Erneuerbar ist ein ziemlich trügerischer Begriff. Reflexartig fallen einem Synonyme wie grenzenlos, unerschöpflich, unermesslich, unendlich ein. Wozu ja auch beiträgt, dass Strom aus Solar- oder Windenergie mittlerweile spottbillig, ja beinahe umsonst zu produzieren ist und jüngste Nachrichten melden, dass die erneuerbaren Energien bis zu 50 Prozent zur deutschen Stromgewinnung beitragen. Es müsste also leicht auch noch die zweite Hälfte zu schaffen sein, oder?
Leider weist die Rechnung mehrere Fehler auf. Da wäre zunächst der Bezugsfehler: Zwar trugen die erneuerbaren Energien im letzten Jahr zu fast der Hälfte der deutschen Stromerzeugung bei, aber es ist eben nur der Strom gemeint, nicht der Gesamtenergiebedarf. Dieser speist sich aus den sämtlich uns zur Verfügung stehenden Energieträgern Mineralöl (35 %), Erdgas (25 %), Braun- und Steinkohle (18 %), Atomkraft (7 %) und erneuerbaren Energien (15%). Nur etwa ein Drittel der daraus gewonnenen Energie fließt in die Stromproduktion. Der weit aus größere Teil wird direkt für Heizung und Verkehr aufgewandt. Mit anderen Worten: Unser Gesamtenergiebedarf [1] wird aktuell nur zu 15 Prozent aus erneuerbaren Energien gedeckt; schlappe 15 Prozent, obwohl seit Jahrzehnten erneuerbare Energien ausgebaut werden.
Energiewende bedeutet, sich von fossilen Energieträgern zu verabschieden. Und das bedeutet wiederum, dass zukünftig nahezu der gesamte Energiebedarf verstromt werden muss. Sicher keine leichte Aufgabe, aber vermutlich in naher Zukunft machbar. Im Falle des E-Autos lässt sich der erfolgreiche Umstieg ja auch bereits erahnen. Die technologischen Fortschritte, vor allen Dingen bei der Batterietechnik, sind wirklich bemerkenswert und man kann davon ausgehen, dass in wenigen Jahrzehnten nur noch einige Oldtimer mit Verbrennern auf den Straßen unterwegs sein werden. In anderen Bereichen, etwa im Schiffs- und Flugverkehr, ist dies schon schwieriger vorstellbar.
Der zweite, weit aus größere Gedankenfehler liegt in der Überbewertung des Begriffes der erneuerbaren Energien. Es stimmt, solange die Sonne brennt, der Wind weht und das Wasser fließt, ist die daraus gewonnene Energie unerschöpflich. Allerdings sind hier scharf gesetzte Grenzen gesetzt. Um sich dies vor Augen zu führen, ist es zunächst wichtig zu wissen, wie hoch unser Gesamtenergiebedarf überhaupt ist.
Gemessen an Deutschland und das ganze Jahr ist die Zahl unvorstellbar hoch, also im wahrsten Sinne unvorstellbar hoch. Daher ist es sinnvoll, den Energiebedarf auf pro Kopf und Tag herunterzubrechen. Durchschnittlich sind dies für Deutschland 120 kWh pro Einwohner und Tag. Ist das viel oder wenig? Zur Beantwortung der Frage hier ein paar typische Energieverbräuche an einem durchschnittlichen Tag eines durchschnittlichen Haushalts: Ein sparsamer Laptop verbraucht 0,24 kWh in 8 Stunden [2], 10 Glühbirnen (E27, 14 Watt) verbrauchen zusammen in 10 Stunden 0,14 kWh, ein LED-Fernseher benötigt 0,9 kWh für einen Spielfilm [3], eine Waschmaschine 0,35 bis 1 kWh pro Waschgang [4], ein Geschirrspüler: 1,2 kWh pro Spülgang, ein mittelgroßer Kühlschrank: 0,4 kWh am Tag [5]. Wenn ich ein warmes Essen zubereiten möchte, kommen weitere 1 kWh [6] pro Person dazu. Zusammen ergibt das knapp 5 kWh. Hier fällt sofort die Diskrepanz zu den 120 kWh auf. Woher kommt dieser enorme Unterschied? Ganz einfach: Es ist viel weniger der Energieverbrauch bei der Verwendung, der ins Gewicht fällt, als der Energieverbrauch für die Herstellung. Um Computer, Fernseher, Kühlschränke und Co. zu produzieren, zu lagern und zu transportieren, benötigt man extrem viel Energie, die sogenannte graue Energie. Darüber hinaus braucht es eine entsprechende Infrastruktur: Straßen, Energie- und Kommunikationsleitungen, Fahr- und Flugzeuge. Aber selbst das alles zusammengerechnet würde noch nicht die ganzen 120 kWh erklären. Denn dazu kommen natürlich auch alle alle weiteren, zivilisatorischen Errungenschaften: Der Aufbau von Städten, Dörfern, der Landwirtschaft, Gebäuden, Straßen, öffentliche Einrichtungen, Parks, Krankenhäuser, Schulen, Universitäten, nicht zuletzt das Militär. Alles ist Material, alles ist Energie. All dies muss auf den Einzelnen heruntergerechnet werden.
Übrigens ist mit 120 kWh Gesamtenergiebedarf der Primärenergiebedarf gemeint. Darunter fällt die Energiemenge aller uns zur Verfügung stehenden Energieträger in Form von Erdöl, Erdgas, Kohle, Uran und natürlich den erneuerbaren Energien. Davon abweichend ist der Endenergiebedarf zu betrachten. Darunter versteht man diejenige Energiemenge, die vom Endverbraucher genutzt werden kann. Die Diskrepanz ist quasi der Schwund. So geht beispielsweise bei der Verstromung von Kohle im Kraftwerk ungefähr 50 % der Energie in Form von Abwärme verloren. Bei der Raffinerie von Erdöl zu Benzin oder Diesel schwindet die Energiemenge immerhin noch um circa 10 Prozent. Der Endenergiebedarf beträgt in Deutschland zwischen 80 und 90 kWh pro Person und Tag. Wenn man im Zuge der Energiewende zukünftig auf fossile Energieträger verzichtet, wird der Schwund vermutlich geringer ausfallen, weil thermische Prozesse eine wesentlich geringere Rolle spielen werden. Demnach ist es durchaus realistisch, von einem zukünftigen Verbrauch irgendwo zwischen 80 und 120 kWh, oder vereinfacht von 100 kWh, auszugehen. Im Übrigen ist der Gesamtenergieverbrauch seit Jahren recht konstant. Wir verbrauchen nicht unbedingt mehr, aber auch nicht unbedingt weniger Energie als vor fünf, zehn oder zwanzig Jahren.
Die alles entscheidende Frage lautet nun: Können die erneuerbaren Energien in der Zukunft überhaupt genügend Energie erzeugen, um diesen anhaltenden Bedarf von 100 kWh zu decken?
Die Beantwortung der Frage hängt sehr stark davon ab, welche einzelnen Energiequellen wir aktuell in Deutschland nutzen und welches Potenzial sie noch für die Zukunft bereithalten. Zur Erinnerung: Nur 15 Prozent unseres Gesamtenergiebedarfs decken wir derzeit durch erneuerbare Energien ab. Die wichtigsten Quellen sind dabei in absteigender Bedeutung: Biomasse (8 kWh), Windkraft (4,2 kWh) und Solarenergie (2 kWh). Der Rest wird durch Biokraftstoffe, Wasserkraft, Geothermie, Wärmepumpen und Abfälle erzeugt. Zusammen produzieren sie noch einmal 3,8 kWh. In Summe ergibt das 18 kWh. Wollten wir auf 100 kWh kommen, müssten wir uns auf die Quellen konzentrieren, die am stärksten ausbaufähig erscheinen. Aber hier sind viele Faktoren und Variablen noch ziemlich wackelig.
Ein Beispiel: Um die aktuell 2 kWh durch Sonnenenergie zu erzeugen (Photovoltaik und Solarthermie) werden gut 500 Quadratkilometer Fläche genutzt. Das ist ungefähr so viel wie die Flächen der beiden Städte Essen und Dortmund zusammen. Würde man nun versuchen, den Wert von 2 auf 20 kWh zu erhöhen, um den Anteil von Solarenergie auf 20 Prozent an der Gesamtenergie zu steigern, bräuchte man eine Fläche von 5.000 Quadratkilometern. Das ist mehr als die Flächen vom Saarland, Berlin, Hamburg und Bremen zusammen. Andererseits verfügt ganz Deutschland über eine Fläche von knapp 360.000 Quadratkilometern. Da klingen 5.000 eigentlich gar nicht sonderlich viel. Natürlich darf man nicht vergessen, dass der überwiegende Teil der Fläche bereits intensiv genutzt bzw. verbaut ist: Städte, Straßen, Ackerland, Forstwirtschaft. Dazu schließen sich natürlich Gewässer, Sumpfgebiete und schwerzugängliche Gebirge weitestgehend aus. Gut eignen sich Dächer. Davon haben wir in Deutschland immerhin etwa 1.500 Quadratkilometer. Bislang ist ihr Potenzial aber nicht einmal ansatzweise genutzt. Zwar sieht man insbesondere in Vorstädten und Dörfern immer wieder einmal Solarpanele auf den Dächern von Einfamilienhäusern, in den Großstädten (wo die meisten Häuser und Dächer nun einmal sind) sind sie aber immer noch viel zu selten vorzufinden.
Mit weit aus weniger Fläche kommen da schon Windkraftanlagen aus. Von ihnen gibt es derzeit in Deutschland ungefähr 30.000 an Land und 1.500 auf See. [7] Zwar erreichen sie zusammen mit gut 4 kWh nur Platz 2 unter den erneuerbaren Energiequellen, aber vermutlich bieten sie das mit Abstand größte Potenzial für die Zukunft. Im Vergleich zu Solarenergie besitzen moderne Windräder nämlich mit rund 50 % einen wesentlich höheren Wirkungsgrad. Noch viel interessanter ist aber der Zusammenhang zwischen drei physikalischen Einflussfaktoren und der Höhe der Energieausbeute. Da wäre zum einen die Stärke des Windes. So bewirkt die bloße Verdopplung der Windgeschwindigkeit bereits eine achtfache Energieausbeute! Genau das erklärt, warum Windräder besonders in windstarken Regionen und offshore so viel nützlicher sind. Aber damit noch nicht genug: Denn durch die Verdopplung des Durchmessers der Rotorblätter erreicht man wiederum eine Vervierfachung der Energieausbeute. Und zu guter Letzt führt ein doppelt so hohes Windrad immerhin noch zu einer 1,5-fachen Erhöhung. Man stelle sich nun vor, wie viel Energie jedes einzelne, neu errichtete Windrad liefern würde, wenn man alle drei Faktoren miteinander kombinierte. Angenommen man würde die aktuelle Anzahl von gut 30.000 Stück in den kommenden Jahren verdoppeln oder sogar verdreifachen, und zwar möglichst auf See, wären damit Energiemengen von 20, 30 oder gar 50 kWh pro Person und Tag denkbar.
Biomasse liefert aktuell noch mit 8 kWh den höchsten Beitrag der erneuerbaren Energien. Allerdings ist ihr Potenzial bereits weitestgehend ausgeschöpft. Denn würde man versuchen, den Wert signifikant zu steigern, müsste man dafür einen großen Teil heutiger Forst- und Ackerflächen opfern. Flächen, die uns dann für die Nahrungsproduktion und Forstwirtschaft fehlten. Nicht viel besser sieht es mit der Wasserkraft in Deutschland aus. Mit gerade einmal 0,7 kWh ist ihr Potenzial weitestgehend ausgereizt. Mit Zuwächsen ist allenfalls noch im Kommabereich zu rechnen.
Deutlich besser sieht die Situation für die Geothermie aus, denn deren Möglichkeiten sind noch weitestgehend unausgeschöpft. Wärmepumpen entwickeln sich daher im Moment zu einem echten Renner. Grund dafür ist ihre erstaunlich gute Energiebilanz. Vereinfacht ausgedrückt funktionieren sie nach dem Prinzip eines umgekehrten Kühlschranks, indem man mit Hilfe von Strom Wärme entweder dem Boden oder der Außenluft entnimmt und diese dorthin pumpt, wo sie gebraucht wird. Unter optimalen Bedingungen können so aus 1 kWh Strom 5 kWh Wärme erzeugt werden. Damit sind Wärmepumpen prädestiniert für die Wärmeversorgung von Gebäuden und sogar E-Autos. Besonders dann, wenn sie mit Solarzellen kombiniert werden, bilden sie ein perfektes Substitut zu bisherigen Gas- und Ölheizungen. In Neubauten gehören Wärmepumpen daher auch schon zum Standard.
Zeit für eine erste Zwischenbilanz. Fast man das Energiepotenzial der erneuerbaren Quellen zusammen, kommt man, zumindest theoretisch, auf eine recht beachtliche Energiemenge. Es ist also prinzipiell vorstellbar, dass irgendwann in den nächsten Jahrzehnten die 100 kWh erreicht werden. Allerdings steht das Ganze auf sehr wackligen Füßen. Denn was sich auf dem Blatt Papier allein für die Sonnen- und Windenergie noch recht plausibel annimmt – die Verzehnfachung der Solarzellen und die Verdopplung der Windräder, scheint in der Umsetzung ein riesiger Kraftakt zu sein. Nur ein kurzer Blick auf das bisher Erreichte: Seit dem 1000-Dächer-Programm zum Anfang der 1990er Jahre sind über 30 Jahre vergangen. In dieser Zeit wurde gerade einmal eine Fläche von 500 Quadratkilometern mit Solarzellen erschlossen. Wie realistisch ist es da, in wesentlich kürzerer Zeit die zehnfache Menge zu erreichen? Da gibt sich die bloße Verdopplung der Anzahl der Windräder geradezu bescheiden. Aber auch hier sieht die Realität bekanntermaßen anders aus. In vielen Landstrichen wird mitunter um jedes einzelne Windrad auf politischer Ebene hart gekämpft. Selbst wenn Einigung erlangt wird, scheitert es noch zu oft an den langsam mahlenden Mühlen der Bürokratie.
Eine weitaus größere Herausforderung stellt jedoch die Abhängigkeit der Sonnen- und Windenergie von äußeren Faktoren dar. Solarthermie und Photovoltaikanlagen liefern nur Strom und Wärme, wenn die Sonne auch scheint. Während Solaranlagen tagsüber Energie erzeugen, sinkt die Ausbeute nach Sonnenuntergang sofort auf Null. Zudem hängt ihr Wirkungsgrad sehr stark vom Wetter, dem Einstrahlungswinkel, dem Breitengrad und der Luftverschmutzung ab. Größtes Problem im Zuge des zukünftigen Ausbaus sind aber jahreszeitliche Schwankungen: Sommers sind die Tage lang, winters kurz. Stand und Intensität der Sonne verändern sich mit den Jahreszeiten. Aus diesem Grund erreicht uns zwischen November bis Januar nur ein Sechstel der Sonnenenergie wie zwischen Mai und Juli. [8]
Weniger tages- und jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen ist die Windenergie. Allerdings weht Wind bekanntermaßen selten gleichmäßig, sondern je nach Wetterlage und Standort mal stärker, mal schwächer. Besonders problematisch wird es dann, wenn über weite Landstriche hinweg gleichzeitig weder die Sonne scheint, noch der Wind weht. Das gemeinsame Auftreten beider Faktoren nennt man eine Dunkelflaute. [9] Sie kommt zwar selten vor, kann aber unter Umständen mehrere Tage anhalten und damit zu einem sehr großen Problem werden.
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Literatur / Quellen:
[1] Gemeint ist hier der Primärenergiebedarf, also die benötigte Gesamtenergiemenge, die aus allen Energieträgern und -quellen gewonnen wird. Für die Stromerzeugung wurde ein Anteil von bis zu 50 Prozent in jüngster Zeit realisiert. Allerdings muss man bedenken, dass durch die Umstellung von fossilen auf erneuerbare Quellen der Bedarf an Strom enorm steigen wird, da die benötigte Energie nun nicht mehr aus Benzin, Diesel oder Heizöl gewonnen werden soll, sondern durch Strom.
[2] https://www.energie.web.de/ratgeber/verbrauch/stromverbrauch-laptop/
[3] https://stromrechner.com/stromverbrauch-fernseher/
[4] https://stromrechner.com/stromverbrauch-waschmaschine/
[5] https://stromrechner.com/stromverbrauch-kuehlschrank/
[6] Erneuerbare Energien zum Verstehen und Mitreden
[7] https://de.statista.com/statistik/daten/studie/270856/umfrage/installierte-windenergieleistung-auf-see-in-deutschland/
[8] Christina Holler, Joachim Gaukel, Harald Lesch, Florian Lesch, Erneuerbare Energien zum Verstehen und Mitreden, C. Bertelsmann, 2021, Kap. Überblick Sonne
[9] Ulrike Herrmann, Das Ende des Kapitalismus – Warum Wachstum und Klimaschutz nicht vereinbar sind – und wie wir in Zukunft leben werden, Kiepenheuer & Witsch, 2022, Kap. 11. Leider nicht verlässlich: Sonne und Wind