben. das ist aber inzwischen eine Forderung. www.windwahn.de ist eine Plattform der Gegner mit sehr viel Information zum Thema.
Auswirkungen auf die Tierwelt
Bei den negativen Auswirkungen auf die Tierwelt stehen Vögel und Fledermäuse im Vordergrund.
Oft werden von Windkraftgegnern die Windkraftanlagen auch als Vogelschredder bezeichnet. [3.3f]
Auch wenn bei der staatlichen Vogelschutzwarte Brandenburg versucht wird, die durch Windkraftanlagen getöteten Vögel zu erfassen, gibt es keine verlässlichen Zahlen. [3.3m] Die Ursache dafür ist, dass es keine systematische Erfassung gibt. Für Greifvögel gibt es eine aufschlussreiche Studie des Michael-Otto-Institut über Windkraft und Greifvögel. [3.3n] Diese geht auch auf die Möglichkeiten der Vergrämung von Vögeln ein durch entsprechende Maßnahmen ein.
Bei der Diskussion über die Tötung von Vögeln durch Windkraftanlagen werden auch die Todesfälle durch andere Gefährdungen übersehen. Durch den Straßenverkehr und an Hochspannungsmasten werden in Deutschland jährlich jeweils 5 bis 10 Millionen Vögel getötet.
Ebenso werden die Todesfälle durch andere Energieerzeugungsanlagen nicht gesehen. In einer Metastudie aus den USA wurde aufgezeigt, dass durch Kohlekraftwerke je GWh fast 20mal so viele Vögel getötet werden als durch Windkraftanlagen. [3.3o]
Bei Fledermäusen ist die Datenlage noch schlechter. Dies liegt sicher daran, dass sie hauptsächlich nachtaktiv und klein sind. Auch hier versucht die staatliche Vogelschutzwarte Brandenburg die durch Windkraftanlagen getöteten Fledermäuse zu erfassen. [2.3m] Eine Bedrohung ist bei Fledermäusen jedoch nur bei hochfliegenden Arten gegeben. Zum Beispiel bei den Wanderungen des Großen Abendseglers (Nyctalus Noctula). Bei allen Fledermäusen muss jedoch berücksichtigt werden, dass die größte Bedrohung die Einschränkungen ihres Lebensraumes und ihrer Nahrungsgrundlage durch die moderne Landwirtschaft ist. Auch sind keine Daten verfügbar wie viele Fledermäuse durch den Straßenverkehr und an Hochspannungsmasten getötet werden.
Zukünftige Weiterentwicklung der Windkraftanlagen
Bei der Weiterentwicklung der Windkraftanlagen sind 2 Tendenzen zu beobachten. Zum einen geht die Entwicklung hin zu immer größeren Anlagen, speziell auch für den offshore Bereich. Zum anderen werden Anlagen für schwächere Windverhältnisse entwickelt und auf den Markt gebracht.
Die aktuellen Ausbaupläne sehen sowohl einen verstärkten Ausbau von offshore Anlagen als auch von on-shore Anlagen vor allem in Norden Deutschlands vor.
Offshore Anlagen sind industrielle Großanlagen die nur von Großkonzernen errichtet werden können und große Mengen von Strom an einem Punkt liefert. Diese entsprechen von ihrer strukturellen Bedeutung her heutigen fossilen Großkraftwerken. Sie stehen deshalb im Widerspruch zu einer dezentralen Energieversorgung. Für den Transport des erzeugten Stromes ist ein weiterer Ausbau der Übertragungsnetze erforderlich. Offshore Anlagen sind außerdem die mit Abstand teuerste Art von erneuerbaren Energien. Deshalb wird der weitere Ausbau dieser Anlagen nach hinten gestellt.
Der weitere Ausbau von onshore ist derzeit vor allen im Norden geplant. Dies steht im Widerspruch zu einer dezentralen Energieversorgung und es verleitet durch lukrative Vergütungsgarantien zum Ausbau von Übertragungsnetzen, um erzeugten Strom vielleicht in den Süden zu transportieren an Stelle des Aufbaus einer dezentralen Speicherinfrastruktur, die dortige Überschüsse zeitlich verschieben.
Der Ausbau der Übertragungsnetze verursacht erhebliche Kosten und ist, wie man am Widerstand gegen die HGÜ Trassen sieht, der Bevölkerung so gut wie nicht vermittelbar.
Deshalb sollte ein weiterer Ausbau von Windkraftanlagen nur dezentral erfolgen. Diese Art des Ausbaus würde auch Bürgerenergiegenossenschaften Möglichkeiten bieten Bürgerwindräder zu errichten.
Aber auch der dezentrale Ausbau von Windkraftanlagen sollte nur mit entsprechender Bürgerbeteiligung erfolgen. Dies wird zu einer Reduzierung des zukünftigen Ausbaus führen.
Insgesamt sehen wir deshalb für das Jahr 2050 eine Erzeugungskapazität von 200 TWh durch Windkraftanlagen.
Eine Übersicht über aktuelle Forschungsprojekte finden sich hier: http://windenergie.ressource-deutschland.de/
Quellen und weitere Informationen:
[3.3a] https://www.wind-energie.de/sites/default/files/attachments/page/statistiken/20160127-factsheet-status-windenergieausbau-land-jahr-2015.pdf
[3.3b] https://www.wind-energie.de/sites/default/files/attachments/page/statistiken/factsheet-status-offshore-windenergieausbau-jahr-2015.pdf
[3.3c] https://www.wind-energie.de/infocenter/statistiken/deutschland/entwicklung-der-windstromeinspeisung
[3.3d] http://www.gesetze-im-internet.de/eeg_2014/
[3.3f] http://www.windwahn.de/
[3.3g] http://bayrvr.de/2014/11/20/gvbl-192014-gesetz-zur-aenderung-der-bayerischen-bauordnung-baybo-und-des-gesetzes-ueber-die-behoerdliche-organisation-des-bauwesens-des-wohnungswesens-und-der-wasserwirtschaft-orgbauwasg-ver/
[3.3h] http://www.br.de/mediathek/video/sendungen/nachrichten/windkraft-windraeder-bayern-100.html#&time=
[3.3i] http://www.vdi-nachrichten.com/artikel/Mehr-Windkraft-an-Land-rueckt-Oekologie-ins-Blickfeld/54733/1
[3.3j] http://www4.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/229961/
[3.3k] http://www4.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/250786/
[3.3l] http://www.verwaltungsvorschriften-im-internet.de/bsvwvbund_26081998_IG19980826.htm
[3.3m] http://www.lugv.brandenburg.de/cms/detail.php/bb1.c.312579.de
[3.3n] https://bergenhusen.nabu.de/forschung/windkraft-und-greifvoegel/index.html
[3.3o] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148112000857
https://de.wikipedia.org/wiki/Windkraftanlage
http://www.eurobserv-er.org/category/barometers-in-german/
http://ressourcen.wupperinst.org/downloads/MaRess_AP2_4.pdf
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148111002254
http://www.inderscience.com/offer.php?id=62496
http://www4.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/223628/windenergie_und_infraschall.pdf?command=downloadContent&filename=windenergie_und_infraschall.pdf
Fraunhofer IPA: „Analytische Untersuchung zur Ressourceneffizienz“, April 2015
http://edocs.fu-berlin.de/docs/servlets/MCRFileNodeServlet/FUDOCS_derivate_000000004260/Nexus_Ressourceneffizienz.pdf
http://windenergie.ressource-deutschland.de/
http://edocs.fu-berlin.de/docs/servlets/MCRFileNodeServlet/FUDOCS_derivate_000000004260/Nexus_Ressourceneffizienz.pdf
Studie „Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050“ des Umweltbundesamtes (2014), Seite 50ff
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/07_2014_climate_change_dt.pdf
4.1.6 Stromerzeugung mit Photovoltaikanlagen
PV Anlagen nutzen den photoelektrischen Effekt zur direkten Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Die ersten Einsätze erfolgten ab Ende der 1950iger Jahre bei Satelliten – und deren PV-Zellen funktionieren noch heute.
Während Solarzellen ursprünglich aus monokristallinem Silizium gefertigt wurden sind inzwischen auch polykristalline bzw. amorphe Solarzellen verfügbar. Auch konnten die Wirkungsgrade deutlich gesteigert werden. Inzwischen sind Wirkungsgrade von bis zu 26 Prozent bei kommerziellen Solarzellen üblich. In Entwicklungslaboren wird bereits an Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 40 Prozent gearbeitet. [3.4a]
Dadurch, dass PV Anlagen von der Sonneneinstrahlung abhängig sind können sie nicht kontinuierlich Strom produzieren. Die Bundesnetzagentur rechnet für PV Anlagen mit einer gesicherten Leistung von 0 Prozent. Dies wird damit begründet, dass PV Anlagen in der Nacht keinen Strom produzieren können. Welche Logik steckt dahinter? Was hat dies mit der Realität zu tun? Auch Windräder haben Stillstandszeiten. Die gesicherte Leistung kann in Kombination mit Akkuspeichern ohne weiteres mit 15% angesetzt werden. Dieser Umstand wird von Kritikern gerne angeführt um die Untauglichkeit der Stromerzeugung durch PV Anlagen zu postulieren. [3.4b] Oft wird hierbei auch mit dem Begriff „Flatterstrom“ gezielt Gegnerschaft erzeugt. Für die Sicherung einer kontinuierlichen Stromversorgung ist deshalb eine Kombination mit
entsprechenden Speichertechnologien erforderlich.
In Deutschland waren Ende 2015 PV Anlagen mit einer Nennleistung von 39.7 MW installiert. [3.4c]
Diese speisten 2015 insgesamt 38.5 GWh Strom ins deutsche Netz ein. [3.4d] Die Verteilung der PV Anlagen in Deutschland ist jedoch nicht gleichmäßig. Da im Süden die Sonneneinstrahlung höher ist, sind diese überwiegend in den südlichen Bundesländern installiert.
Der weitere Ausbau von PV Anlagen ist durch die EEG Novelle 2014 stark abgebremst worden. Besonders der Ausbau von Freiflächenanlagen ist seit Ausschreibungsmodell stark zurückgegangen. Die „genehmigten“ Zubauziele werden nicht erreicht. [3.4e]
Zum Schutz der europäischen Hersteller von Solarmodulen werden auf chinesische Solarmodule Strafzölle erhoben. Dies geschah vor allem auf Betreiben von deutschen Herstellern wegen angeblicher Dumpingpreise. Ergebnis war eine Verteuerung von Solarmodulen im EU-Raum gegenüber dem Weltmarkt, ein Absinken der Rentabilität und letztlich die Pleite des größten Anstifters solcher Ideen., den deutschen Bestandteilen von Solarworld. [3.4f]]
Ökologische Betrachtung
Bei der ökologischen Betrachtung sind drei Faktoren zu berücksichtigen:
1. Flächenverbrauch
2. Rohstoffverbrauch für die PV Module
3. Recycling von alten PV Modulen
Flächenbedarf
Der Flächenbedarf für die Erzeugung von elektrischer Energie durch PV Module wird oft als zu hoch für die Bundesrepublik Deutschland dargestellt. Horrordarstellungen von einem durch PV Module überdachten Deutschland werden verbreitet. Doch wie ist es wirklich?
Die Bundesrepublik Deutschland hat eine Gesamtfläche von 357.375 Quadratkilometern.
In den oben berechneten Szenarien zur Stromerzeugung ergibt sich bei einem Wirkungsgrad von 20% Prozent ein Flächenbedarf von 3.610 Quadratkilometern bzw. 5.502 Quadratkilometern. Ein Wirkungsgrad von 20% erscheint als sehr konservative Abschätzung für das Jahr 2050, da er der bereits heute verfügbaren Technologie entspricht. Es wären also nur 1% bis 1,5% der Fläche Deutschlands für die Stromerzeugung durch PV Module benötigt.
Laut dem Statistischen Bundesamt waren im Jahr 2014 insgesamt 19.205 Quadratkilometer durch Wohn-, Gewerbe- und Betriebsflächen belegt. [3.4d] Dies bedeutet, dass man je nach Szenario 18% bzw. 28% Prozent der bereits durch Gebäude überbauten Fläche benötigt um den gesamten benötigten Strom zu erzeugen.
Nicht berücksichtigt ist dabei der Effekt durch andere Arten der PV Nutzung, wie z.B. PV Module an Gebäudefronten, Solarwege, PV Module an Schallschutzwänden, usw. Dadurch werden die benötigten Dachflächen reduziert. Eine genaue Abschätzung der Reduktion ist aber derzeit nicht möglich.
Umweltbundesamt:
„Entsprechend der UBA-Studie „Energieziel 2050“ wird von einem mittleren Jahresnutzungsgrad von 17% und 1.620 km2 verfügbare Fläche ausgegangen. Dies bedeutet, dass für jedes installierte Kilowatt (kW) an Leistung 5,88 m2 Fläche benötigt werden. Würde man die gesamte Fläche mit Solarmodulen belegen, so stände eine installierte Leistung von 275 Gigawatt (GW) zur Verfügung. Bei den
Flächenangaben handelt es sich um Dach- und Fassadenflächen sowie sonstige Siedlungsflächen wie Parkplatzüberdachungen oder Lärmschutzwände. Die Nutzung von Freiflächen wie Konversionsflächen, Ackerflächen oder Grünland sind hier nicht berücksichtigt. Unter der Annahme von 900 Volllaststunden ergäbe sich ein jährlicher Stromertrag von ca. 248 TWh. Bei dieser solaren Flächenermittlung handelt es sich um eine konservative Potenzialbewertung. Ob dieses Potenzial ausgeschöpft werden kann, hängt von verschiedenen Faktoren wie der Akzeptanz in der Bevölkerung, politischer Weichenstellungen, der Wirtschaftlichkeit der PV-Anlagen und der Systemintegration des Solarstroms ab. Falls die Flächenpotenziale auf Konversionsflächen, Ackerflächen oder Grünland erschlossen werden, können auch noch größere installierte Leistungen von Photovoltaikanlagen in Deutschland realisiert werden.“ [Studie „Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050“ des Umweltbundesamtes (2014), Seite 52,
„Runder Tisch Energiewende Niedersachsen“ hat eine aktuelle Analyse der Dachflächen in Niedersachsen gemacht. Hochrechnen auf das gesamte Bundesgebiet auf Basis der Bevölkerungsverteilung?! [Szenarien zur Energieversorgung in Niedersachsen im Jahr 2050 – Gutachten – http://www.umwelt.niedersachsen.de/download/106468, April 2016, Seite 20f]
Rohstoffverbrauch für die PV Module
Für 1 GW Leistung:
Studie „Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050“ des Umweltbundesamtes (2014), Seite 51f
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/07_2014_climate_change_dt.pdf
PV Module bestehen hauptsächlich aus den folgenden Komponenten:
1. Glasscheiben
Glas ist ein Schmelzprodukt das hauptsächlich aus Quarzsand, Soda und Pottasche besteht. Dies alles sind Rohstoffe, die häufig in der Natur vorkommen bzw. aus häufig vorkommenden Elementen synthetisiert werden. Somit besteht keine Gefahr von Ressourcenengpässen die die Fertigung von PV Modulen einschränken.
2.Alurahmen
Aluminium kommt in der Erdkruste sehr häufig vor. Ein Mangel an Rohmaterial ist deshalb nicht zu befürchten.
Aluminium als elementares Metall und Material verfügbar zu machen erfordert zwar einen hohen Energieeinsatz. Aber einmal produziert kann es sehr einfach recycelt werden und dient in Form von Lagerware als Barren sogar als indirekter Energiespeicher für Überschussstrom.
3. Solarzellen
Solarzellen werden aus Silizium gefertigt. (Silizium ist das zweithäufigste Element der Erdkruste. Ein Mangel an Rohmaterial ist deshalb nicht zu befürchten).
4. Kupferverbindungen
Kupfer kommt in der Erdkruste sehr häufig vor. Somit besteht keine Gefahr von Ressourcenengpässen, die die Fertigung von PV Modulen einschränken.
5.Kunststoffdichtungen bzw. Folien
Kunststoffdichtungen bzw. Folien werden heute aus Erdöl gewonnen.
Die Herstellung der Hauptkomponenten eines PV Moduls ist relativ energieintensiv. Jedoch wird im Laufe der Lebensdauer der PV Module deutlich mehr elektrische Energie erzeugt. Die Energierücklaufzeit, also die Zeit in der die für die Herstellung verbrauchte Energie wiedergewonnen ist beträgt heute ca. 1 Jahr. Quelle?
Recycling von alten PV Modulen
Beim Recycling von alten PV Modulen können heute über 90 Prozent der verwendeten Materialien wiedergewonnen werden und erneut in den Produktionsprozess eingebracht werden.
Das Recycling von Glas, Alu, Silizium und Kupfer ist eine bewährte Technik und auch von der Ökobilanz ein her gesehen sehr positiv.
Heute existiert keine bewährte Technik für das Recycling der Kunststoffdichtungen bzw. Folien die ja fest mit den Glasscheiben bzw. Solarzellen laminiert sind.
Was wir noch genauer betrachten sollten:
– Wieviel Rohstoff in g ist in einem Modul enthalten?
– Wie viele Module brauchen wir für die solare Stromerzeugung in Deutschland?
– Groß sind jeweils die weltweiten Rohstoffreserven?
Dann ist es nicht nur eine pauschale Aussage, sondern berechnet, dass ausreichend Rohstoffreserven vorhanden sind.
Die gleiche Rohstoff-Betrachtung dann für die Windkraftanlagen.
Das ist auch wichtig, weil insbesondere bei Windkraftanlagen manchmal eine Rohstoffknappheit ins Feld geführt wird.
Zukünftige Weiterentwicklung der PV Nutzung
Für die Zukunft ist eine weitere Zunahme der PV Nutzung zu erwarten, obwohl laut aktuellen EEG der weitere geförderte Zubau eingeschränkt wurde. [3.4e]
Durch weitere Verbesserungen der Produktionstechnik sind auch in Zukunft Kostenreduktionen bei der Herstellung von PV Modululen zu erwarten. Kurzfristig von Bedeutung ist hierbei der Ausgang des Anti-Dumping-Verfahren gegen China. [3.4f] Diese künstliche Verteuerung wird jedoch langfristig nicht durchzuhalten sein. [3.4g]
Langfristig werden auch PV Module, die nicht auf Silizium basieren, auf den Markt kommen.
PV Module auf Basis von Galliumarsenid bzw. Galliumindiumphosphid / Galliumindiumarsenid bieten einen deutlich höheren Wirkungsgrad als siliziumbasierte PV Module. Momentan sind sie jedoch noch zu teuer oder erst als Labormuster verfügbar.
Auch organische PV Module und Perowskit-Module bilden momentan ein erfolgversprechendes Forschungsgebiet.[3.4h]
Langfristig ist jedoch mit der Marktreife entsprechender Module zu rechnen.
Für die Aufstellung von PV Anlagen bietet sich, wie bereits oben erwähnt, ein breites Zukunftspotential. Zum Beispiel Solarwege. [3.4i] [3.4j]. Dies würde zu einer Reduzierung der oben angeführten Fläche führen.
Auch die Überdachung von Verkehrswegen bietet eine interessante Option, da im Nebeneffekt Schneeräumung im Winter und Fahrzeugklimatisierung im Sommer deutlich geringer ausfallen. ICEs, die sich nicht in der prallen Sonne auf 50 °C und mehr aufheizen, sondern weitgehend im Schatten fahren, erleiden auch keinen Ausfall der Klimaanlagen mehr.
PV Anlagen stellen insgesamt betrachtet die umweltverträglichste Form von erneuerbaren Energien da. Die Akzeptanz in der Bevölkerung ist ebenfalls sehr hoch. Deshalb sollten sie auch die Hauptlast der zukünftigen Stromversorgung tragen.
Übersicht Rohstoffverfügbarkeit weltweit:
B.U.N.D. Hintergrundpapier: „Ressourcenschutz ist mehr als Rohstoffeffizienz“, Juli 2015 http://www.bund.net/pdf/ressourcenschutz
Powershift: Rohsto¬ffe für die „grüne“ Wirtschaft, 2011
http://power-shift.de/wordpress/wp-content/uploads/2011/08/PowerShift-ForumUE-StudieRohstoffe-Gr%C3%BCneWirtschaft-2011web_klein.pdf
Quellen und weitere Informationen:
[3.4a] http://photovoltaik-vision.de/05-2013/forschung-vierfach-stapelsolarzelle-mit-436-prozent-wirkungsgrad/
[3.4b] http://www.eike-klima-energie.eu/
[3.4c] https://www.energy-charts.de/power_inst_de.htm
[3.4d] http://www.statistischesbundesamt.de/
[3.4e] http://www.gesetze-im-internet.de/eeg_2014/
[3.4f] http://photovoltaik-vision.de/08-2013/preisdumping-eu-einigt-sich-endgultig-mit-china/
[3.4g] http://safe-eu.org/2016/04/19/pm-solarmodule-koennten-hierzulande-20-preiswerter-sein/?utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_campaign=PHOTON+Newsletter+-+Deutsche+Ausgabe+vom+20.4.2016+&newsletter=PHOTON+Newsletter+-+Deutsche+Ausgabe+vom+20.4.2016+
[3.4h http://www.iwr.de/news.php?e=x0616x&id=30643
[3.4i] hhttps://www.indiegogo.com/projects/solarlayer-every-surface-is-a-solar-panel#/
[3.4j] http://www.mein-elektroauto.com/2016/02/frankreich-will-1-000-kilometer-strassen-mit-solarzellen-ausstatten/19828/
https://de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaik
http://www.eurobserv-er.org/category/barometers-in-german/
http://www.sma.de/unternehmen/pv-leistung-in-deutschland.html
http://www.oeko-energie.de/produkte/solarstrom-photovoltaik/solarmodule/index.php#04a2089a240b63601
http://www.bvmw.de/politik/energie.html
https://de.wikipedia.org/wiki/Solarmodul
Studie „Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050“ des Umweltbundesamtes (2014), Seite 52
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/07_2014_climate_change_dt.pdf, Abschätzung ohne Freiflächen
4.1.7 Vergleich Photovoltaik und Windkraft
Vergleiche:
Rohstoffeinsatz 1 MW Photovoltaik/1 MW Windkraft (onshore)
kurzer Hinweis auf höheren Rohstoffeinsatz für offshore durch Umspannwerke auf See und an Land und seeseitige zusätzlich Stromkabel/ höherer energetischer Aufwand da Materialien und Personal aufs Meer geschafft werden müssen
Bewertung/Schlussfolgerungen für die (unsere) Verteilung der Stromerzeugungskapazität auf Photovoltaik und Windkraft
Zukünftige Stromerzeugung in Deutschland
Im Jahr 2050 ergibt sich ein Gesamtbedarf an elektrischer Energie von 1300 TWh.
Diese Energie soll zu 100% aus erneuerbaren Quellen stammen.
Als Quellen dafür kommen Wasserkraft, Biogas, Biomasse, Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen (PV Anlagen) in Betracht.
Technologien, die derzeit in Deutschland ihre Einsatzfähigkeit bzw. Marktreife noch nicht bewiesen haben werden nicht berücksichtigt. Dies ist zwar ein extrem konservativer Ansatz, jedoch befindet man sich damit auf der sicheren Seite und macht sich nicht von Entwicklungsfortschritten abhängig, die möglicherweise nicht eintreten.
Wie weiter oben beschrieben werden für Wasserkraft, Biogas, Biomasse die folgenden Erzeugungskapazitäten angenommen.
Wasserkraft: 22,7 TWh
Biogas: 5,5 TWh
Biomasse: 2 TWh
Summe: 30,2 TWh
Somit müssen noch 1.270 TWh durch PV- und Windkraftanlagen erzeugt werden.
Bei beiden ist jedoch auf Grund der Fluktuation bei der Erzeugung eine Speicherung von Strom notwendig.
Die wichtigste Grundsatzentscheidung für die zukünftige Stromversorgung ist deshalb welchen Anteil PV- und Windkraftanlagen an der Produktion haben sollen.
Neben technischen und ökonomischen Faktoren spielen dabei auch sog. soft skills wie z.B. Akzeptanz in der Bevölkerung eine Rolle.
Technisch gesehen handelt es sich sowohl bei Windkraftanlagen als auch bei PV Anlagen um Systeme die ihre Einsatzreife bereits seit längerer Zeit unter Beweis gestellt haben. Zudem gibt es bei beiden noch Entwicklungspotential, sowohl bei der Technologie als auch bei der Optimierung in der Produktion.
Für eine Beurteilung zur Priorisierung der Erzeugungssysteme PV- und Windkraftanlagen dient die folgende Tabelle. Bei der Bewertung wird zwischen PV Anlagen, offshore Windkraftanlagen und onshore Windkraftanlagen unterschieden.
PV Anlagen on shore Windkraftanlagen off shore Windkraftanlagen
Verfügbarkeit von
Rohstoffen problemlos problemlos problemlos
Recycling problemlos problemlos problemlos
Gesellschaftliche
Akzeptanz hoch umstritten umstritten
Flächenbedarf hoch – gering gering
Energetische
Amortisation schnell schnell schnell
Ökologische
Auswirkungen gering mittel hoch
Kosten mittel mittel hoch
Gesundheitliche
Auswirkungen keine unbestimmt unbestimmt
Bei Windkraftanlagen ist bei einer ökonomischen Betrachtung zwischen on shore und off shore Anlagen zu unterscheiden. Off shore Windkraftanlagen produzieren derzeit den teuersten erneuerbaren Energiestrom, während on shore kostengünstig Strom produziert wird.
PV Anlagen produzieren ihren Strom ebenfalls kostengünstig.
Bei den soft skills gibt es deutliche Unterschiede zwischen PV- und Windkraftanlagen.
Der Protest gegen Windkraftanlagen nimmt immer mehr zu. Oft wird dabei auch die Energiewende insgesamt auch in Frage gestellt.
Dagegen gibt es bei der Errichtung von PV Anlagen nur sehr selten Proteste.
Daraus zu folgern, man sollte nur noch PV Anlagen bauen wäre jedoch nicht zielführend.
Jedoch kann man daraus folgern, dass für eine breite Akzeptanz der Energiewende verstärkt auf den Ausbau von PV Anlagen gesetzt werden soll. Dies wird auch von uns gefordert und deshalb wird bei der Stromproduktion im Jahr 2050 von 1.000 TWh Strom aus PV Anlagen und 270 TWh Strom aus Windkraftanlagen ausgegangen.
4.1.8 Verfügbarkeit von Rohstoffen
Die weltweiten Bauxitvorkommen werden auf 55 bis 75 Milliarden Tonnen geschätzt. Im Jahr 2015 wurden 58,3 Millionen Tonnen Aluminium daraus geschmolzen. [http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/aluminum/mcs-2016-alumi.pdf]
Silizium ist das zweithäufigsten Elemente der Erdkruste [https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_H%C3%A4ufigkeiten_chemischer_Elemente#H.C3.A4ufigkeiten_auf_der_Erde]. Ein Mangel an Rohmaterial ist deshalb nicht zu befürchten.
Die weltweiten Kupfervorkommen werden auf 5,6 Milliarden Tonnen geschätzt. Im Jahr 2015 wurden 18,7 Millionen Tonnen Kupfer abgebaut. [http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/copper/mcs-2016-coppe.pdf]
Die weltweiten Eisenvorkommen werden auf 230 Milliarden Tonnen geschätzt. [http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/iron_ore/mcs-2016-feore.pdf]
Die weltweiten Vorkommen an Seltenen Erden werden auf 130 Millionen Tonnen geschätzt. Im Jahr 2015 betrug die Produktion 124.000 Tonnen. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/rare_earths/mcs-2016-raree.pdf
Beton besteht aus Gesteinskörnung; Sand und Kies und Zement als Bindemittel.
Durch die Zugabe von Wasser reagiert der Zement und es entsteht ein festes Baumaterial.
Jährlich werden in Deutschland 250 Millionen Tonnen Beton verbaut. Die Menge an Betonabfällen beträgt 130 Millionen Tonnen. http://www.ressource-deutschland.de/fileadmin/user_upload/downloads/kurzanalysen/Kurzanalyse_Nr_8_Hochwertiges_Recycling_im_Baubereich.pdf
In der Regel erfolgt das Recycling durch Schreddern des Betonabfalls. Jedoch gibt es bereits Projekte den Beton wieder in Gesteinskörnung und Zementmasse zerlegen. Damit sind Recyclingquoten von 80% möglich. http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2012/oktober/blitz-schlag-ein.html
Der damit hergestellte RC-Beton entspricht den entsprechenden Normen http://www.ressource-deutschland.de/fileadmin/user_upload/downloads/kurzanalysen/Kurzanalyse_Nr_8_Hochwertiges_Recycling_im_Baubereich.pdf
Auch für den in der Herstellung sehr energieintensiven Zement wird nach Ersatzstoffen gesucht. http://www.ressource-deutschland.de/fileadmin/user_upload/downloads/kurzanalysen/Kurzanalyse_Nr_8_Hochwertiges_Recycling_im_Baubereich.pdf
Jedoch ist bei den Rohstoffen für die Zementherstellung kein Mangel zu erwarten. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/cement/mcs-2016-cemen.pdf
All diese Verbesserungen bei der Betonherstellung kommen auch den Betonbestandteilen von Windkraftanlagen zu Gute.
Für den Bau von Windkraftanlagen off shore werden die folgenden Materialien benötigt:
▸ ca. 101.000 t Beton,
▸ 144.000 t Eisen und Stahl,
▸ darunter mindestens 1.800 t Nickel, Chrom, Molybdän und Mangan
▸ 11.000 t größtenteils glasfaser- oder carbonfaserverstärkte Kunststoffe,
▸ 3.000 t Kupfer und
▸ bis zu 200 t an Seltenen Erden.
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/07_2014_climate_change_dt.pdf
Laut derselben Quelle werden für Anlagen an Land ähnliche Rohstoffmengen benötigt. Jedoch werden geringe Stahlmengen und dafür höhere Betonmengen benötigt.
Diese Studie geht davon aus dass bei den Generatoren Synchrongeneratoren mit Permanenterregung eingesetzt werden, die Seltene Erden benötigen.
In https://epub.wupperinst.org/frontdoor/index/index/docId/5883 werden jedoch auch Szenarien vorgestellt die von einem erheblichen Anteil von Generatoren ohne Seltene Erden ausgehen.
Kritische Rohstoffe beim Windenergieausbau
Fraunhofer IWES: windenergie report Deutschland 2014; 2015
http://windmonitor.iwes.fraunhofer.de/opencms/export/sites/windmonitor/img/Windenergie_Report_2014.pdf, Seite 70ff; bezieht sich auf die Studie des Wuppertal-Institutes
Zusammenfassend kann man feststellen, dass der Bau von Windkraftanlagen nicht durch Ressourcenengpässe begrenzt wird.
Quellen und weitere Informationen:
Übersicht Rohstoffverfügbarkeit weltweit:
B.U.N.D. Hintergrundpapier: „Ressourcenschutz ist mehr als Rohstoffeffizienz“, Juli 2015 http://www.bund.net/pdf/ressourcenschutz
Powershift: Rohsto¬ffe für die „grüne“ Wirtschaft, 2011
http://power-shift.de/wordpress/wp-content/uploads/2011/08/PowerShift-ForumUE-StudieRohstoffe-Gr%C3%BCneWirtschaft-2011web_klein.pdf
4.1.9 Der Anteil von Sonne und Wind an der zukünftigen Stromerzeugung
Für den Ausbau der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien wurde ein Simulationsmodell erstellt. Dieses ermittelt die für Windkraftanlagen und PV Anlagen notwendigen Ausbauziele an Erzeugungsanlagen sowie den Bedarf an Speichermöglichkeiten, um Dunkelheit und Flauten zu überbrücken und damit eine kontinuierliche und bedarfsgerechte Stromversorgung zu gewährleisten.
Die Sonneneinstrahlung in Deutschland lässt sich relativ einfach mathematisch bestimmen. Die Solarkonstante und die Breitengrade von Deutschland sind bekannt. Diese mathematische Methode berücksichtigt jedoch nicht die meteorologischen Phänomene (z.B. Wolken, Nebel, usw.) und liefert systematisch zu hohe Werte.
Deshalb wurde ein anderer Ansatz zur Bestimmung der Sonneneinstrahlung gewählt. Mit Hilfe eines Solarrechners, der meteorologische Phänomene berücksichtigt, also die effektive Sonneneinstrahlung liefert, wird ein Durchschnittsertrag von PV Anlagen ermittelt, der auf mehreren Messpunkten in Deutschland beruht.
Bei den Berechnungen des Flächenbedarfs wird von einem Wirkungsgrad von 16% ausgegangen. Dies entspricht dem heutigen Standard. Daneben wird auch noch der Flächenbedarf bei einem Wirkungsgrad von 20% bzw. 25% berechnet. Diese Wirkungsgrade erscheinen für das Jahr 2050 durchaus möglich, da bereits heute in den Entwicklungslaboren Wirkungsgrade über 40% erreicht werden.
Eine Erhöhung des Wirkungsgrades, die auf Grund der technischen Weiterentwicklung zu erwarten ist, wird den Flächenbedarf reduzieren.
Der benötigte Speicherbedarf bei den einzelnen Szenarien ist jedoch unabhängig vom Wirkungsgrad der verwendeten Solarzellen.
In der folgenden Grafik sind die durchschnittlichen Erträge pro Monat aufgeführt.
Diese Werte bilden die Grundlage für alle folgenden Berechnungen der Stromerzeugung durch PV Module.
Bei der Stromerzeugung durch Windkraftanlagen lässt sich kein mathematisches Modell verwenden. Deshalb wurde die durch Windkraftanlagen im Jahr 2013 erzeugte Energie als Basis für die Berechnungen verwendet.
In der folgenden Grafik sind die Erträge pro Monat aufgeführt.
Diese Werte bilden die Grundlage für alle folgenden Berechnungen der Stromerzeugung durch Windkraftanlagen.
Stromerzeugung nach dem derzeitig gültigen EEG (Erneuerbaren Energiegesetz)
Nach dem derzeit gültigen EEG ist bei PV Anlagen eine weiterer, geförderter Ausbau von 2.500 MW Peak Leistung pro Jahr geplant. Dies bedeutet gegenüber den tatsächlichen Neuinstallationen der letzten Jahre eine deutliche Reduzierung.
Wenn sich an den gesetzlichen Grundlagen nichts ändert und der Ausbau planmäßig erfolgt dann würde dies bis 2050 einen Zubau von 87.500 MW bedeuten. Wenn alle heute existierenden PV Anlagen noch existieren bzw. ersetzt werden würde dies einen Gesamtbestand von 125.800 MW PV Leistung ergeben.
Damit würde sich die im folgenden Bild dargestellte Strommenge erzeugen lassen.
Nach dem derzeit gültigen EEG ist auch bei Windkraftanlagen ein weiterer geförderter Ausbau von 2.500 MW Nennleistung pro Jahr geplant.
Wenn sich an den gesetzlichen Grundlagen nichts ändert und der Ausbau planmäßig erfolgt dann würde dies bis 2050 einen Zubau von 87.500 MW bedeuten. Wenn alle heute existierenden Windkraftanlagen noch existieren bzw. ersetzt werden würde dies einen Gesamtbestand von 132.100 MW Leistung durch Windkraftanlagen ergeben.
Damit würde sich die im folgenden Bild dargestellte Strommenge erzeugen lassen.
Wie man in obigen Bildern sieht ist damit im Jahresdurchschnitt nur rund die Hälfte des derzeitigen Strombedarfs von 614 TWh gedeckt.
Für die PV Anlagen würde bei einem angenommen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 16% eine Fläche von 782 Quadratkilometern benötigt um die EEG Zielvorgaben für den Ausbau zu erreichen. Bei einem für die Zukunft angenommen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 20% bzw. 25% würde sich der Flächenbedarf auf 626 bzw. 500 Quadratkilometern reduzieren.
Diese Zahlen erscheinen auf den ersten Blick zwar sehr hoch, wenn man jedoch die Gesamtfläche der Bundesrepublik, 357.375 Quadratkilometer, dazu in Relation setzt, ist der Bedarf äußerst gering.
4.1.10 Die Landkarte der Stromerzeugung
Im Teilprojekt „„C/sells: Großflächiges Schaufenster im Solarbogen Süddeutschland“ des Bundesprojektes „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende“ wird genau diese Fragestellung untersucht:
„Das Schaufenster „C/sells“ überspannt im Süden Deutschlands die Bundesländer Baden-Württemberg, Bayern und Hessen und hat den Schwerpunkt „Solarenergie“… Kern des Schaufensters ist die Demonstration eines zellulär strukturierten Energiesystems, in dem regionale Zellen im überregionalen Verbund miteinander agieren. Die Größe der Zellen ist dabei sehr unterschiedlich. So können einzelne Liegenschaften oder ganze Verteilnetze solche Zellen bilden. Jede Zelle versorgt dabei subsidiär zunächst sich selbst, indem Energieerzeugung und Last möglichst direkt vor Ort ausgeglichen werden. Die verbleibenden Energiebilanzen werden dann mit anderen Zellen ausgetauscht, um so das Energiesystem insgesamt zu optimieren. Durch den Zellverbund entsteht dadurch eine effiziente und robuste Energieinfrastruktur.“ http://www.bmwi.de/DE/Themen/Energie/Netze-und-Netzausbau/sinteg.html)
4.2 Zukünftige Wärmeerzeugung in Deutschland
4.2.1 Tiefengeothermie
Der mögliche Beitrag der tiefen Geothermie zu einer nachhaltigen Energieversorgung wurde umfassend für einen Sachstandsbericht des Büros für Technikfolgen-Abschätzung (TAB) beim Deutschen Bundestag untersucht. Unter Berücksichtigung ökologischer, raumordnerischer und technischer Restriktionen wurde daraus das bis 2050 erschließbare technisch-ökologische Potenzial der geothermischen Stromerzeugung in Deutschland bestimmt. Im Jahr 2050 könnte demnach eine installierte Netto-Leistung geothermischer Anlagen von 6,4 Gigawatt elektrisch realisiert werden. Damit könnten ca. 50 TWh/a grundlastfähiger Strom erzeugt werden. Dieses Potenzial ist in Deutschland umweltverträglich erschließbar, positive Umwelteffekte lassen sich ebenfalls mit geothermischer Wärmeversorgung erzielen. [Studie „Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050“ des Umweltbundesamtes (2014), Seite 53 https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/07_2014_climate_change_dt.pdf]
Rentabel unter volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten ist diese Technologie allerdings bei weitem nicht.
Der Wärmebedarf in Deutschland lässt sich aus den in Kapitel 2.4 gemachten Ansätzen wie folgt bestimmen:
Private Haushalte: 115,5 TWh
Wirtschaft und Verwaltung: 444,6 TWh
Summe: 560,1 TWh
Beim Wärmebereich muss man zwischen Niedertemperaturbereich und Hochtemperaturbereich unterscheiden.
Energie im Niedertemperaturbereich lässt sich relativ leicht, zum Beispiel durch Solarthermie gewinnen.
[Im Hochtemperaturbereich, zum Beispiel bei der Stahlproduktion ist dies nur sehr eingeschränkt und aufwändig möglich (erfolgreich funktionierende Versuchsanlage in den frz. Pyrenäen). Deshalb muss dieser Temperaturbereich durch Strom bereitgestellt werden.] Konzept für Aluminiumgießerei: Solarturm Jülich: [http://www.kba-metalprint.com/fileadmin/user_upload/MetalPrint/Fachbeitraege/Dynamische_Hochtemperatur-Speicherung_0713.pdf]
4.2.2 Oberflächennahe Geothermie
(Wärmepumpen)
4.2.3 Solarthermie
4.2..4 Strombasierte Wärmeerzeugung
Literaturverweise:
4 Die Erzeugung der Energie von morgen
[4a]
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Entwicklung der erneuerbaren Energien
in Deutschland im Jahr 2015, Stand Februar 2016, Seite 11 und 7
https://www.erneuerbare-energien.de/EE/Redaktion/DE/Downloads/entwicklung_der_erneuerbaren_energien_in_deutschland_im_jahr_2015.pdf?__blob=publicationFile&v=12
[4b]
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Entwicklung der erneuerbaren Energien
in Deutschland im Jahr 2015, Stand Februar 2016, Seite 22 und 8
https://www.erneuerbare-energien.de/EE/Redaktion/DE/Downloads/entwicklung_der_erneuerbaren_energien_in_deutschland_im_jahr_2015.pdf?__blob=publicationFile&v=12
4.1.2 Stromerzeugung mit Klär- Deponie- und Grubengas
[4.1.2a]
Wupperverband:
http://www.wupperverband.de/internet/web.nsf/id/pa_de_klaergas.html und http://www.mwm.net/mwm-kwk-bhkw/mwm-kompetenzen/gas-loesungen/klaergas/ ]
[4.1.2b]
Wikipedia: Deponiegas
https://de.wikipedia.org/wiki/Deponiegas]
[4.1.2c]
Caterpillar Energy Solutions GmbH: Dezentrale Stromerzeugung mit Deponiegas
http://www.mwm.net/mwm-kwk-bhkw/mwm-kompetenzen/gas-loesungen/deponiegas/
[4.1.2d]
Evonik Industries: Energie aus Grubengas
https://www.steag-newenergies.com/index.php?id=455&type=0&jumpurl=fileadmin%2Fuser_upload%2Fsteag-newenergies.com%2Fprodukte_leistungen%2Fgrubengas%2FDE_Evonik_Grubengasbroschuere.pdf, Seite 4
[4.1.2e]
Foliensatz zur Energie-Info „Erneuerbare Energien und das EEG (2016)“
https://www.bdew.de/internet.nsf/id/20160222-energie-info-erneuerbare-energien-und-das-eeg-zahlen-fakten-grafiken-2016-de?open&ccm=500010045, Folie 2
[4.1.2f]
Interessenverband Grubengas e. V.: NRW – Grubengasverwertungsdaten
http://www.grubengas.de/german/verwertung_g.htm
4.1.4 Stromerzeugung mit Windkraftanlagen auf See
[4.1.4a]
siehe zum Beispiel
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Broschüre „Offshore-Windenergie“
http://www.erneuerbare-energien.de/EE/Redaktion/DE/Downloads/bmwi_de/offshore-windenergie.pdf?__blob=publicationFile&v=2
[4.1.4b]
Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2014), § 49 bis 51
https://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/eeg_2014/gesamt.pdf
und
Entwurf eines Gesetzes zur Einführung von Ausschreibungen für Strom aus erneuerbaren Energien und zu weiteren Änderungen des Rechts der erneuerbaren Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2016), § 49 http://bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/G/gesetzentwurf-ausschreibungen-erneuerbare-energien-aenderungen-eeg-2016,property=pdf,bereich=bmwi2012,sprache=de,rwb=true.pdf
[4.1.4c]
Status des offshore-Windenergieausbaus in Deutschland, Stand 31.12.2015, Seite 3
http://www.windguard.de/_Resources/Persistent/6863a8d0ae295aaa0e5e72419395edaf220dc1d0/Factsheet-Status-Offshore-Windenergieausbau-Jahr-2015.pdf
[4.1.4d]
Entwurf eines Gesetzes zur Einführung von Ausschreibungen für Strom aus erneuerbaren Energien und zu weiteren Änderungen des Rechts der erneuerbaren Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2016), § 4
http://bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/G/gesetzentwurf-ausschreibungen-erneuerbare-energien-aenderungen-eeg-2016,property=pdf,bereich=bmwi2012,sprache=de,rwb=true.pdf
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