Paul Langrock / Zenit / laif – Ein Tunnel im Berliner Untergrund verbindet Friedrichshain und Marzahn per Stromautobahn. Ein Netzingenieur auf Inspektionstour

24.9.2013 | Von:
Detlef Schulz
Karen Schulz

Energiequellen und Kraftwerke

Erneuerbare Energiequellen

Windenergie

Entstehung und Nutzbarkeit: Windenergie entsteht aus Temperatur- und Druckunterschieden von Luftmassen. Die nutzbare Leistung des Windes hängt vorrangig von der Windgeschwindigkeit ab. Darüber hinaus wird sie von der Luftdichte, der Rotorkreisfläche sowie vom Leistungsbeiwert, das heißt von der Art der Aerodynamik, beeinflusst.
Kraftwerkstechnologien: Bereits ab 1891 wurden in Dänemark Windenergieanlagen zur Versorgung netzferner Regionen mit elektrischer Energie aufgebaut. Die wissenschaftlichen Grundlagen für die systematische Nutzung der Windenergie wurden in den 1920er-Jahren gelegt. Die erste Großanlage mit 1250 kW entstand im Jahr 1941 in den USA. Ab 1975 wurde die Stromerzeugung aus Windenergie international vorangetrieben. In Deutschland begann die industrielle Nutzung von Windenergieanlagen mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1990, das die Abnahme und Vergütung von elektrischer Energie regelte. Seit 2000 gilt das Erneuerbare-Energien-Gesetz, dass im Schnitt alle vier Jahre überarbeitet wird. Hierin wurden der vorrangige Netzanschluss erneuerbarer Energien sowie garantierte Vergütungssätze festgeschrieben, was zu einem starken Ausbau geführt hat.

Aufbau einer WindkraftanlageAufbau einer Windkraftanlage
Das Funktionsprinzip von Windenergieanlagen besteht in der Umwandlung der Windenergie über Rotorblätter in mechanische Bewegungsenergie. An den Rotor ist ein elektrischer Generator gekoppelt, der die Energie direkt oder über leistungselektronische Wandler in das Netz einspeist. Die Anströmungseigenschaften der Rotorblätter können durch drehbare Achsen an die Windgeschwindigkeit angepasst werden. Neben der Anlage befindet sich der Transformator, der bei Einzelanlagen den Anschlusspunkt zum öffentlichen Netz der Mittelspannung bei beispielsweise 20 kV bildet. Oft werden viele Anlagen in einem Windpark konzentriert, dann erfolgt der Netzanschluss über eine größere Schaltanlage am Hochspannungsnetz bei 110 kV oder bei sehr großen Windparks auch auf der Höchstspannungsebene 220 kV oder 380 kV.

Installierte Leistung bis 2012Installierte Leistung bis 2012
Für die Erzeugung elektrischer Energie wird der Windgeschwindigkeitsbereich von vier bis 20 Meter pro Sekunde (=14-72 km/h) genutzt, bei höheren Geschwindigkeiten schalten die Anlagen zum Schutz der Mechanik ab. Anlagen auf See werden für höhere Windgeschwindigkeiten dimensioniert. Im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien wird oft deren energetische Amortisation diskutiert. Damit ist der Zeitraum gemeint, in dem eine Anlage so viel Energie produziert hat, wie für ihre Herstellung aufgewendet wurde. Klassische Kraftwerkstechnologien können sich nie energetisch amortisieren, da während ihres Betriebs ständig neuer energiehaltiger Brennstoff zugeführt werden muss. Windenergieanlagen amortisieren sich abhängig von der mittleren Windgeschwindigkeit an ihrem Standort innerhalb von drei bis sieben Monaten.

Eine Nutzung der Windenergie ist sowohl an Land (onshore) als auch auf dem Meer (offshore) möglich. Offshore-Installationen sind wesentlich kostenintensiver, dafür ist ihre Energieausbeute höher. Heutige Leistungen ausgeführter Anlagen reichen bis zu sieben MW, es besteht noch Entwicklungspotenzial bis oberhalb von zehn MW.

Quellentext

Offshore ohne Anschluss …

[...] Ungefähr 35 Kilometer nördlich von Helgoland entsteht Nordsee Ost, einer der ersten großen Meereswindparks in deutschen Gewässern, unter der Regie und Eigentümerschaft des Energiekonzerns RWE und seiner Tochtergesellschaft RWE Innogy. 48 Windturbinen sollen sich hier einmal drehen, die jeweils eine Leistung von 6,15 Megawatt haben. [...] Direkt angrenzend wird derzeit der Windpark Meerwind gebaut, für den die Beteiligungsgesellschaft Blackstone verantwortlich ist. Und ein Stück weiter nördlich soll ein dritter Park (Amrumbank West) entstehen, der Eon gehört. Zusammen kämen sie auf gewaltige fast 1000 Megawatt Leistung.
Doch noch dreht sich dort keine einzige Turbine. Sie werden stattdessen schon seit Monaten auf diversen Hafen- und Fabrikgeländen in Bremerhaven gelagert, zusammen mit den Türmen und Rotorblättern. [...]
Denn es fehlt die entscheidende Komponente eines jeden Offshore-Windparks: die große Umspannstation, die den vom Wind erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und in Richtung Land weiterleitet. [...]

Der Transport von Menschen und Teilen, die benötigten Schiffe mit einem Charterpreis von teilweise 100 000 Euro täglich, die aufwendigen Verankerungen am Boden, der Lärmschutz beim Rammen der Stahlpfähle, das Überwachen der Umweltvorgaben, die engen Zeitfenster auf hoher See – all das macht die Projekte unberechenbar und teuer. Mindestens 1 Milliarde Euro muss für einen deutschen Offshore-Windpark veranschlagt werden. Wenn gebaut werden kann, dann muss es rund um die Uhr sein; zwei Teams auf der "Victoria Mathias" wechseln sich derzeit im Zwölf-Stunden-Takt ab.
[...] Windturbinen mit einer Gesamtkapazität von 10 000 Megawatt will die Regierung bis zum Jahr 2020 in der Nord- und Ostsee haben. Aber [...] [w]irklich gebaut – und das schließt alle Vorarbeiten an Land mit ein – wird derzeit nur an Projekten mit einer Gesamtkapazität von 2700 Megawatt. Längst müssten zur Erreichung des Ausbauziels Investoren und Finanzierungszusagen für weitere Parks gefunden sein. Doch [...] will niemand frisches Kapital in die Hand nehmen, bevor die angekündigte Reform des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) feststeht. Gebaut wird lediglich dort, wo Kapital und Netzzusagen sicher sind. [...]
Bis 2017 können Investoren noch von einem Modell profitieren, das ihnen in den ersten acht Betriebsjahren eine überproportional hohe Vergütung von 19 Cent je Kilowattstunde sichert. Dieses sogenannte Stauchungsmodell sei nötig, um die Meereswindparks überhaupt anzustoßen, mit den ersten Projekten zu lernen, Kosten zu verringern und später günstiger bauen und betreiben zu können, heißt es in der Branche. [...] Aber wenn die Politik nicht bald handele, drohe von 2017 an das nächste Loch in der Bautätigkeit, heißt es warnend auch im Energiekonzern ENBW.

Für die deutschen Küstenstädte wie Bremerhaven, die sich auf die Offshore-Industrie gestürzt haben, wäre das der nächste herbe Schlag, sagt Andreas Nauen, der Vorstandsvorsitzende des Turbinenherstellers Repower Systems. Sein Konzern gehört zu den wenigen, die überhaupt solche Meerwindanlagen liefern können, und würde naturgemäß gerne mehr davon verkaufen. Rund 50 dieser 6-Megawatt-Anlagen hat Repower im vergangenen Jahr abgesetzt, 100 könnten in der Werkshalle in Bremerhaven gefertigt werden. Stattdessen wird die Kapazität dazu genutzt, Windturbinen für die Nutzung an Land zu bauen. Aber das hat nicht die gleiche Qualität, der Preiskampf der Hersteller ist an Land viel ausgeprägter. Bis zu 750 von 4300 Mitarbeitern (inklusive Leiharbeiter) werde Repower in den kommenden Monaten nach Hause schicken müssen, sagt Nauen. Schlimmer trifft es Betriebe, die jetzt eigentlich schon die Vorarbeiten für die nächsten Parks erledigen sollten. Der Cuxhavener Fundamentehersteller CSC hat wegen Auftragsmangels dichtge- macht, die Wettbewerber von Weserwind in Bremerhaven suchen händeringend nach Folgeaufträgen. [...]

Dabei will die Politik die Energiewende längst parteiübergreifend. Doch nicht jede Partei und nicht jedes Bundesland finden den Ausbau der Stromerzeugung auf hoher See gleichermaßen wichtig – zumal damit auch das Problem fehlender Leitungen quer durch die Republik verbunden ist. [...] [A]uch in der Windenergiebranche herrscht keineswegs Einigkeit; Turbinenhersteller, die wie Enercon oder General Electric nur Anlagen für die Nutzung an Land bauen, haben andere Ziele als die Offshore-Produzenten Repower und Siemens.

Holger Paul, "Baustelle auf See", in: Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 22. Juni 2013

Quellentext

… onshore – ein Erfolgsmodell

[...] Reußenköge, an der Nordseeküste zwischen Husum und Niebüll gelegen, zählt gerade einmal 330 Einwohner. Auf einen Quadratkilometer kommen, statistisch gesehen, sieben Einwohner. Reußenköge hat kein Zentrum, nicht einmal eine Kirche, sondern besteht aus in die platte Landschaft geduckten Höfen. Ohne Nachbarn, von Deichen ringsum geschützt. Die Deiche sind die einzigen Erhebungen weit und breit. Und natürlich die siebzig Windräder, die sich hier drehen. Reußenköge ist immer noch eine selbstständige Gemeinde. Auch das hat mit den Windrädern zu tun. Denn Windenergie hat die Gemeinde wohlhabend gemacht. [...].
Das Land hier ist "windhöffig". Das klingt nett, aber es meint tüchtigen Wind, unangenehmen Wind, der oftmals als Sturm daherbraust. [...] Damit muss man erst einmal leben können. Und vor allem leben wollen. Wirtschaftlich jedoch lohnt sich der Wind. [...] Schleswig-Holstein ist gegenwärtig dabei, die Fläche der sogenannten Windeignungsgebiete von bislang 0,8 Prozent der Landesfläche auf 1,5 Prozent zu erweitern. Das ändert die Regionalpläne des Landes. Darüber wird, nicht nur in Reußenköge, öffentlich informiert und diskutiert. Bürgerbeteiligung heißt das. Am Ende muss sie mit Unterschriftenlisten dokumentiert werden. [...]

Die Windkraft wird in Reußenköge seit Anfang der achtziger Jahre genutzt. Die erste Anlage hatte eine Leistung von 55 Kilowattstunden. Sie war vom Besitzer aus dem Cecilienkoog für die Versorgung seines Gehöftes gebaut worden. [...] Zehn Jahre später gab es das sogenannte Stromeinspeisegesetz, wieder zehn Jahre später das Erneuerbare-Energien-Gesetz. Reußenköge nutzte seine Chance. Längst stehen die Anlagen nicht mehr am Haus, sondern in fünf Windparks. Park sechs soll folgen. Mit 200 bis 250 Kilowattstunden fing es an. Moderne Anlagen heute haben eine Leistung von zwei Megawatt. Die Gemeinde produziert 140 Mal mehr Strom, als sie selbst benötigt, wobei der Eigenbedarf bei 2,8 Millionen Kilowattstunden im Jahr liegt.

Die Idee des Bürgerwindparks stammt zwar nicht aus Reußenköge, aber doch aus Nordfriesland. Sie ist denkbar einfach: Akzeptiert werden Windkraftanlagen von den Nachbarn viel leichter, wenn sie selbst etwas davon haben. Und in Reußenköge war von Anfang an klar, Investoren von außerhalb sollten nicht zum Zuge kommen, sondern die Bewohner selbst. [...] 28 Gesellschafter für die Bürgerwindparkgesellschaft gab es am Anfang, heute sind es 200. Wer sich beteiligen will, muss 10 000 Euro einzahlen und für weitere 20 000 Euro bürgen.
[...] Seit die Windkraft in Deutschland aber ihre gesetzliche Grundlage hat, geben die Banken auch bereitwillig Kredit. Den Bürgern gehören die Windkraftanlagen, nicht jedoch das Land, auf dem sie stehen. Dafür zahlen sie Pacht. All das hat sich in Reußenköge längst eingespielt. Die kleine Gemeinde hat einen Haushalt von zwei Millionen Euro und Rücklagen von einer Million Euro. Schulden kennt Reußenköge nicht. [...]

Reußenköge hat mit dem Windgeld Radwege von Nord nach Süd über knapp zwölf Kilometer sowie von Ost nach West über 2,6 Kilometer gebaut und dabei auch noch Nachbargemeinden wie Ockholm unterstützt. [...] Für die neue Turnhalle im nahen Bredstedt spendierte die Gemeinde 40 000 Euro, um Sportgeräte kaufen zu können. "Die werden schließlich auch von unseren Kindern genutzt." Auf der Einwohnerversammlung kündigt der Bürgermeister an, künftig werde jede Familie mit 200 Euro im Jahr pro Kind unterstützt. Außerdem seien bis Jahresende alle Haushalte mit Breitband versorgt. [...]
"Wir haben hier den Strukturwandel ein wenig aufgehalten", sagt der Bürgermeister. 70 Landwirtschaftsbetriebe gab es früher in Reußenköge, 22 sind es noch heute. Durch die Windkraftanlagen jedoch haben sich neue Firmen angesiedelt, Handwerksbetriebe und zwei Planungsbüros. Nach Reußenköge pendeln inzwischen viele, die hier Arbeit gefunden haben. [...]

Frank Pergande, "Die den Wind ernten", in: Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 13. Oktober 2012

Solarenergie

Entstehung und Nutzbarkeit: Außerhalb der Erdatmosphäre wirkt die sogenannte extraterrestrische Sonnenstrahlung mit 1367 Watt pro Quadratmeter. Die Einstrahlung auf der Erdoberfläche ist wegen der atmosphärischen Dämpfungseigenschaften geringer und liegt im Bereich von rund 1000 Watt pro Quadratmeter. Bei der Einstrahlung wird zwischen der diffusen, das heißt indirekten, durch Wolken abgeschwächten, sowie der direkten Strahlung unterschieden. Letztere liefert in Deutschland nur in den Monaten März bis Oktober wesentliche Beiträge. Solare Strahlung lässt sich thermisch zur Aufheizung und in Kopplung mit anderen Prozessen zur Stromerzeugung bzw. mit dem photovoltaischen Effekt, das heißt mit der Umwandlung von solarer Strahlung in Elektronen, auch direkt zur Stromerzeugung nutzen.

Kraftwerkstechnologien: Obwohl der photoelektrische Effekt bereits 1839 entdeckt und ab den 1950er-Jahren an photovoltaischen Zellen geforscht wurde, begann wegen der im Vergleich hohen Kosten und geringen Wirkungsgrade die industrielle Nutzung der Photovoltaik in Deutschland erst nach der Einführung des Stromeinspeisungsgesetzes im Jahr 1990. Zur direkten Wandlung von solarer Strahlungsenergie in elektrische Energie wird der photoelektrische Effekt genutzt: Dotierte, das heißt gezielt mit anderen Materialien verunreinigte Halbleiter setzen bei der Bestrahlung mit Licht Ladungsträger frei. Meist wird dafür dotiertes Silizium genutzt. Solarzellen können monokristallin, polykristallin oder in Dünnschichttechnologie aufgebaut sein. Typische Wirkungsgrade sind: 14 bis 18 Prozent für monokristalline, 13 bis 16 Prozent für polykristalline und zehn bis 12 Prozent für Dünnschichtzellen. Die einzelnen Zellen werden in Modulen zusammengeschaltet, da jede einzelne nur eine geringe Spannung von 0,6 bis 0,7 Volt liefert. Eine Photovoltaikanlage besteht aus dem aus Modulen aufgebauten Solargenerator, dem nachgeschalteten Wechselrichter sowie einer Sicherheitsschnittstelle zum Netz. Die Module liefern abhängig von der Einstrahlungsleistung eine elektrische Leistung. Da es sich um Gleichspannung handelt, muss noch eine Anpassung an den Wechselstrom im Netz erfolgen. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter. Mit der Sicherheitsschnittstelle wird gewährleistet, dass die Anlage bei einem Netzausfall abschaltet. Durch die Verschaltung vieler Module sind nahezu unbegrenzte Anlagenleistungen realisierbar; hierbei tritt jedoch ein hoher Flächenverbrauch auf.

Prinzip einer netzgekoppelten PhotovoltaikanlagePrinzip einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage
Photovoltaische Anlagen in Mitteleuropa weisen abhängig von der Einstrahlung und dem Material am jeweiligen Standort eine energetische Amortisationszeit von zwei bis drei (Dünnschicht) bzw. drei bis fünf Jahren (polykristallin) auf. Das Entwicklungspotenzial dieser Kraftwerkstechnologie ist noch lange nicht ausgeschöpft, insbesondere der Erhöhung der Wirkungsgrade kommt eine große Bedeutung zu. Industriell eingesetzte konzentrierende solarthermische Anlagen nutzen nur den direkten Strahlungsanteil, bei dem die Sonnenstrahlung in einem Brennpunkt konzentriert wird. Diese Technologie spielt in Deutschland keine Rolle, da sie erst ab einer direkten Sonneneinstrahlung von 1700 kWh/m² und Jahr sinnvoll einsetzbar ist. Bereits 1912 wurden Parabolrinnen zur Dampferzeugung für eine 45-kW-Dampfmotorpumpe in Ägypten eingesetzt. Die industrielle Nutzung zur Stromerzeugung begann 1984 in den USA, seither wurden weltweit rund 15 Projekte umgesetzt. Das solare Parabolrinnenkraftwerk besteht aus Reihen von Parabolrinnen, die der Sonne nachgeführt werden. Ein nachgeschaltetes Dampfkraftwerk erzeugt über den angetriebenen Generator Strom. Es sind Kraftwerksleistungen im Bereich von 10 MW bis 300 MW realisierbar.

Solarthermische KraftwerksprinzipienSolarthermische Kraftwerksprinzipien
Bei solaren Turmkraftwerken wird die Sonnenstrahlung über zweiachsig nachgeführte Spiegel auf das Absorberfenster einer Turmkonstruktion fokussiert. Hinter dem Absorber wird Luft erhitzt, die eine nachgeschaltete Gasturbine mit Generator antreibt und Strom erzeugt. Gebaut wurden bisher zwei Versuchsanlagen in Kalifornien und Südspanien sowie ein kommerziell nutzbares Kraftwerk in Südspanien, in den USA sind mehrere Anlagen im Bau. Mit dieser Bauart sind Kraftwerksleistungen zwischen 10 MW und 1000 MW erreichbar. Eine andere Ausführung solarthermischer Kraftwerke sind die Dish-Stirling-Systeme. Sie bestehen aus einem zweiachsig nachgeführtem Parabolspiegel (Dish), in dessen Brennpunkt sich eine Wärmekraftmaschine, der Stirling-Motor, befindet. Er setzt die Wärme in Bewegungsenergie um und treibt einen elektrischen Generator an. Es sind Leistungen bis zu 250 kW möglich. Diese Kraftwerksart ist vorrangig für netzferne Versorgungen konzipiert.

Quellentext

Solartechnik für den Sonnengürtel

[D]as Vorhaben, Strom aus den menschenleeren, aber sonnenreichen Wüsten Nordafrikas, erzeugt mithilfe spektakulärer Spiegelparks, in die Steckdosen deutscher Haushalte und Betriebe fließen zu lassen [...] erweist sich [...] als reichlich teuer. [...] [D]ie solarthermische Stromerzeugung [...] CSP [Concentrated Solar Power] beruht auf der Konzentration von Sonnenstrahlen mithilfe von Spiegeln. So entsteht enorme Hitze, mit der Wasserdampf erzeugt werden kann. Damit lässt sich eine Turbine antreiben, wie in gewöhnlichen Dampfkraftwerken – nur dient eben die Urkraft der Sonne als Energiequelle. Trotzdem ist das Interesse an der Errichtung der großen solarthermischen Kraftwerke mit ihren riesigen Spiegeln, tonnenschweren Stahlgerüsten, langen Hitzeabsorbern und ausgewachsenen Turbinenhäusern gering geblieben [...] – während Förderprogramme den Weltmarkt für die kleinteiligen Photovoltaik-Anlagen rasch wachsen ließen. [...]

CSP, die alternative Technik der Solarstromerzeugung, hat einen wichtigen Vorteil: Die mithilfe der Spiegel erzeugte Hitze lässt sich in speziellen Wärmespeichern einige Stunden lang konservieren. Deshalb können thermische Solarkraftwerke auch nachts Strom liefern – dann, wenn aus Solarzellen keine einzige Kilowattstunde kommt.
Der Nachteil der Spiegeltechnik: Sie funktioniert in Ländern wie Deutschland nicht, sondern nur im Sonnengürtel der Erde. [...] Da solarthermische Kraftwerke, anders als Photovoltaik-Anlagen, obendrein nicht scheibchenweise errichtet oder als kleine Einheiten auf Hausdächer geschraubt werden können, sondern immer Großprojekte sind, kostet ihre Vorfinanzierung viel Geld. Die Folge: Der Markt stagnierte – und die Solarthermie geriet im Vergleich zur Photovoltaik ins Hintertreffen. [...]

Weil CSP-Strom rund um die Uhr zur Verfügung steht und damit regelbar ist, ließen sich mit seiner Hilfe die Fluktuationen des daheim erzeugten Wind- und Sonnenstroms ausgleichen, so die CSP-Anhänger. 15 Prozent des Strombedarfs, hoffen sie, könne der Wüstenstrom beisteuern, im Jahr 2050.
So viel, wenn überhaupt etwas, werden die Spiegelkraftwerke indes nur liefern, wenn die Rund-um-die-Uhr-Versorgung aus Nordafrika inklusive Transport billiger ist als die Erzeugung und Speicherung von Wind- oder PV-Strom, zu Hause oder in der Ferne. [...]
Tatsächlich steht außer Zweifel, dass die Solarthermie noch deutlich billiger werden kann. Sinkende Kosten versprechen vor allem Turmkraftwerke, die aussehen, als gehörten sie zur Kulisse eines Science-Fiction-Films. Drei solcher Anlagen stehen bereits in Andalusien. Hunderte Spiegel, Heliostaten genannt, richten dabei die Sonnenenergie auf die Spitze eines Turmes und lassen extrem hohe Temperaturen entstehen. Bei der üblichen Parabolrinnentechnologie lenken gekrümmte Spiegel die Sonnenkraft auf lange und teure Rohre aus Stahl und Glas, in denen Thermoöl zirkuliert.

Der Austausch dieses öligen Wärmeträgers durch Salz verspricht weitere Kostensenkungen, zumal Salz ohnehin bereits als Wärmespeicher für die Nachtstunden dient. Kostensenkungen von 40 Prozent und mehr seien durchaus drin, sagt Robert Pitz-Paal, Direktor des Instituts für Solarforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Rund 10 Cent pro Kilowattstunde teurer dürfe solarthermischer Strom am Ende nicht sein, soll er konkurrenzfähig werden, so der Experte. Heute kostet er mehr als doppelt so viel.
Das Problem: Je häufiger die Solarthermie wegen der aktuell bestehenden Kostennachteile bei Investitionsentscheidungen das Nachsehen hat, desto weniger wahrscheinlich wird die Erschließung der Potenziale zur Kostensenkung. [...]
Sollte der Stern der Solarthermie untergehen, wäre das nicht einmal eine Premiere. Schon 1916 sollte im damaligen Deutsch-Südwestafrika eine Demonstrationsanlage entstehen. Der Erste Weltkrieg kam dazwischen – und das aufkommende Erdölzeitalter.

Fritz Vorholz, "Wüstenstrom, eine Fata-Morgana?", in: DIE ZEIT Nr. 18 vom 26. April 2012

Wasserkraft

Entstehung und Nutzbarkeit: Wasserkraft wird in Form ihrer bewegten Masse für die Energieerzeugung nutzbar. Die Ressourcen sind abhängig von den Niederschlagsmengen und den geologischen Bedingungen unterschiedlich verteilt. In Norwegen werden beispielsweise 99 Prozent der elektrischen Energie aus Wasserkraft gewonnen, in Deutschland sind es drei Prozent.

Kraftwerkstechnologien: Bereits im Jahr 1880 baute man in England das erste Wasserkraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie, 1896 entstand an den Niagarafällen in den USA das erste Großkraftwerk. Die industrielle Nutzung begann mit der Entwicklung effektiver Turbinen Anfang des 20. Jahrhunderts. Der Aufbau eines Wasserkraftwerks ist vergleichsweise sehr einfach, es besteht aus einer Wasserturbine mit angekoppeltem elektrischem Generator. Zur Inbetriebnahme der Wasserturbinen brauchen nur Schieber geöffnet zu werden. Deshalb kann ein Wasserkraftwerk in ein bis zwei Minuten angefahren werden. Wasserkraftwerke lassen sich nach Bauart und Wasserspeicherung unterscheiden. Laufwasserkraftwerke sind Fließkraftwerke und stellen prinzipiell eine Staustufe in einem Fluss dar. Sie nutzen die anfallende Wassermenge und können abhängig von der Größe bei hohen Leistungen Wirkungsgrade bis 94 Prozent erreichen.
Speicherkraftwerke, auch Talsperrenkraftwerke genannt, nutzen das zufließende Wasser nicht unmittelbar. Es wird in Zeiten mit geringem Stromverbrauch gesammelt und in Zeiten mit hohem Leistungsbedarf genutzt.
Pumpspeicherwerke weisen hingegen einen oberen und unteren Speichersee auf. In Schwachlastzeiten wird das Wasser mit preiswerter elektrischer Energie in den oberen Speicher gepumpt. In Zeiten erhöhten Stromverbrauchs wird die potenzielle Energie des Wassers über Turbinen und Generatoren in elektrische Energie gewandelt, indem es in den unteren See abfließt. Bei großen Anlagen sind Wirkungsgrade bis 90 Prozent in einer Speicherrichtung erreichbar. Pumpspeicherwerke werden als Spitzenlastkraftwerk und zur Netzregelung eingesetzt.

Biomasse

Aufkommen und Verwendbarkeit: Aus Pflanzen und anderer Biomasse kann, zum Beispiel durch Verbrennung, Strom erzeugt werden. Zu den für Biomassekraftwerke geeigneten biogenen Festbrennstoffen gehören holzartige und halmartige Energiepflanzen wie Getreidepflanzen oder mehrjährige Gräser. Weitere Beispiele sind Holz aus schnellwachsenden Kulturen wie Pappeln und Weiden sowie Ernterückstande von Waldrestholz oder Stroh. Aber auch organische Nebenprodukte wie Industrierestholz oder organische Abfälle wie Gülle oder Klärschlamm stellen biogene Brennstoffe dar. Biomasse kann sehr vielfältig eingesetzt werden: als Feststoff in Heizkraftwerken mit Wasser-Dampf-Kreislauf, als Biogas in Gasturbinen zur Strom- und Wärmeerzeugung oder als Bioethanol bzw. Biodiesel, der Treibstoffen beigemischt wird.

Quellentext

Biomasse – ein umstrittener Rohstoff

Die energetische Nutzung von Biomasse ist umstritten. Es besteht eine Konkurrenz zwischen stofflicher, thermischer und elektrischer Nutzung. Eine stoffliche Nutzung erfolgt in der Holz- und Papierverarbeitung sowie bei Agrarprodukten in der Nahrungsmittelindustrie. Wenn nicht gleichzeitig die Produktivität erhöht oder zusätzliche Fläche genutzt werden kann, verdrängt der Anbau von Energiepflanzen Nahrungsmittelpflanzen. Beispielsweise wird inzwischen sehr viel Mais und weniger Weizen angebaut, auch der Anbau von Hafer ist deutlich zurückgegangen. Durch die Erzeugung von Biotreibstoffen in den USA und Brasilien sinkt weltweit das Angebot an Nahrungsmitteln, wodurch deren Preise steigen. Auch der Beitrag der Biomasse zum Klimaschutz ist zu hinterfragen, da Energiepflanzen viel Wasser benötigen, die natürliche Vielfalt reduzieren und ihr Anbau dazu führen kann, dass Regenwälder in den Tropen abgeholzt werden.

Kontrovers diskutiert werden außerdem mögliche Spekulationen auf Agrarprodukte: Erst durch ein verknapptes Angebot werden Gewinne erzielt, was wiederum zu weiteren Preissteigerungen führen würde. Wegen der geringen Lagerhaltung im Bereich der Biomasse ist dieser Effekt nur kurzfristig wirksam. Die Nutzung von Nebenprodukten der Biokraftstoffe in Deutschland verringert wesentlich den Import von Soja-Futtermitteln für die Viehhaltung. Die bestehende Flächenkonkurrenz zu Nahrungsmitteln kann dadurch vermindert werden, dass bisher ungenutzte bzw. vor allem auch landwirtschaftlich weniger wertvolle Flächen für den Anbau von Energiepflanzen erschlossen werden und darüber hinaus der Ertrag pro Fläche weiter erhöht wird. Zusätzlich kann durch die energetische Nutzung von anderweitig wertloser Biomasse der "zweiten Generation" von Pflanzenreststoffen oder der "dritten Generation" von Algenprodukten ein grundlegend positiver und nachhaltiger Effekt erzielt werden.

Methoden der Gewinnung und des Transports: Feste Biomasse wird mit Spezialmaschinen geerntet. Der Transport erfolgt vorrangig mit Lastkraftwagen. Energiereiches Pyrolyseöl als Zwischenprodukt oder auch Pflanzenöle werden mit speziellen Tanklastkraftwagen oder mit der Bahn transportiert.
Kraftwerkstechnologien: Biomasse kann auf drei Arten zur Strom-, Wärme- und Treibstofferzeugung genutzt werden:
  • Die erste Art, die thermochemische Energiewandlung, erfolgt durch direkte Verbrennung mit Hilfe eines Sauerstoffüberschusses, durch Vergasung unter Sauerstoffmangel oder Verflüssigung bzw. Pyrolyse unter Sauerstoffabschluss.
  • Bei der zweiten Art, den physikalisch-chemischen Verfahren, wird aus ölhaltiger Biomasse ein Flüssigenergieträger gewonnen. Auf diese Weise ist es möglich, ölhaltige Saat durch Pressung zum Beispiel in einer Ölmühle und Extraktion mit Lösemitteln zu einem Pflanzenöl umzuwandeln. Dieses ist ein Ausgangsstoff für Biodiesel und kann direkt in umgerüsteten Dieselmotoren verwendet werden. Biodiesel ist ein Ester, der aus Pflanzenölen hergestellt wird. Ester entsteht aus der Reaktion einer Säure mit Alkohol unter Abspaltung von Wasser.
  • Zur dritten Art der Energieumwandlung zählen die biochemischen Verfahren. Sie werden eingesetzt, um aus zucker-, stärke- und zellulosehaltiger Biomasse Alkohol zu erzeugen und um Biogas zu gewinnen.


Energiepflanzen für Teller, Trog und TrankEnergiepflanzen für Teller, Trog und Trank
Um höhere Gesamtwirkungsgrade zu erzielen, werden Biomassekraftwerke meist mit Kraft-Wärme-Kopplung betrieben. In Deutschland hat die Nutzung von Biomasse noch ein hohes Potenzial. Vor allem die Biokraftstoffe der "zweiten Generation“ (Pflanzenreststoffe) werden dabei eine große Rolle spielen, da sie weniger in Nutzungskonkurrenz zu anderen Verwertungsarten treten. Während bei der Erzeugung von Biokraftstoffen der ersten Generation nur die Frucht selbst für die Kraftstoffproduktion genutzt wird, findet bei Kraftstoffen der zweiten Generation fast die gesamte Pflanze Verwendung. Biokraftstoffe der "dritten Generation“ entstehen aus der Nutzung von Algen zur Kraftstofferzeugung. Im Flugbereich werden bereits Testflüge mit Algenkraftstoff geplant. Ein großer Vorteil der Stromerzeugung aus Biomasse ist, dass damit teilweise Schwankungen bei der Windenergieeinspeisung ausgeglichen werden können.

Geothermie

Entstehung und Nutzbarkeit: Energie lässt sich auch durch Nutzung der natürlichen Erdwärme (Geothermie) gewinnen. Vorrangig speist die Erdwärme sich aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdinneren. Die einfachste Form der Nutzung ist an natürliche Gegebenheiten wie Heißwasser- und Heißdampfreservoirs gebunden. Diese können direkt für Heizzwecke eingesetzt werden. Das vorhandene Temperaturniveau wird über einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung genutzt, um Dampfturbinen anzutreiben. Wegen der hohen Erschließungskosten muss für den wirtschaftlichen Betrieb die Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden. Deshalb werden nutzbare Standorte neben ihrem Temperaturpotenzial vorrangig so ausgewählt, dass über Heiznetze eine ausreichende Anzahl von Wärmeverbrauchern angeschlossen werden kann.

Kraftwerkstechnologien: Es wird zwischen oberflächennaher Nutzung und Tiefengeothermie unterschieden. Die oberflächennahe Nutzung erfolgt mit Erdwärmepumpen; eine direkte Wärmenutzung flüssiger Wärme- bzw. Kältespeicher (Aquiferen) erfordert starke Temperaturanomalien. Im italienischen Larderello wurde bereits im Jahr 1904 ein Geothermiekraftwerk errichtet. Inzwischen sind dort 21 geothermische Kraftwerke mit einer elektrischen Gesamtleistung von über 560 MW installiert. Bei einer Bohrtiefe von vier Kilometern wird eine Dampftemperatur von 350°C erreicht. Solche hydrothermalen Lagerstätten können bis zu großen Tiefen von einigen Kilometern genutzt werden. Wenn keine natürlichen Heißwasserquellen vorhanden sind, kann Wasser zum Aufheizen in eine Tiefenbohrung verpresst und wieder an die Erdoberflache gepumpt werden. Das Wasser erhitzt sich beim Durchströmen des heißen Tiefengesteins. Mit geothermischen Kraftwerken ist eine kontinuierliche Stromerzeugung möglich, weshalb diese Technologie wie auch die Biomassenutzung gut geeignet ist, den wetterabhängig schwankenden Windstrom auszugleichen. Weltweit sind mehr als 470 geothermische Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von über 9000 MW installiert, der Hauptteil davon in den USA.

In Deutschland ging im Jahr 2003 das erste Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 230 kW in Neustadt-Glewe in Mecklenburg-Vorpommern in Betrieb; es wurde bereits seit 1994 als Heizkraftwerk betrieben. Dieses Kraftwerk wird mit 98°C heißem Wasser aus einer 2250 Meter tiefen Bohrung gespeist. Im Jahr 2007 hat in Landau in der Pfalz ein Geothermiekraftwerk mit einer Bohrtiefe von 3400 Metern und einer elektrischen Leistung von 3,8 MW den Betrieb aufgenommen. Neue Anlagen wurden auch 2009 im bayerischen Unterhaching mit 3580 Metern und 3,4 MW sowie in Bruchsal mit 2500 Metern und 550 kW fertiggestellt.

Als Ausbauziel wird für die deutsche Geothermie eine Gesamtleistung von 280 MW bis zum Jahr 2020 angestrebt. Laut einer Studie im Auftrag des Bundestags könnte der aktuelle Energiebedarf Deutschlands mit Geothermie von der rein rechnerischen Angebotsseite mehr als 600-mal gedeckt werden, wenn die Erschließung und Nutzung dieser Energieform aus tieferen Erdschichten gelänge. Für den Bau von Geothermiekraftwerken stellen die kostenintensiven Tiefenbohrungen den größten Risikofaktor dar. Die Stromerzeugungskosten liegen noch weit über den Kosten anderer Energieträger; die Realisierung von Geothermieanlagen ist daher momentan nur durch staatliche Förderung möglich. Bei ungeeigneten Bodenstrukturen können bei geothermischer Nutzung hohe Risiken auftreten. In Staufen im Breisgau kam es im Jahr 2007 bei Geothermiebohrungen zu Hebungen im Stadtgebiet, weil sich Gipsschichten in Reaktion mit Wasser ausdehnten. Zur Heizungsunterstützung für Eigenheime können Wärmepumpen mit oberflächennaher Erdwärmenutzung eingesetzt werden.