Die Zukunft ist erneuerbar: Eine neue Ära der Energieerzeugung

Quick Facts: Zukunft der Erneuerbaren Energien

Von der Solarenergie, die das unerschöpfliche Potenzial der Sonne nutzt, über die Windkraft, die uns mit grünerer Energie aus natürlichen Luftströmungen versorgt, bis hin zu dem Stromspeicher, in dem überschüssige Energie gespeichert wird, um sie zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen, haben erneuerbare Energien bereits bewiesen, dass sie eine zuverlässige und nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen sind.

Aber das ist nur der Anfang. Die Vielfalt der erneuerbaren Energien bietet uns eine breite Palette von Möglichkeiten, um unsere Energieversorgung zu revolutionieren. Die Welt befindet sich in einem raschen Wandel und mit ihm verändern sich auch unsere Methoden zur Energieerzeugung und -nutzung. Erneuerbare Energien wie Wind, Sonne und Wasserkraft haben sich in den letzten Jahren zu einer der wichtigsten Säulen der deutschen und globalen Energieversorgung entwickelt. Die Vorteile liegen klar auf der Hand: Wir können grüne Energie, die aus einer unerschöpflichen Quelle stammt und die Umwelt schont, nutzen. Die Zukunft der Energieerzeugung liegt im Bereich der erneuerbaren Energien.

In den nächsten 10 Jahren wird die Energiewende weiter voranschreiten und die Erzeugung von erneuerbaren Energien wird sich kontinuierlich erhöhen. Laut Daten von Statista vom März 2023 lag der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung in Deutschland bereits bei etwa 55,2%. Im Jahr 2022 betrug der Anteil der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen am gesamten deutschen Bruttostromverbrauch noch bei rund 46,2 Prozent. (Quelle: Monatlicher Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung in Deutschland bis 2023 | Statista)

Immer mehr Unternehmen und Privathaushalte setzen auf erneuerbare Energien und investieren in Technologien, die eine effizientere Erzeugung und Nutzung von Energie ermöglichen. Diese Investitionen zeigen bereits positive Auswirkungen: Die Kosten für Solarenergie und Windenergie sinken kontinuierlich und werden schon bald ohne finanzielle Unterstützung durch Subventionen wettbewerbsfähig im Vergleich zu fossilen Brennstoffen sein. (Quelle: Handelsblatt)

Die Energiewende wird nicht nur die Umwelt schützen, sondern auch die Kosten für die Energieerzeugung senken und neue Arbeitsplätze schaffen. Darüber hinaus wird sie den Weg für eine nachhaltige und dezentrale Energieversorgung ebnen, die mehr Menschen auf der ganzen Welt Zugang zu Energie bietet. (Quellen: Erneuerbare Energien senken den Strompreis deutlich! – Agentur für Erneuerbare Energien (unendlich-viel-energie.de) / Ausbau der erneuerbaren Energien schafft Arbeitsplätze (rnd.de))

Zukunft der Solaranergie

Der Zubau von erneuerbaren Energien in Deutschland hat in den letzten Jahrzehnten ein beeindruckendes Wachstum verzeichnet.

Doch um diese rasante Entwicklung noch mehr zu beschleunigen und dieses Potenzial zu erschließen gibt es politische Initiativen, wie die Einführung einer allgemeinen Solarpflicht. Das Bundesland Baden-Württemberg geht dabei als Vorreiter voran und führt als erstes Bundesland eine Solarpflicht für Wohn- und Nicht-Wohngebäude ein. Seit Anfang 2023 gilt diese Pflicht auch für Sanierungen. Das bedeutet, dass Hausbesitzer nun verpflichtet sind, eine Solaranlage zu installieren, wenn sie ihr Dach umfassend sanieren lassen. Quelle: Photovoltaik-Pflicht für alle neuen Wohngebäude ab 1. Mai: Baden-Württemberg.de (baden-wuerttemberg.de) / Energieminister wollen PV-Pflicht für alle Neubauten – dhz.net (deutsche-handwerks-zeitung.de))

Heute haben wir das Glück, dass es unzählige Arten von Photovoltaiklösungen gibt, die für jeden Einsatzbereich geeignet sind. Zum Beispiel die Kombination von Solaranlagen und landwirtschaftlichen Flächen, bekannt als Agri-PV, erfreut sich zunehmender Beliebtheit. Auf solchen Feldern und Plantagen, auf denen gleichzeitig Getreide oder Obst angebaut wird, bietet dies zahlreiche Vorteile. Die PV-Module dienen als Schutzschild für die darunter wachsenden Pflanzen, indem sie sie vor schädlichen Wetterbedingungen wie Hagel, Starkregen oder intensiver Sonneneinstrahlung bewahren. Neben der Nutzung von Dächern eröffnen auch Fassaden hervorragende Möglichkeiten zur platzsparenden Installation von PV-Modulen.

Fortschritte im Bereich der Solarphotovoltaik: Bifaziale Solarmodule

Die Solarenergie ist eine äußerst kostengünstige Technologie im Bereich erneuerbarer Energien. Sie verwandelt direkte Sonnenenergie in elektrische Energie, indem Solarzellen das Sonnenlicht einfangen und die darin enthaltenen Elektronen in Bewegung versetzen, was zur Stromerzeugung führt. In den vergangenen Jahren konzentrierten sich die Forschungen vor allem auf die Integration von zweiseitigen Modulen, die sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite Solarzellen besitzen. Im Vergleich zu konventionellen einseitigen PV-Modulen, die nur auf einer Seite Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln können, bieten bifaziale oder zweiseitige Module den zusätzlichen Vorteil, auch das reflektierte Sonnenlicht von der Rückseite zu nutzen. Dies ermöglicht eine effizientere Ausnutzung des verfügbaren Sonnenlichts und erhöht den Gesamtertrag der Solarmodule. Durch die zusätzliche Energiegewinnung wird der Wirkungsgrad der Module erheblich gesteigert. Unter optimalen Bedingungen kann ein zweiseitiges Solarmodul typischerweise zusätzliche Erträge von 5 bis 15 % erzielen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die genaue Höhe des zusätzlichen Ertrags von verschiedenen Faktoren abhängt und daher variieren kann. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Nicht zu vergessen ist, dass die Rückseitenstrahlung weniger effizient eingefangen wird als die Vorderseitenstrahlung. Um diese Differenz messbar zu machen, wurde der Bifazialfaktor eingeführt. Dieser Wert gibt an, wie groß der Unterschied der Leistung (oder Wirkungsgrad) zwischen Vorder- und Rückseite ist.

Eine häufig verwendete Art von bifazialen Solarzellen sind die PERC-Zellen, bei denen der Bifazialfaktor etwa 70 % beträgt. Das bedeutet, dass die Rückseite der Zelle ungefähr 70 % der Leistung der Vorderseite erreicht. Allein mit dieser Technologie können bereits signifikante Effizienzsteigerungen im Vergleich zu gewöhnlichen Solarzellen erzielt werden. Außerdem existieren auch die Heterojunction-Zellen. Sie liefern bemerkenswerte Ergebnisse mit einem Bifazialfaktor von ca. 95 %. Diese Solarzellen nutzen eine besondere Technologie, bei der auf dem Basismaterial zwei dünne Schichten amorphes Silizium abgeschieden werden. (Quelle: Bifaziale Solarmodule: Die Revolution der Solartechnik? (solaranlage-mit-speicher.de)). Zur Herstellung des Kontakts auf beiden Seiten der Zelle wird ein transparentes, leitfähiges Oxid verwendet. Dies ermöglicht eine noch effizientere Nutzung des einfallenden Lichts von der Rückseite. 

Zusätzlich eröffnet diese Technologie neue Anwendungsmöglichkeiten. Die Installation von Solarmodulen kann horizontal, vertikal oder sogar in schräger Ausrichtung erfolgen. Wenn Module beispielsweise auf Feldern installiert werden, bleibt die landwirtschaftliche Nutzung weiterhin erhalten. Die Ausrichtung der Module nach Osten und Westen ermöglicht es, dass morgens und abends Licht auf die Zellen fällt.

Weiteres Beispiel: Floating PV

Neben dem wachsenden Trend der Nutzung von bifazialen PV-Modulen sehen wirauch eine verstärkte Installation von PV-Anlagen auf Wasserflächen. Diese innovativen sogenannten Floating PV-Anlagen werden auf ruhigen Gewässern mithilfe von schwimmenden Unterkonstruktionen installiert. Durch Verankerung am Gewässergrund werden sowohl die PV-Module als auch die Wechselrichter gegebenenfalls über schwimmende Stromleitungen mit dem Festland verbunden. Selbst mit Eisbildung oder Austrocknung des Gewässers kann man eine Installation nicht zwingend ausschließen.

In Renchen befindet sich derzeit die größte schwimmende Photovoltaikanlage Deutschlands mit einer installierten Leistung von 750 kWp, die von der EnBW-Tochter Erdgas Südwest errichtet wurde. Diese Anlage liegt auf einem Baggersee und bietet durch ihre Lage auf dem Wasser besondere Vorteile. Durch die Kühlung des Wassers besteht sogar die Möglichkeit eines erhöhten Energieertrags im Vergleich zu herkömmlichen Freiflächen- oder Dachanlagen.

Floating PV-Anlagen sind auch auf globaler Ebene stark im Kommen. China ist führend in der Installation von schwimmenden PV-Anlagen. Einige der größten schwimmenden PV-Anlagen befinden sich hier, zum Beispiel der Longyangxia Dam Solar Park mit einer installierten Leistung von 150 MWp.

Japan ist ein weiteres Land, das intensiv in Floating PV investiert. Da hier nur begrenzter Platz für konventionelle Solaranlagen gibt, bieten schwimmende PV-Systeme eine gute Alternative. Der Yamakura Dam Solar Park in der Präfektur Chiba ist eine der größten Floating PV-Anlagen in Japan mit einer installierten Leistung von 13,7 MWp. Auch in Thailand wurde eine schwimmende PV-Anlage im Sirindhorn Dam Solar Park mit einer Leistung von 45,4 MWp errichtet.

Obwohl die Verbreitung von Floating PV in Amerika im Vergleich zu Europa und Asien noch begrenzt ist, gibt es auch dort einige Projekte. Der Walden Pond Solar Park in Massachusetts mit einer Leistung von 1,3 MWp ist ein Beispiel davon.

Die Potenziale der Solarenergie sind schier unerschöpflich. Mithilfe verschiedener Arten von Photovoltaikanlagen haben wir nicht nur die Möglichkeit unseren Energiebedarf zu befriedigen, sondern auch einen bedeutenden Beitrag zum Schutz des Klimas und zur Förderung der Energiewende zu leisten. Es obliegt uns, dieses immense Potenzial zu erkennen und die Entwicklung der Solarenergie mit Bewusstheit voranzutreiben.

Zukunft der Windenergie

Windenergie: Grundpfeiler der nachhaltigen Stromerzeugung

Die Windenergie stellt zweifellos eine der wichtigsten Säulen für die Umsetzung der Energiewende dar, wie bereits die bisherigen Zuwachsraten deutlich zeigen. Der Ausbau der Windenergie an Land und auf See ist daher unerlässlich, um den steigenden Strombedarf zu decken. Statt uns einfach dagegen zu stellen, ist es wichtig, aktiv mitzuwirken und den Ausbau der Windenergie ressourcenschonend mitzugestalten.

Windenergie spielt eine bedeutende Rolle in der deutschen Stromerzeugung aus mehreren Gründen. Einer dieser Gründe ist das große Potenzial an Windressourcen in Deutschland, insbesondere an der Nord- und Ostseeküste sowie in einigen bergigen Regionen. Diese natürlichen Bedingungen bieten sicherlich günstige Voraussetzungen für die Nutzung von Windenergie. Im Jahr 2022 wurden in Deutschland rund 124 Terawattstunden Strom aus Windkraftanlagen erzeugt. Das entspricht einem Anteil von rund 22% an der gesamten Bruttostromerzeugung in Deutschland. (Quelle: Statista)

Es ist von großer Bedeutung, den Fortschritt des EnBW Offshore-Windparks namens “He Dreiht” zu erwähnen. Die endgültige Investitionsentscheidung, die am 23. März 2023 getroffen wurde, ebnet somit den Weg für den Bau des größten EnBW Offshore-Windparks mit einer beeindruckenden installierten Leistung von 960 MWp. Der Windpark wird in einer Entfernung von etwa 85 km nordwestlich von Borkum und etwa 110 km westlich von Helgoland errichtet und voraussichtlich Ende 2025 den kommerziellen Betrieb aufnehmen.

Nach der Fertigstellung wird die EnBW sowohl die technische und kaufmännische Betriebsführung als auch die Wartung und Instandhaltung des Windparks übernehmen. Die Nähe zu den bereits existierenden EnBW Offshore-Windparks “Hohe See” mit einer installierten Leistung von 497 MWp und “Albatros” mit einer installierten Leistung von 112 MWp wird der “He Dreiht” zugutekommen, ebenso wie der bereits vorhandene Service-Hub in der Küstenstadt Emden.

Gemäß dem Plan werden ca. 64 Turbinen der neuesten Generation von Vestas installiert. Diese Turbinen gehören zu den leistungsstärksten Anlagen, die derzeit in Betrieb sind, mit einer beeindruckenden Nennleistung von 15 MWp. (Quelle: EnBW)

Neue Perspektiven im Offshore-Sektor: Floating Wind

Die Fortschritte in den Floating-Wind-Technologien revolutionieren die Offshore-Windkraftindustrie und eröffnen ihr völlig neue Horizonte. Im Gegensatz zu konventionellen Windturbinen mit festen Fundamenten, die nur in Gewässern mit einer Tiefe von bis zu ca. 60 Metern installiert werden können und dadurch die Auswahl der Standorte stark begrenzen, bieten schwimmende Windturbinen die Möglichkeit, auch in tieferen Gewässern zu operieren. 

Der Großteil, ca. 80%, des weltweiten Potenzials an Offshore-Windenergie befindet sich in Gewässern, die tiefer als 60 Meter sind. Das bedeutet, dass wir bei unseren Bemühungen zur Dekarbonisierung nach Möglichkeiten in diesen tieferen Gewässern suchen müssen. Dank der fortschrittlichen Floating-Technologie können Windturbinen auf innovativen schwimmenden Fundamenten errichtet werden, was es ermöglicht, sie auch in tiefen Gewässerregionen zu betreiben. Die Türme und Rotoren, die mitunter beträchtliche Gewichte von mehreren hundert Tonnen aufweisen, werden durch robuste Stahl- und Betonschwimmkörper über der Wasseroberfläche gehalten. Diese Schwimmkörper können eine Tiefe von bis zu 80 Metern erreichen und sind durch Seile sicher am Meeresboden verankert. 

Ein weiterer Vorteil der schwimmenden Fundamente besteht darin, dass sie die Möglichkeit bieten, das Fundament und die gesamte Konstruktion der Windenergieanlage (WEA) schwimmend zum Standort zu transportieren. Die Offshore-Industrie hat im Jahr 2017 das weltweit erste kommerzielle schwimmende Offshore-Windprojekt, den Hywind Scotland-Windpark von Equinor/Masdar, mit 5 SGRE 6MW-Turbinen in Großbritannien realisiert. Die derzeit größte schwimmende Offshore-Windanlage ist das 50 MW Kincardine-Projekt in Schottland, das die Windfloat-Plattform von Principal Power und fünf Vestas V164-9.5 MW-Turbinen nutzt (eine Produktion von MHI Vestas Offshore Wind A/S, Hersteller aus Dänemark). (Quelle: Report Global Wind Energy Council).

Diese wegweisenden Projekte verdeutlichen eindrucksvoll das beeindruckende Potenzial der Floating-Wind-Technologien und markieren einen bedeutenden Schritt in Richtung einer effizienten Nutzung der Offshore-Windenergie.

Stromspeicher: Die Energie-Zukunft Deutschlands

Deutschlands Strombedarf wird immer mehr durch erneuerbare Energien wie Windkraft und Photovoltaik gedeckt. Allerdings stellt die Erzeugung dieser Energieformen eine Herausforderung dar, da sie von der Verfügbarkeit von Sonne und Wind abhängig ist, die nicht konstant ist und nicht immer mit dem Strombedarf übereinstimmt. Dadurch entsteht eine Diskrepanz zwischen der Erzeugung und dem Bedarf an Strom. Um diese Schwankungen auszugleichen und eine zuverlässige Energieversorgung sicherzustellen, sind fortschrittliche Speichertechnologien von großer Bedeutung. Diese Technologien ermöglichen es, überschüssigen Strom zu speichern, wenn er verfügbar ist, und ihn dann zu nutzen, wenn die Nachfrage höher ist. Durch den Einsatz von Speichersystemen kann eine effiziente Nutzung der erneuerbaren Energien und eine kontinuierliche Stromversorgung gewährleistet werden.

Laut einer Studie des Fraunhofer ISE sind sowohl dezentrale als auch zentrale stationäre Batteriespeicher in großem Umfang notwendig, um eine sichere Stromversorgung zu gewährleisten. Bis zum Jahr 2030 wird nach Berechnungen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE eine elektrische Speicherkapazität von etwa 100 GWhel benötigt, bis 2045 sogar fast das Doppelte. Das Fraunhofer-Institut empfiehlt, Batteriespeicher an ehemaligen Standorten von fossiler Energieerzeugung oder Atomkraftwerken zu errichten, da dort die bereits vorhandene Anschlussleistung optimal genutzt werden kann. Dies trägt nicht nur zur effizienten Nutzung der Infrastruktur bei, sondern bietet auch Möglichkeiten zur Umwandlung ehemaliger fossil- oder atomkraftbetriebener Standorte in nachhaltige Energiezentren. (Quelle: Fraunhofer ISE Kurzstudie: Batteriegroßspeicher an ehemaligen Kraftwerksstandorten sinnvoll – Fraunhofer ISE)

Kurzzeit- und Langzeitspeicher

Es gibt verschiedene Kategorien von Speichertechnologien, die je nach Anwendung in Kurzzeit- und Langzeitspeicher unterteilt werden können. Kurzzeitspeicher sind in der Lage, innerhalb eines Tages mehrfach Energie aufzunehmen und abzugeben. Sie haben eine geringere Kapazität und dienen der schnellen Abdeckung kurzfristiger Energiebedarfe.

Langzeitspeicher hingegen müssen in der Lage sein, elektrische Energie über mehrere Tage oder Wochen zu speichern. Weitere Informationen über das Thema Batteriespeicher finden Sie hier.

Es werden bereits verschiedene Ansätze zur Speicherung von Energie entwickelt, darunter Lithium-Ionen-Batterien, thermische Energiespeicher und Organische Flow-Batterien. Diese Technologien bieten Lösungen für die Zwischenspeicherung von Energie. Angesichts des steigenden Bedarfs sind jedoch kontinuierliche Innovationen gefragt, um effizientere und leistungsfähigere Speicherlösungen zu finden. Die Branche arbeitet intensiv daran, neue Wege zu erforschen und zu entwickeln, um die Herausforderungen der Energiespeicherung zu bewältigen. Ziel ist es, innovative und nachhaltige Lösungen zu finden, die eine effiziente Zwischenspeicherung und Nutzung von Energie ermöglichen.

EnBW hat erfolgreich einen Solarpark mit integriertem Batteriespeicher in Betrieb genommen. Der Solarpark erstreckt sich entlang der A60 auf einer Fläche von 9,5 Hektar und verfügt über eine beeindruckende installierte Leistung von 7,6 MWp. Mit insgesamt 17.160 Solarmodulen ist der Solarpark in der Lage, jährlich 8 Millionen Kilowattstunden Strom zu erzeugen.

Zusätzlich trägt der Betrieb dieses Solarparks dazu bei, jährlich etwa 5.000 Tonnen CO2-Emissionen zu vermeiden. Der Batteriespeicher, der Teil des Solarparks ist, hat eine Kapazität von 2,7 MW und nutzt ausschließlich den lokal erzeugten PV-Strom. Dieser Solarpark mit Batteriespeicher ist ein herausragendes Beispiel für die effiziente Nutzung erneuerbarer Energie. (Quelle: EnBW)