Erneuerbare Energien Teil 2: Die Photovoltaik, das Universum und der ganze Rest

Im zweiten Teil unserer Energieübersicht widmen wir uns dem zweiten großen Hoffnungsträger der Erneuerbaren, der Sonnenenergie. Außerdem: der ganze Rest

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Großes Scheunendach mit Ausrichtung gen Süden: Da kommt ordentlich Strom zusammen übers Jahr, und die Fläche war ohnehin schon versiegelt.

(Bild: Clemens Gleich)

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Der erste Teil dieses Artikels widmete sich der Windkraft, anhand derer der Leser auch einen Eindruck erhielt von den verwendeten Maßgrößen. Sie sollten ihn daher vorher lesen, um anfängliche Desorientierung zu vermeiden.

Nachdem der mentale Größenordnungsmuskel im Winddruck gedehnt ist: Wie sieht es mit Photovoltaik (PV) aus? Die Sonnenenergie gehört seit den Anfängen der Erneuerbaren zu den Hoffnungsträgern der Energiewende, weil sie selbst im vergleichsweise schattigen Deutschland so viele Vorteile bietet. Es beginnt schon bei der verfügbaren Energie. Die jährlich aufsummierte Globalstrahlung (also der Bruttoeintrag reiner Sonnenenergie am Boden) liegt in Deutschland laut Deutschem Wetterdienst bei über die Jahre gemittelt etwas über 1000 kWh / m².

Der Wirkungsgrad von PV-Modulen liegt bei 10 bis 22 Prozent, je nach Bauweise und Kosten. Nehmen wir gute 20 Prozent an. Dann sind wir bei 200 kWh / m² pro Jahr, was einer gemittelten Dauerleistung von 23 W / m² entspricht. Nicht schlecht! Also: im Vergleich zur Windkraft. 15.105 km² würden damit ausreichen, um unseren gesamten Primärenergieverbrauch von 3021 TWh (unter der Annahme, dass wir unseren Bedarf auf 100 kWh pPpT senken) zu decken, also unter 5 Prozent der deutschen Landfläche. Wir lassen jeden Verlust durch Schatten und jeden Gewinn durch Neigung in der Schätzung einmal weg, um die Rechnung zu vereinfachen.

Die Sonne liefert auch in unseren Breitengraden ordentlich Energie – leider fast alles im Sommerhalbjahr.

(Bild: Deutscher Wetterdienst)

Anders als bei Windrädern ist der Boden darunter nicht mehr so einfach anderweitig zu nutzen, wie Freiflächenanlagen zeigen. Ein guter Start daher: PV auf alle Dächer. Die TU München hat in einer Studie das Dach-PV-Potenzial für ganz Deutschland auf 161 GWp geschätzt. Das kleine “p” steht für “peak” der Wert steht also für die installierte Nennleistung. Der Ertrag hängt vom Sonnenschein ab. In Deutschland erntet man normalerweise rund 800 bis 1000 Wh pro Jahr pro installiertem Wp. In der Schätzung der TU München enthalten sind alle halbwegs geeigneten Dachflächen aller privaten und öffentlichen Häuser abzüglich der Flächen für bestehende Solarthermieanlagen. Sie enthält als maximale Potenzialschätzung auch alle Dächer, auf denen schon Panels liegen. Aus 161 GWp installierter Leistung könnten wir in unseren Breitengraden pro Jahr 130 bis 161 TWh ernten.

Andere Studien (z. B. die des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie) gehen von einem deutlich niedrigeren Dachflächenpotenzial aus. Es ist trotzdem eine ausgezeichnete Idee, denn Dachflächen sind bereits versiegeltes Land und der Strom kann direkt unter dem Dach verbraucht (und in Batterien gepuffert!) werden, was die Netze entlastet. Kontext: Laut Fraunhofer waren 2019 in Deutschland 49 GWp installiert. Sie deckten gut 8 Prozent des deutschen Stromverbrauchs, also 1,6 Prozent des Gesamtenergiebedarfs.

Wir sehen demnach auch hier: Die einfachen Lösungen, die gern vorgeschlagen werden, reichen nicht aus. Es reicht auch nicht aus, wenn jeder ein Scherflein beiträgt. Wir brauchen Energie im großen Stil. Über 15.000 km² in Deutschland zu finden für über 3000 TWh im Jahr, das wird sicher nicht einfach. Zur Einordnung: Die weltweit installierte Solarleistung lag laut Fraunhofer Ende 2019 bei etwas über 600 GWp. Das würde in etwa unseren Strombedarf decken. Für unseren etwas niedriger als aktuell geschätzten deutschen Gesamtenergiebedarf benötigen wir grob das Fünffache der aktuell weltweit installierten Solarleistung – unter der rein theoretischen Annahme für dieses Gedankenspiel, dass alle Energie aus PV gedeckt werden müsste. Wie beim Wind wird es natürlich keine solche Einzellösung werden, es geht zunächst um das Verständnis der Größenordnungen.

Eine mögliche Lösung für das Platzproblem könnten halbtransparente oder mit größerem Abstand gestellte Solarpanels sein, die auf Äckern stehen (Agro-Photovoltaik). Sie lassen einen Teil des Sonnenlichts zu den Pflanzen darunter durch und sie stehen so, dass der Regen auch die Wurzeln der Pflanzen unter den Panels erreicht. In ersten Tests hat sich das als leicht positiv auf die Ernte ausgewirkt, weil weniger Wasser verdunstet. Die Idee befindet sich im Versuchsstadium. Erweist sie sich als tragbar, brauchen wir wesentlich mehr Solarfläche, aber die Hälfte Deutschlands besteht ohnehin aus Agrarflächen. Da sollte sich genug finden lassen. Die größere Hürde ist der Umstand, dass im Sommer viel Sonne da ist und im Winter fast nichts. Deshalb ist es sinnvoll, PV UND Wind zu installieren (im Winter weht mehr Wind). Dennoch müssen Schwankungen und Flauten ausgeglichen werden. Hier ist noch viel Arbeit zu tun. Die aktuelle Fraunhofer-Übersicht kommt zum Schluss:

“Solange keine nennenswerten Strom-zu-Strom-Speicherkapazitäten oder Speicherwasserkraftwerke im Netz zugänglich sind, reduzieren PV- und Windstrom zwar den Verbrauch an fossilen Brennstoffen, die Energieimporte und den CO2-Ausstoß, sie ersetzen aber keine Leistungskapazitäten. Die Nagelprobe sind windstille, trübe Wintertage, an denen der Stromverbrauch Maximalwerte erreicht, ohne dass Sonne- oder Windstrom bereitstehen.“

Dennoch kommt ausgerechnet der Mineralölkonzern Shell zum Schluss, dass PV nach 2050 der wichtigste Primärenergieträger werden kann. Was letztendlich passieren wird, liegt an den künftig gesetzten Prioritäten.

Energienachfrage der Bürger und Energielieferungen der Sonne decken sich selten. Wir brauchen also Speichersysteme. Das gute alte Pumpspeicherkraftwerk kennt jeder Schüler: Bei Überenergie pumpt es Wasser elektrisch auf ein höheres Niveau. Bei Mangel lässt es dieses Wasser durch eine Turbine rauschen zur Stromproduktion. Die Effizienz liegt bei etwa 70 Prozent. Laut dem Bundesverband Energiespeicher waren 2016 31 Anlagen mit insgesamt knapp 6,4 GW Pumpspeicherleistung und 37,4 GWh Kapazität installiert. Weitere 40 GWh sind in Planung. Studien sehen Potenzial für noch weitere 100 GWh in Deutschland.

Pumpkraftwerke zeigen, dass wir prinzipiell selbst mit steilen Regelkurven umgehen können. Traditionell treten die auf, wenn eine Mehrzahl der Leute aufsteht und Kaffee kocht. Nachts gibt es weniger Nachfrage. Früher gab es daher sehr günstige Nachtstromtarife. Ein Pumpkraftwerk pumpte mit diesem billigen Strom und verkaufte erzeugten Strom zum Spitzenpreis tagsüber. Das war lange Zeit ein sehr gutes Geschäft. Der Schwankungsverlauf ist jedoch viel komplexer geworden.

Die Nachfrage nach Strom wird in der Nacht steigen, wenn Leute nach der Arbeit E-Autos aufladen. Tagsüber muss nicht nur der Bedarf ausgeregelt werden, sondern auch der variable Eintrag aus EE-Techniken. Die Regeltechnik müsste sich dem anpassen, und die Gesetzgebung für Pumpspeicher ebenfalls. Da die Anlagen sehr groß sind, waren sie in der Vergangenheit nicht besonders beliebt unter Umweltschützern. Wir bräuchten jedoch bei rein erneuerbaren Energien mehr davon. Viel mehr. Wahrscheinlich so viel, dass es nicht die sinnvollste Lösung ist. Oder wir finden Lösungen, die Anlagen schöner, mit Mehrfachnutzen in die Kulturlandschaft zu integrieren.

Wasserkraftwerke (im Bild das Rheinkraftwerk Rheinfelden der EnBW) können vergleichsweise zügig ein- und ausgeschaltet werden, sodass auch sie zur Regelung beitragen können. Bei einer Abregelung fließt nur eben CO2-neutraler Strom nicht, das ist also weniger hilfreich als Speicherung.

(Bild: EnBW)

Die Pufferleistung heutiger EE-Anlagen stellen meistens regelbare Wärmekraftwerke zur Verfügung. Sie verlieren durch das Abregeln zwar ein paar Prozent Effizienz, das gleicht der EE-Strom jedoch mehr als aus. Doch sie verbrennen hauptsächlich fossile Brennstoffe. Die im Hinblick auf die nötige Decarbonisierung beste Variante ist das Gaskraftwerk, denn Erdgas verbrennt bei selber Wärmeabgabe mit deutlich weniger CO2 im Abgas als Kohle. Eine Idee ist daher, überschüssigen Strom per Elektrolyse in Wasserstoffgas zu wandeln, das zu Methangas zu katalysieren und so zu speichern ("Power to Gas"). Diesen Speicher können die installierten Gaskraftwerke dann rückverstromen, und nebenbei fiele eine Wasserstoff-Wirtschaft ab, um zum Beispiel LKW mit Brennstoffzellen zu betreiben.

Das Problem hier: Die Effizienz von Power to Gas to Power liegt selbst unter günstigen Annahmen nur bei 25 bis 30 Prozent. Dieser Wert liegt so niedrig, dass der Prozess nur dann sinnvoll ist, wenn der Strom wirklich nicht anderweitig verwendet werden könnte. MacKay schlägt in seinem Buch Sustainable Energy Without the Hot Air vor, Müllverbrennungs- und Biogasanlagen als Regelkapazität zu verwenden. Da Deutschland davon recht viel hat (in 2019 stammte 9 Prozent des Stroms aus Biomasse), taugt die Idee für uns wahrscheinlich noch deutlich besser als für die Briten.

Gaskraftwerke wie dieses der RWE (Emsland) leisten heute den Löwenanteil der Regelung für erneuerbare Quellen wie Wind und Sonne. Für die Langstrecke müssen wir uns aber auch hier etwas überlegen, das keine fossilen Brennstoffe verstromt.

(Bild: RWE)

Eine große Hoffnung liegt auf feiner granular regelbaren Netzen voller Elektroautos. Wenn es genug davon gibt, können sie die EE-Schwankungen im Tagesverlauf komplett ausgleichen (nicht jedoch Komplettflauten von mehr als ein paar Stunden). Der dazugehörige Ausbau der Lade-Infrastruktur auf das Niveau: "fast jeder kann nachts anstecken" ist sowieso nötig, wenn alle E-Autos fahren sollen. Zwar müssen die Menschen angesichts typischer Fahrleistungen nicht jeden Tag laden, doch ein nicht angestecktes Auto trägt auch nicht zur Regelkapazität des Subnetzes bei.

Es muss jedoch darüber hinaus Großspeicheranlagen geben, um etwa mehrtägige Flauten auszugleichen. Schwungradsysteme, Stationärbatterien (Redox Flow oder Li-Ion), Wärmespeicher, auf diesem Gebiet wimmelt es von Ideen. Egal wie: Für ein Leben allein aus erneuerbarer Energie braucht Deutschland massiv zusätzliche Speicher- und/oder Regelkapazitäten. Die müssen jedoch ohnehin schrittweise mit dem EE-Ausbau installiert werden, das schreibt der Bund den Regelnetzbetreibern vor. Unter anderem dafür zahlen die Haushalte das Netzentgelt.

Die Idee ist ebenso alt wie gut: In Wüsten gibt es viel Sonne und wenig Menschen. Nutzen wir sie zur Stromerzeugung. Also, die Wüsten natürlich. Die meisten von uns haben wahrscheinlich schon einmal Bilder gesehen à la "Wir brauchen nur so ein bisschen Wüste für allen Strom der Welt" mit einem kleinen Kästchen auf der Landkarte. Die meisten dieser Bilder enthalten (wenn sie überhaupt ansatzweise stimmen) nur den Stromverbrauch der Welt, ohne unseren massiv viel größeren fossilen Energieverbrauch, den wir ja decarbonisieren möchten.

MacKay kommt für den aktuellen Weltenergieverbrauch auf einen Kasten mit 1000 km Seitenlänge. Öffnen Sie ruhig einmal Maps, spielen Sie herum. Die Sahara ist groß, das passt da schon rein. Doch das Unterfangen ist gigantisch. Wenn dereinst jeder Erdenbürger leben wollte wie ein Europäer heute (also mit 125 kWh pPpT), müssten es zwei solche Kästen sein. Für die Energieversorgung von Europa und Nordafrika kommt MacKay auf eine Größe in etwa der Bundesrepublik Deutschland, die nur aus Solarkollektoren bestünde.

Ich schreibe das nicht zur Entmutigung. Solarkraft in der Wüste ist eine sehr gute Idee. Ich gehe fest davon aus, dass schlaue Wüstenländer in Zukunft Solarenergie verkaufen statt Ölenergie. Die Frage ist hier nur, wie stark Deutschland von Energieimporten abhängig sein will. Die heutige Abhängigkeit ist einerseits so groß, dass Chancen zur Reduzierung ergriffen werden sollten. Andererseits scheint in Bottrop im Januar einfach nicht so viel Sonne wie in Tamanrasset. Es wird ein Mix werden.

Als Technik bietet sich Solarthermie mit integriertem Wärmespeicher an, denn so ein Kraftwerk kann Tag und Nacht durchlaufen, bringt also den Speicher schon mit. Durch die geringere Leistungsdichte pro m² würde der Kasten dadurch natürlich größer. Dazu kämen Stromleitungen in gigantischen Ausmaßen. Es ist denkbar, aber weder so klein noch so einfach, wie wir es uns wünschen würden.

Wir sind sehr viele Menschen geworden. Die Biomasse allein unserer Art liegt neunmal so hoch wie alle wilden Säugetiere und Vögel zusammen. Dazu kommen unsere Nutztiere, deren Biomasse noch einmal fast doppelt so hoch liegt wie unsere (Datenstand 2018, Universität New Jersey). Wir bekommen langsam Platzprobleme. Wenn ich hier so fröhlich die Zahlen raushaue, denkt der Leser schnell "ach ja, so viel leeren Platz gibt es ja auf der Welt wohl noch".

"Leer" beschreibt jedoch meistens die schwindenden Rückzugsorte für nichtmenschliche Organismen an Land, die nicht von und mit menschlichen Abfällen überleben können. Wenn wir also von Solaranlagen in Nationengröße sprechen, heißt das auch, dass diese Flächen häufig für Anderes nicht mehr zur Verfügung stehen. Daher mein Gewicht auf Agro-PV und Windräder auf Äckern. Aus denselben Gründen kehren jedoch aktuell Umweltschützer in den USA den großflächigen Erneuerbaren als alleinige Energieerzeuger den Rücken und wenden sich wieder der Kernkraft zu.

Das alte Kernkraftwerk Neckarwestheim der EnBW kuschelt sich in seine Senke. Es wird bereits zurückgebaut. Atomkraftausbau ist aktuell politisch kaum durchsetzbar.

(Bild: EnBW)

Weltenergie aus Kernkraft heißt wahrscheinlich: Der inhärent sicherere Leichtwasserreaktor fällt als Haupttechnik langfristig raus. Dieser Typ verbraucht zu viel Uran, sodass die Menschheit eine neue Ressourcenkrise ansteuern könnte. Wir brauchen Brutreaktoren oder etwas Besseres – auf jeden Fall eine Technik, die a) mehr Energie aus Uran holt und b) bestehenden Atommüll abverbrennen kann. So könnten wir hunderte Jahre Energie erzeugen. Kernkraft ist die Technik mit der höchsten Energiedichte, dem daraus folgend geringsten Flächenverbrauch, und sie trägt keinen Kohlenstoff in die Atmosphäre ein.

Ein massiver Ausbau der Kernenergie, wie er auch in sinnvoll gemischten CO2-neutralen Szenarien mit viel Wind und Sonne nötig wäre, scheint mir in der aktuellen gesellschaftlichen Stimmung allerdings schwer durchsetzbar. Ich meine: Brüter, das war für meine Generation Tschernobyl. Atomkraft generell, das war für die nächste Generation Fukushima. Atomkraft ist der Pariah unter den Energiequellen. Deren Ausbau vorzuschlagen, ja selbst: nur deren Loblied zu singen, das grenzt an politischen Selbstmord. Vielleicht denken folgende Generationen darüber wieder anders.

Mit den hier geschehenen einfachen Überschlägen der Zahlen wird klar: Das Projekt "Decarbonisierung der gesamten Energie" greift viel weiter, als sich die meisten Menschen das vorstellen. Dabei haben wir über die großen kommenden Probleme der Ernährung noch gar nicht über die Energie hinaus gesprochen. Es gibt keine einfachen Lösungen, doch immerhin gibt es überhaupt Lösungen. Schwierige Lösungen sind besser als gar keine. Schauen wir uns noch ein paar Szenarien an, die sicher in der Diskussion auftauchen.

Können wir zum Beispiel mit viel weniger Energieverbrauch leben? Sicherlich. Das taten wir über Jahrtausende. Die Frage nach dem Können ist daher wohl die falsche. Die Frage ist, ob wir hinreichend Motivation haben, es zu tun. Und da zweifle ich. Gehen wir einmal von der Hälfte meines angenommenen Verbrauchs aus, von 50 kWh pPpT. Das ist (bereinigt auf dieselben Effizienzverbesserungen, die ich für Deutschland annahm), ungefähr das Niveau von Serbien, Kroatien und Thailand – Länder mit urbanen Zentren, aber auch sehr viel sehr traditionell betriebener Landwirtschaft.

Leben wie in Thailand oder Kroatien hört sich nicht tragisch an, doch ich zweifle, ob sich der durchschnittliche Europäer wieder auf so ein Energieniveau einlassen möchte. Im Gegenteil geht die Entwicklung in die andere Richtung: Länder mit niedrigerem Energieverbrauch streben das europäische Niveau an, und wer soll es ihnen verdenken? Zur Einordnung der 50 kWh: MacKay schätzt einen 80 Prozent vollen Interkontinentalflug von 10.000 km im Jahr auf rund 30 kWh pPpT. Dann dürfte der hypothetische Reisende im selben Jahr noch auf heutigem Niveau Strom verbrauchen, aber nirgendwo hinfahren, nichts essen und nichts kaufen.

Stromverbrauch einiger Länder, die auf das europäische Niveau hinarbeiten. Bei der Gesamtenergie sieht der Trend auch so aus.

(Bild: Weltbank)

Kerosin ist billig, Deutsche reisen gern, 10.000 km und mehr sind schnell beisammen. Selbst ohne Flüge: Ich halte eine Einschränkung auf die Hälfte für eher unwahrscheinlich. Die reicheren Länder werden ihre Effizienz etwas verbessern, die aufstrebenden Länder erhöhen gerade alle massiv ihren Energieverbrauch. Auf welchem Niveau sich das weltweit einpendelt, kann heute niemand sagen. Wahrscheinlich eher in Richtung 100 kWh pPpT als 50. Zu CO2-Kompensationszahlungen nur zwei Sätze: Das sind lieb gemeinte Feigenblätter. Wir brauchen mehr als Feigenblätter.

Letztendlich wird es auf eine Mischung aller möglichen Energietechniken von Atomkraft bis Windenergie hinauslaufen, und wie selbst Shell es projiziert, werden Wind und Sonne irgendwann den Löwenanteil ausmachen. Über den konkreten Wert der Fusionsenergiekonstante streitet die Witzexpertenwelt. Doch kaum jemand streitet ab, dass die Verlockung einer Fusionsenergiewende in stets konstanter Entfernung vor uns baumelt wie die Karotte vor dem Zugesel. Nehmen wir es als schönes Geschenk hin, wenn wir am Ende einer langen Fahrt die Karotte kriegen sollten und planen zwischenzeitlich nicht mit ihr.

Hoffentlich haben Sie einen Eindruck einiger Größenordnungen gewonnen. Der ist nötig, wenn es darum geht, die Implikationen einer Decarbonisierung der vollständigen Energiebedarfe zu verstehen. Dass sie nötig ist, darüber sind sich fast alle Experten einig. Alle beschriebenen Probleme sind mit bestehender Technologie lösbar. Sie sind nur sehr, sehr groß. Davon kann man sich einerseits entmutigen lassen, andererseits kann man sich auch einen Umstand ins Gedächtnis rufen: Wir Deutsche verbrauchen heute schon so viel Energie. Die Infrastruktur von Erdöl im Boden bis zu Benzin im Tank haben Menschen gebaut. Sie können also auch etwas Anderes bauen, selbst wenn das größer ist.

Den ersten Teil, in dem sich alles um die Nutzung von Windkraft dreht, finden Sie hier.

(cgl)