Erneuerbare Energien: Wirkungsgrade, Flächenverbrauch und Emissionen
Der ökologische Nutzen Erneuerbarer Energien steht außer Frage. Dennoch ist es richtig, auch die Emissionsbilanzen von Solar- und Windenergieanlagen, Wasserkraftwerken und Biogas zu betrachten, ebenso wie Wirkungsgrade und Ausbaupotenziale.
15.05.2021 – Die Technologien zur Energiegewinnung aus Erneuerbaren Energien haben sich rasant entwickelt und mit ihnen nicht nur die Energieausbeute, sondern auch der Energieverbrauch bei ihrer Herstellung. Wir haben einen aktuellen Blick auf Wirkungsgrade, Emissionen, Naturverträglichkeit und Ausbauziele der Erneuerbaren Energien geworfen.
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis aus zugeführter und nach der Umwandlung nutzbarer Energie. Er kann nie größer als 1 bzw. 100 Prozent sein. Bei der Photovoltaik ist die zugeführte Energie das Sonnenlicht, bei der Windkraftanlage die Windenergie, bei der Biomasseanlage die verwendete Pflanzenart, bei der Wasserkraftturbine die kinetische Energie des Wassers. Die Wirkungsgrade einer Anlage hängen auch vom Standort und anderen Systemkomponenten ab.
Die Energy Payback Time ist die Zeitspanne, nach der eine Anlage so viel Energie produziert hat wie zu ihrer Herstellung aufgewendet wurde. Zwei Variablen beeinflussen die Rechnung. Zum einen unterscheiden sich die Herstellungsprozesse und damit der Energieverbrauch auch innerhalb einer Technologie stark. Zum anderen hängt der Ertrag einer Anlage – zumindest bei Wind und Photovoltaik – stark vom Standort ab.
Beim Flächenverbrauch und Naturschutz versuchen wir eine qualitative Annäherung und wägen verschiedene Argumente ab.
Bei der Betrachtung der Emissionen spielen die verwendeten Materialien und ihre Verarbeitung die Hauptrolle, aber auch, ob bei der Produktion der Komponenten mit Erneuer- baren oder konventionellen Energien gearbeitet wird. Nicht zu vernachlässigen sind Transportwege und Verpackung.
Das Umweltbundesamt bestimmt jährlich die Menge der durch die verschiedenen Energieträger vermiedenen Emissionen. Die aktuellen Daten betrachten das Jahr 2018.
Emissionsbilanz Erneuerbarer Energieträger 2018
Die Netto-Emissionsbilanz der Erneuerbaren Energien unter Berücksichtigung der Vorketten weist eine Vermeidung von Treibhausgasemissionen in Höhe von rund 187 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten (CO2-Äq.) im Jahr 2018 aus. Auf den Stromsektor entfielen 144 Mio. Tonnen. Im Wärmesektor wurden 36 Mio. Tonnen und durch biogene Kraftstoffe 8 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente vermieden.
Windkraft
Leistungsbeiwert: knapp über 50 Prozent
Energy Payback Time: 3 bis 7 Monate
Installierte Leistung 2020: Onshore 54,8 Gigawatt / Offshore 7,7 Gigawatt
Energieerzeugung 2020: Onshore 105 TWh / Offshore 26,9 TWh / gesamt 131,9 Twh
Anteil Stromerzeugung 2020: 27 Prozent
Ausbauziel Onshore 2030: 71 Gigawatt (EEG 2021)
Ausbauziel Offshore: 2030: 20 Gigawatt / 2040: 40 Gigawatt (Windenergie-auf-See-Gesetz)
Eine Windkraftanlage kann die kinetische Energie des Windes nicht vollständig nutzen. Die physikalische Grenze liegt bei maximal 59 Prozent. Optimierte moderne Anlagen können bei idealen Betriebsbedingungen einen Leistungsbeiwert von knapp über 50 Prozent erreichen. Leistungsbeiwert ist hier das Synonym für Wirkungsgrad. Entscheidend für eine hohe Effizienz, aber auch niedrige Stromgestehungskosten ist die ideale Dimensionierung von Generatorleistung und Nabenhöhe am jeweiligen Standort. Es gilt, mit den vorhandenen Windpotenzialen möglichst viele Volllaststunden zu erreichen.
Die energetische Amortisationszeit hängt vor allem vom Standort, aber auch von der Größe der Anlage ab – bei höherer Nabenhöhe und längeren Rotorblättern wird mehr Material verbraucht, was den Wert beeinflusst.
Flächenverbrauch und Naturschutz: Im Moment besteht Konsens darüber, dass zwei Prozent der Landesfläche Deutschlands gebraucht werden, um im Energiemix der Zukunft ausreichend Windenergie bereitzustellen. In dieser Prozentzahl sind auch die notwendigen Abstandsflächen enthalten. Von dieser für Windkraft ausgewiesenen Fläche werden wiederum nur zwei Prozent tatsächlich bebaut.
Für das Fundament wird Fläche versiegelt. Hinzu kommen die Kranstellfläche und die Zuwegungen, die projektspezifisch sind. Knapp ein Prozent der deutschen Landfläche wird derzeit für Windenergie genutzt – wohl- gemerkt inklusive der Abstandsflächen. Die Flächen für Windkraft sind der größte Engpass beim Ausbau. Die Veränderung des Landschaftsbildes oder die Angst vor Lärmemissionen ist oftmals der Grund, weshalb sich Bürger dagegen wehren. Für den Schutz von Vögeln gibt es inzwischen Lösungen, die auf den Erhalt der Populationen abzielen.
Photovoltaik
Wirkungsgrad: 20 bis 21 Prozent (aktuelle monokristalline PERC-Module)
Energy Payback Time: 4 bis 18 Monate
Installierte Leistung Ende 2020: 53,58 Gigawatt
Energieerzeugung 2020: 51,42 TWh
Anteil Stromerzeugung 2020: 10,5 Prozent
Ausbauziel 2030: 100 Gigawatt (EEG 2021)
Die Angabe des Wirkungsgrades bezieht sich auf die verbauten Module. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel Prozent des einfallenden Lichts ein Modul unter Standardbedingungen in Energie umwandeln kann. Darüber hinaus beeinflussen Wechselrichter, Verkabelung, Einstrahlung oder Verschattung den Ertrag und damit den Wirkungs- grad einer Anlage.
Die Energy Payback Time hängt vom Modultyp und der Systemkonfiguration ab, aber auch in starkem Maße vom Standort und dem Herstellungsprozess der Komponenten. Die Angabe bezieht sich auf Aufdachsysteme in Europa, wobei Solaranlagen in Südeuropa eine kürzere Energierücklaufzeit haben als im Norden installierte Anlagen.
Flächenverbrauch und Naturschutz: Freiflächensolarparks, die ihre Vergütung in Ausschreibungen gewinnen, dürfen nicht auf landwirtschaftlichen Flächen errichtet werden, sondern nur entlang von Autobahnen, auf Industriebrachen oder sonstigen Konversionsflächen. Einige Bundesländer erlauben auch den Bau auf benachteiligten Landwirtschaftsflächen.
Bei Freiflächenparks ohne EEG-Vergütung steuern die Kommunen die Flächenvergabe über den Bebauungsplan. Große Anlagen können für Ökosysteme eine Belastung sein. Allerdings werden die Flächen nicht versiegelt und gedüngt, was wiederum der Biodiversität und dem Gewässerschutz dient. Dachflächen – vor allem in Städten – bieten ein riesiges Flächenpotenzial, dessen Nutzung kaum Konflikte verursacht. Allerdings ist der Bau einer Dachanlage teurer. Vor allem der PV-Zubau in Städten sollte deshalb politisch forciert und gefördert werden.
Biomasse
Wirkungsgrad: variiert nach Pflanzenart
Energy Payback Time: siehe Erläuterung
Installierte Leistung 2020: 8,54 Gigawatt
Energieerzeugung 2020: 47,15 TWh
Anteil Stromerzeugung 2020: 9,7 Prozent
Ausbauziel 2030: 8,4 Gigawatt (EEG 2021)
Pflanzen bauen durch Photosynthese Biomasse in Form von Kohlenhydraten auf. Den Wirkungsgrad einer Pflanze kann man bestimmen, indem man den Heizwert der getrockneten Biomasse durch die Sonnenenergie teilt, die eine Pflanze während ihres Wachstums aufnehmen konnte. Manche Pflanzen, zum Beispiel Mais, Amaranth und Zuckerrohr, nutzen die Sonnenenergie besonders intensiv und erreichen Wirkungsgrade von zwei bis fünf Prozent. Holz sollte nur als Abfall in die Verbrennung gelangen und zuvor anders stofflich genutzt werden.
Biomasse kann wie fossile Brennstoffe zum Heizen, zur Stromgewinnung oder als Treibstoff eingesetzt werden. Je nach Nutzung finden verschiedene Prozesse statt. Biogas entsteht durch die Vergärung von Biomasse. Das können Gülle, Festmist, Energiepflanzen aber auch Abfälle und Klärschlamm sein.
Biogas erreicht seinen maximalen Wirkungs- und Versorgungsgrad und seine beste Klimabilanz, wenn es gleichzeitig zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt wird (Kraft-Wärme-Kopplung), es kann auch über die weitere Veredlung zu Biomethan als Erdgasersatz in Kraftwerken und Motoren dienen. Zudem hat Biogas den Vorteil, dass es speicherbar ist und so ideal die fluktuierende Stromerzeugung aus Wind und Sonne ergänzen kann.
Ein Biomassekraftwerk braucht ständig Energieträger zur Umwandlung in Strom oder Wärme. Eine Energy Payback Time lässt sich deshalb nicht sinnvoll angeben.
Flächenverbrauch und Naturschutz: Für die Ökobilanz macht es einen großen Unterschied, ob die Biomasse aus Reststoffen kommt oder gezielt angebaut wird. Der gezielte Anbau verbraucht Flächen und konkurriert mit dem Anbau von Nahrungsmitteln. Monokulturen für die Biogasgewinnung anzubauen, ist weniger sinnvoll. Eine Alternative ist beispielsweise Kleegras, das als Zwischenfrucht zur Erholung der Böden angepflanzt wird. Es leistet zugleich einen Beitrag zur Biodiversität und zum Bodenschutz.
Auch Abfälle bieten ein großes Potenzial an energetisch wertvollen Stoffen. In Deutschland sind im Jahr 2020 nach Berechnungen des Deutschen Biomasseforschungszentrums allein durch die Kompostierung des anfallenden Biomülls und durch Grünschnitt aus der Landschaftspflege etwa 22.500 Terajoule angefallen. Das wären umgerechnet 6,25 Terawattstunden, die zur Verstromung und Wärmebereitstellung genutzt werden können.
Biomasse soll nicht nennenswert ausgebaut werden, jedoch sollen in etwa so viele neue Anlagen entstehen, wie stillgelegt werden.
Wasserkraft
Wirkungsgrad: 80 bis 90 Prozent
Energy Payback Time: siehe Erläuterung
Installierte Leistung 2020: 3,87 Gigawatt Laufwasser/ 0,98 Gigawatt Speicherwasser
Energieerzeugung 2020: 18,40 TWh
Anteil Stromerzeugung 2020: 3,8 Prozent
Ausbauziel 2030: Effizienz alter Kraftwerke durch Modernisierung erhöhen
Der Wirkungsgrad eines Wasserkraftwerks hängt von der Fallhöhe des Wassers und der Durchflussmenge ab. Auch kleine Kraftwerke im Gebirge können große Mengen Strom produzieren. Rund 7.300 Wasserkraft- werke gibt es in Deutschland, vor allem in Bayern. Der überwiegende Teil (94 Prozent) hat eine Leistung von unter einem Megawatt.
Wasserkraftwerke stellen ihren Strom stetig bereit, was der Stabilität des Stromnetzes dient und Netzausbaukosten reduziert. Kleine Wasserkraftwerke speisen häufig in die verbrauchsnahen unteren Spannungsebenen des Verteilnetzes ein und vermeiden somit Übertragungsverluste höherer Ebenen. Die Energy Payback Time ist für Wasserkraftwerke nur individuell anzugeben und aufwändig zu errechnen. Örtliche Gegebenheiten und Baujahr sind die entscheidenden Größen. Eine wissenschaftliche Publikation errechnete für ein Kleinwasserkraftwerk in der Steiermark einen Erntefaktor von 25. Das heißt, das Kraftwerk produziert in seiner angenommenen Betriebsdauer von 100 Jahren 25 Mal mehr Energie als zu seiner Errichtung verbraucht wurde.
Flächenverbrauch und Naturschutz: Wasserkraftwerke greifen stark in die Natur ein. Deshalb sind solche Bauvorhaben in der heutigen Zeit kaum noch umweltverträglich umzusetzen. An den bestehenden Kraftwerken haben sich aber meist neue Biotope und Lebensräume gebildet, die zur Biodiversität beitragen. An Flusswasserkraftwerken gibt es Fischtreppen, die den wandernden Fischen das Überwinden der Barriere ermöglichen.
Es gibt keinen festgelegten Ausbaupfad für die Wasserkraft. Ertragssteigerungen bei bestehenden Kraftwerken werden im Rahmen von Modernisierungen erreicht.
Petra Franke
Hier können Sie ein PDF des Artikels herunterladen.
Kommentare
Diskutieren Sie über diesen Artikel
Gaubatz 16.05.2021, 20:45:31
Interessanter Artikel ... aber was fehlt sind die realistischen Ausbaupotentiale der einzelnen Technologien. Sie werden nicht genannt, obwohl schon im Satz in dem Artikel darauf hingewiesen wird. Stattdessen werden Ausbauziele genannt, auch wichtig, aber nicht wichtiger als die Ausbaupotentiale.
"Der ökologische Nutzen Erneuerbarer Energien steht außer Frage. Dennoch ist es richtig, auch die Emissionsbilanzen von Solar- und Windenergieanlagen, Wasserkraftwerken und Biogas zu betrachten, ebenso wie Wirkungsgrade und Ausbaupotenziale".
Dennoch ist es wichtig, auch das realistische Ausbaupotential zu nennen, denn erst wenn das Ausbaupotential groß genug ist, kann man Gefühl dafür bekommen, wie autark Deutschland mit rein regenerativen Energien sein kann.
Stephan Geue 17.05.2021, 14:30:44
Ich finde die Angaben zur energetischen Amortisation sehr interessant, vermisse allerdings den Hinweis auf den Rückbau nach Ende der Nutzung und die Berücksichtigung der dafür erforderlichen Aufwände. Zuletzt hatte ich mit ziemlich heftigen Kritikern der Windkraft zu tun, die geltend machten, dass der Rückbau des Betonfundaments sehr aufwändig und die Zerlegung der Rotorblätter ziemlich schmutzig erfolge. Ich kann mir zwar nicht vorstellen, dass das Zerhacken des Fundaments angesichts der verheerenden Klimabilanz von Beton noch schlimmer ist als das Gießen, auch las ich vor längerer Zeit davon, dass die Fundamente im Boden blieben und "zugepflügt" würden, sodass quasi über dem künstlichen "Findling" Landwirtschaft betrieben werden könne. Aber als ich zu den Rotorblättern kam, fand ich doch schon ziemlich krasse Widersprüche zwischen Praxis und Lehre. Mein Bruder berichtete mir aus der Region Tangermünde, dass dort auf Stadtgebiet (!) open air Rotorblätter geschreddert worden wären, sodass die halbe Stadt im Glasstaubnebel versank. Auf den Seiten des Bundesumweltamtes liest man dagegen von "eingehaustem" Zerschneiden. Letzteres mag ja wünschenswert sein, vielleicht sogar vorgeschrieben, aber sogar auf Youtube findet man Filme von Entsorgungsunternehmen, also juristischen Personen, die sich sicherlich nicht freiwillig selbst belasten, die auf dem Acker Blätter zersägen. Das sieht da nicht so dramatisch aus, wie es mein Bruder geschildert hat, aber zwischen Zerschneiden und Schreddern ist ja ein gewichtiger Unterschied. Aber es ist alles, bloß nicht "eingehaust". Dieser Dreck und der Schaden, den er anrichtet, ist für mich qualitativ (!) vergleichbar mit der scheinbar sauberen "Luft", die staub- und SOx-gefiltert aus deutschen Kraftwerksschloten quillt und dennoch und sogar legal pro Jahr mehrere Tonnen Quecksilber emittiert.
Da gehören m.E. Berichterstattung und gängige Praxis angeglichen und beides wiederum an gesetzliche Vorschriften.
Karl-Heinz Tholen 15.10.2021, 14:45:14
Bezüglich Biomasse:
Die Wirkung der ‚Mineralisierung‘ durch Bodenbearbeitung wird auch hier (wie meistens) übersehen.
Durch die Bearbeitung des Ackerbodens, besonders durch Pflügen, werden aerobe Mikroben des Oberbodens und anaerobe Mikroben aus tieferen Schichten getauscht und vermischt. Dabei werden Rottungs- und Abbauprozesse ausgelöst bei den Nährstoffe freigesetzt werden und aus denen sich eine ‚Düngewirkung‘ ergibt, - also gewünschte Prozesse. Je nach örtlichen Gegebenheiten werden dabei jährlich 0,02% des vorhanden Humus „veratmet“, also freigesetzt. Bei 10.000 Quadratmeter je Hektar, 0,4 m Krumentiefe und 1,8 t spezifischem Gewicht ergibt das ca. 35 t/ha an CO2 je Hektar und Jahr. 35.000 kg CO2 je Hektar nur durch Boden- BEARBEITUNG ist eine gigantische Menge.
M.Pollak 10.01.2022, 15:46:35
hier fehlt völlig:
der Wirkungsgrad der solarthermischen Anlagen!
Bitte unbedingt ergänzen!
Kansy 06.02.2022, 19:32:37
Biomasse vergast und verstromt erzeugt mit ca. 50 TWh (10%) genauso viel Strom wie Photovoltaik, aber letztere auf nur ca. 1% der Fläche.
Bernd V. 18.03.2022, 13:27:19
Wie kommen Sie auf 1% der Fläche? Die Photosynthese hat einen extrem niedrigen Wirkungsgrad von unter 1% (Nutzung Sonnenenergie pro Fläche). Dann kommen noch die Umwandlungsverluste durch die Verstromung des Gases in Generatoren von ca. 60% dazu. Das Ganze bei einem Flächenbedarf von z.B. 5000 m² Silomais pro installiertem kW elektrischer Leistung.
Im Idealfall läuft die Anlage 365 Tage und 24h durch. Dann ergeben sich 8760 kWh pro Jahr, oder ca. 17.500 kwh/ha.
Auf einem Hektar Solar-Freiflächenanlage kann man dagegen pro Jahr mit 400.000 kWh rechnen.
Das ist im schlechtesten Fall 20 mal mehr Ertrag pro Fläche gegenüber Biogas!
Nicht, dass ich ein glühender Verfechter der Freiflächenanlagen wäre, aber gegenüber dem Flächenfraß und den ökologischen Nebenkosten der Biogasanlagen sind die geradezu Goldstandart!
Hartmut Schönherr 29.11.2022, 10:14:46
Biogasanlagen, die mit Abfällen arbeiten, benötigen in der Regel auch hochenergetischen Mais, um den Prozess wirtschaftlich am Laufen zu halten, verbrauchen also auch Anbauflächen. Die Abfälle werden oft aus großen Entfernungen angefahren, was in die Ökobilanz einzubringen wäre, aber schwer zu erfassen ist.
Auch das Ausbringen der Anlagengülle verursacht Verkehrsaufkommen und benötigt riesige Ackerflächen zur "Entsorgung", wobei Nitratbelastungen des Grundwassers steigen (bekannt aus Niedersachsen im Umkreis von Biogasanlagen) und mögliche Schadstoffe aus dem Abfall sich anreichern können. Solche Anlagen gehören nicht in die Hände von Landwirten.
Unfälle bei Abfallanlieferung, Ausbringung der Gülle, Betrieb der Anlagen führen immer wieder zu erheblichen Umweltbelastungen vor allem in Oberflächengewässern. 2020 gab es 197 bei der Sozialversicherung für Landwirte gemeldete Unfälle in Biogasanlagen. Dazu kommen technisch bedingte Ausfälle und Wartungen - was die gerne beschworene "Grundlastfähigkeit" von Biogasanlagen erheblich einschränkt.
Der gemessen an der Energieproduktion absurd hohe Flächenverbrauch wurde bereits in anderen Kommentaren angeführt.
https://www.spiegel.de/wirtschaft/soziales/umweltbundesamt-warnt-vor-gefahren-durch-biogasanlagen-a-1269091.html