Die Energiewende in Deutschland: Können erneuerbare Energien den deutschen Strombedarf decken?

vorgelegt als Hausarbeit am Institut für Politische Wissenschaft der RWTH Aachen im August 2019

Philipp Köther

1.Einleitung: Wo stehen wir?

Die Gesellschaft des 21.Jahrhunderts sieht sich mit vielen Herausforderungen konfrontiert, die größte ist jedoch fortschreitende Anthropogene Klimawandel. Dieser ist eine Folge der rapiden fortschreitenden Entwicklung menschlicher Hochtechnologien, welche immer mehr Rohstoffe und Energie benötigen. Den Energiebedarf zu decken und so den Wohlstand zu erhalten ist ein Lösbares Problem, jedoch scheint die deutsche Politik nicht darauf erpicht dieses schnell zu lösen. Klar ist jedoch das unsere derzeitige Energieversorgung auf endlichen Ressourcen wie Kohle, Erdöl, Gas und Uran beruht. Es stellt sich also die Frage warum die Umstrukturierung unserer Energieversorgung so viel Zeit benötigt, schrieb sich die Bundesregierung schon 1980 Klimaschutz und den schnellen Umbau der Energieversorgung auf die Fahne (vgl. Quaschning 2018: 5). Besonders die Komplexität des Umbaus der Energieversorgung scheint ein großes Problem zu sein. Zunächst einmal stoßen Interessen und Lösungsansätze aus der Politik, Wirtschaft und Wissenschaft aufeinander. Weiterhin müssen die Lösungen zur Energiewende Gesellschaftlich tragbar sein, der Preis für Strom kann nicht beliebig erhöht werden, um vermehrte Investitionskosten auf den Verbraucher abzuwälzen.
Im Folgenden sollen die Möglichkeiten aufgezeigt werden, welche die Bundesrepublik Deutschland hat, um die Energiewende erfolgreich zu gestalten. Im Besonderen soll die Kontroverse der Energiewende zwischen Politik, Wirtschaft und Wissenschaft dargestellt werden. Die Frage, die sich gestellt werden muss, ist: „Können die Akteure der Energiewende aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik eine gesellschaftlich Tragbare Lösung der Energiewende finden und wodurch wird der Prozess der Lösungsfindung am meisten gestört?“

2. Primärenergieerzeugung in Deutschland

Abbildung 1 (Umweltbundesamt 2019)

Die Graphik des Umweltbundesamtes lässt zwei Schlüsse zu. Der Primärenergieverbrauch ist von 14.905 Petajoule im Jahr 2019 auf 12.900 Petajoule im Jahr 2018 gesunken. Dies ist vor allem auf die Steigerung der erneuerbaren Energien um 13% zurückzuführen, da erneuerbare Energien einen allgemein hören Wirkungsgrad besitzen. Weiterhin konnte durch die Erhöhung der Bruttobrennstoffgrades in fossilen Kraftwerken eine signifikante Effizienzsteigerung umgesetzt werden. Auffällig ist außerdem das der Anteil an fossilen Energieträgern sich insgesamt nicht signifikant verändert hat. Die Energiegewinnung durch Braunkohle und Steinkohle konnte zwar jeweils um 10% und 5% gesenkt werden, dafür wurde aber die Energiegewinnung durch Gase um 9% erhöht. Die Graphik zeigt deutlich das Deutschland noch weit davon entfernt ist seinen Energiebedarf ausschließlich über erneuerbare Energien zu decken.
Es scheint drei mögliche Gründe für diesen Umstand zu geben. Der erste mögliche Grund könnte die nicht ausreichende regenerative Energiemenge sein und der derzeitige wissenschaftliche und technische Entwicklungsstand, der noch nicht ausgereift ist, um die Energieversorgung nur über erneuerbare Energien sicherzustellen. Ein weiterer Grund könnte die Fehlplanung durch die Bundesregierung gewesen sein, die zu spät erkannt hat, das Investitionen in erneuerbare Energien nötig sind, um dem anthropogenen Klimawandel entgegen zu wirken. Weiterhin spielen die Interessen der großen Energieversorger (Eon, Vattenfall, EnBW und RWE) eine entscheidende Rolle. Diese müssen alle im Sinne ihrer Anleger Gewinn erwirtschaften. Die Energiewende kostet diese Konzerne Geld, je schneller die Energiewende desto höher sind die Investitionskosten für die Konzerne. Die Konzerne haben also ein Interesse daran den Umbau der Energieversorgung in einem gemäßigten Tempo zu realisieren.

3.Grundlagen der Erneuerbaren Energien

Zunächst muss festgestellt werden on der weltweit jährliche Primärenergiebedarf durch regenerative Energiequellen gedeckt werden kann. Der jährliche weltweite Primärenergiebedarf liegt bei 170 Billionen Kilowattstunden. Die Sonne strahlt jährlich eine Energiemenge von 1,5 Trillionen Kilowattstunden auf die Erde, 30% davon absorbiert die Atmosphäre sodass immer noch über 1 Trillionen Kilowattstunden übrigbleiben Neben der direkten Nutzung der Sonnenenergie durch Photovoltaik und Solarthermieanlagen, kann die Sonnenenergie durch natürliche Vorgänge der Erde auch noch anders genutzt werden. Denn ein Teil der Sonnenenergie wird in andere Energieformen wie Wind, Biomasse, Wasserkraft umgewandelt. Weiterhin kann noch die Erdwärme durch Geothermie genutzt werden und die Gezeitenenergie in Folge der Anziehung des Mondes und der anderen Planeten (Vgl. Quaschning 2018: 109). Es mangelt also nicht an einem Unternagebot von nutzbaren regenerativen Energiequellen.

3.1.Entwicklungsstand der erneuerbaren Energien

Theoretisch können die erneuerbaren Energien den weltweiten Energiebedarf also problemlos decken, auch in Deutschland. Auch praktisch ist dies möglich, das zeigt folgende Graphik.

Abbildung 2 (Pietroni 2018)

Am 01.01.2018 wurde der Deutsche Strombedarf zu 100% durch erneuerbare Energien gedeckt. Der Strommix bestand dabei aus den Energieträger Biomasse, Windenergie zu Land und zu See, Laufwasserkraftwerken sowie Solarenergie. Aus technischer Sicht scheint der derzeitige Wirkungsgrad der erneuerbaren Energien groß genug zu sein, um den Strombedarf in Deutschland zu decken. Größere Probleme bereiten thermische Kraftwerke, also Kern-, Braunkohle oder Heizkraftwerke. Denn diese können nur sehr schlecht geregelt werden. Vor allem Braunkohlekraftwerke sind darauf ausgelegt auf Grundlast zu laufen, sie arbeiten dann optimal, wenn sie über einen langen Zeitraum eine konstante Leistung abgeben (vgl. Quaschning 2018: 101). In geringem Maße können die Braunkohlekraftwerke die Leistungsschwankungen ausgleichen und den Betrieb auf 50% drosseln, dafür müssen die Anlagen aber sehr modern sein (vgl. Quaschning 2018: 101). Übernehmen die erneuerbaren Energien bei weiterem Ausbau immer mehr die Energieversorgung kommt es zu Problemen bei den Grundlastkraftwerken. Sind diese einmal abgeschaltet dauert es Stunden bis diese wieder auf Höchstleistungen laufen können. Es ergibt sich also ein wirtschaftlicher Konflikt zwischen thermischen Kraftwerken und dem Ausbau erneuerbarer Energien. Je länger die thermischen Kraftwerke auf Grundlast Strom produzieren können desto profitabler sind diese. Es liegt also im Interesse der Energiekonzerne diese möglichst lange laufen zu lassen und den Ausbau der erneuerbaren Energie hinauszuzögern.

3.2.Speicherung erneuerbarer Energien

Im Gegensatz zu thermischen Kraftwerken unterliegen die erneuerbaren Energien Wetterbedingten Schwankungen. Aufgrund dessen ist es nötig überschüssige Energie zu speichern, um diese an schlechten Tagen wieder in das Stromnetz einspeisen zu können. Dazu gibt es verschieden Möglichkeiten.
Energie in Form von Strom wird in den meisten Fällen in Batterien gespeichert, heutzutage vor allem in Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Batterien haben den Vorteil das sie tiefer entladen werden können und eine höhere Energiedichte haben als beispielsweise Bleibatterien (vgl. Penenell 2018). Um die Defizite und Überschüsse in Deutschland ausgleichen zu können muss eine Speicherkapazität von 5% der jährlich erzeugten Energie- bzw. Strommenge gespeichert werden können. Dies entspricht einer Menge von 30.000 GWh, in Deutschland kann derzeitig aber nur eine Menge von 400 GWh gespeichert werden (vgl. Quaschning 2012: 10-12). Weiterhin muss zwischen Kurzzeitspeichern und Langezeitspeichern unterschieden werden.
Kurzzeitspeicher werden benötigt, um Defizite von wenigen Stunden überbrücken zu können. Hierfür wird eine Speicherkapazität von 400 GWh benötigt, es wird also eine Verzehnfachung der bisherigen Speicherkapazitäten benötigt. Diese Kapazitäten können durch eine Kombination aus dezentralen Speichersystem in den Haushalten und größeren zentralen Speicher sowie Speichern in der Industrie und Gewerbe. Um größere Defizite von mehreren Wochen überbrücken zu können sind Batteriespeichersysteme eher weniger geeignet, die Gasspeichertechnologie scheint in diesem Bereich vielversprechender zu sein. Deutschland besitzt bereits Erdgasspeicher mit einer Kapazität von 20 Mrd. m3. Dies entspricht einem Heizwert von 200.000 GWh, also einem vielfachem von der Kapazität die Deutschland benötigt. Zwar muss bei der Umwandlung von Erdgas in Elektrizität ein Verlust hingenommen werden, die Kapazitäten reichen aber auch dann immer noch aus. Der von den erneuerbaren Energien überschüssig erzeugte Strom kann dann von Elektrolyseeinheiten in Wasserstoffgas erzeugen, welcher sich in das Erdgasnetz einspeisen lässt. Die bestehende Infrastruktur des Erdgasnetzwerkes kann also genutzt werden. Es muss jedoch berücksichtigt werden das zunächst erstmal 5% Wasserstoffgas in das Netz eingespeist werden können. Höhere Werte von bis zu 20% regenerativer Gasmengen lassen sich durch höhere Methanisierungsstufen beimischen. Ein Nachteil der Gasspeicherung ist der relativ niedrige Gesamtwirkungsgrad von 40%. Dieser wird sich aber durch Techniken wie die Kraft-Wärme-Kopplung und weitere Forschungsanstrengungen erhöhen (Vgl. Quaschning 2012: 10-12)

3.3.Ressourcenverbrauch erneuerbarer Energien

Auch die Verwendung erneuerbarer Energien geht mit dem Verbrauch von Ressourcen einher, besonders mit dem Verbrauch seltener Erden. Besonders die Batteriespeichertechnologie und Solarindustrie sind Ressourcenintensive Energieträger. Was das bedeutet soll im Folgenden gezeigt werden.
Die Batteriespeichertechnologie, die besonders auf Lithium-Ionen-Akkus setzt, benötigt besonders viel Lithium. Zunächst bleibt festzuhalten das die Lithiumreserven in nächster Zeit nicht von Knappheit bedroht sind (vgl. Penell 2018). Die größere Gefahr besteht darin, dass das Lithium nicht schnell genug abgebaut werden kann. Denn die Nachfrage von Lithium-Ionen-Batterien stieg von 2010 bis 2014 um 73% an, während die Produktion nur um 23% zunahm. Dementsprechend hoch ist die Nachfrage nach Lithium. Wie viel Lithium vorhanden ist kann nur geschätzt werden. Die niedrigste Schätzung geht von 3,9 Millionen Tonnen aus, während die höchste Schätzung von der Zehnfachen Menge ausgeht (Penell 2018). In jedem Fall sollten die Lithium Ressourcen den Weltbedarf bis 2050 decken können. In diesem Zeitraum ist es wichtig Forschungsanstrengungen zu intensivieren die sich mit der Wiederverwendbarkeit von Lithium beschäftigen.
Ein weiteres Problem bei Lithium ist der Abbau, der vornehmlich in Solebecken in Südamerika erfolgt, vor allem in Chile und Argentinien. Susanne Götz beschreibt das Problem in ihrem Bericht zur Kehrseite der Energiewende so: „Das Problem ist, dass die Maschinen den Untergrund komplett umpflügen, um neue Brunnen oder Transportwege zu bauen. Dadurch zerstören sie die natürlichen Barrieren zwischen Salz- und Süßwasser und kontaminieren das Wasser. Zudem bohren sie nach Süßwasser für die Lithiumproduktion. Aber das hat Folgen für die Brunnen der Anwohner und die natürlichen Grundwasservorkommen“ (Götz 2019). Es zeigt sich das die Einwohner, welche in den Lithiumreichen Gebieten wohnen unter dem Abbau zu leiden haben. Hier muss die Politik handeln und Normen schaffen nachdem Lithium abgebaut wird. Neben Lithium steigt auch die Nachfrage nach Kobalt und Grafit. Auch diese seltenen Erden werden in Batterien benötigt. Kobalt wird vornehmlich in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut, wo Kinder -und Sklavenarbeit ein großes Problem ist (vgl. Penell 2018). Auch hier muss es die Aufgabe der Politik sein menschenwürdige Bedingungen zu schaffen, denn Ziel der Energiewende kann es nicht sein sie selbst unter widrigsten Bedingungen durchzusetzen.
Bei der Herstellung von Solarzellen wird vor allem Silizium benötigt. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste (vgl. Quaschning 2018: 136). Es kommt in der Natur fast nur in gebundener Form vor, also in Quarzsand, silikathaltigen Gesteinen oder in Kieselsäure in den Weltmeeren. Reines Silizium wird in den meisten Fällen aus Quarzsand gewonnen. Im Gegensatz zum Lithium scheint der Siliziumabbau keine signifikanten Probleme zu haben.
Natürlich werden auch bei dem Bau von Windkraftanlangen Ressourcen verbraucht. Die Hauptbestandteile eines Windrades sind Beton (63,57%) und Stahl (32,17%), die Anteile können variieren je nachdem ob das Windrad einen Stahl- oder Betonturm hat. Der Rest des Windrades besteht aus faserverstärkten Kunstoffen, Kupfer, Aluminium und Elektronik und besitzen einen eher geringen Anteil. Insgesamt kommt bei einem Windrad auf eine Gesamtrecyclingquote von 80-90%. Am schwersten zu Recyceln sind die Rotorblätter, die aus Faserverbundmaterialien bestehen. Hier bleibt zunächst einmal festzuhalten das die Rotorblätter eine prognostizierte Nutzungsdauer von ca. 25 Jahren haben. Dies wird ermöglich durch die sehr gute Wartung, die Möglichkeiten die Blätter mehrfach reparieren zu können und die Möglichkeit gebrauchte Rotorblätter in das Ausland verkaufen zu können.

Abbildung 3 (Seiler, Bilitewski, Woidasky)
Abbildung 3 (Seiler, Bilitewski, Woidasky)

Wie der Grafik zu entnehmen ist wird die Menge der zu entsorgenden Rotorblätter bis 2055 zunehmen. Hier besteht Forschungsbedarf, um ökologische und ökonomische Lösungen zu finden, aber diese sollten aber in so einem großen Zeitraum zu finden sein (Vgl. Seiler, Bilitewski, Woidasky).

4.Die Energiewende ist machbar: Handlungsschwierigkeiten?

Es zeigt sich das die Möglichkeiten zur Energiewende in allen Belangen gegeben sind. Jedoch scheint die Energiewende in Deutschland schleppend voran zu gehen. In Deutschland beruht wie in Abbildung 1 beschrieben, der Großteil der Energieversorgung auf Mineralöl und Kohle. Die Bundesregierung sieht den Kohleausstieg bis spätestens 2038 vor. 2032 soll ein Gremium entscheiden ob der Ausstieg 2035 möglich ist. Es wird deutlich das es bei der Energiewende nicht um die Machbarkeit geht, sondern viel mehr Wirtschaftsinteressen und Vertragskonflikte von Energieunternehmen mit der Bundesregierung. Der Leitsatz der Bundesregierung ist „die drei Grundkriterien zu beachten, nämlich Versorgungssicherheit, Bezahlbarkeit der Energie und Klimaschutz“ (vgl. Bundesregierung 2019). Dieser Leitsatz erscheint Paradox vor dem Hintergrund die Kohlekraftwerke bis mindestes 2035 laufen zu lassen. Klar ist, dass die Regierung den vier Großen Energieunternehmen Eon, EnBW, Vattenfall und RWE in Verträgen zugesichert hat, dass diese ihre Kraftwerke länger als 2038 betreiben können. Anhand dieser Verträge entscheiden die Unternehmen wie sie in Zukunft investieren sollen. Es liegt also nicht grundsätzlich an den Energieunternehmen, dass die Energiewende schleppend vorangeht. Wie bereits in der Einleitung festgestellt machte sich die Bundesregierung bereits 1980 die Umstrukturierung der Energieversorgung zum Auftrag. In 28 Jahren bis 2018 wurde der Anteil der erneuerbaren Energien aber nur um 13% erhöht. Jetzt benötigt es also mindestens weitere 17 Jahre, um den Anteil der erneuerbaren Energien so zu erhöhen, sodass diese die Energieversorgung Deutschlands sicherstellen können.
Besonders problematisch scheint die gleichzeitige Investition in den Ausbau der erneuerbaren Energien und die Reduzierung der Kohleenergie. Denn je größer der Anteil an erneuerbaren Energien ist, desto weniger können thermische Kraftwerke auf Grundlast laufen. Je weniger die thermischen Kraftwerke auf Grundlast laufen desto größer ist der monetäre Verlust der Unternehmen. Wenn 2022 alle Atomkraftwerke abgeschaltet sind, was auf langfristige Sicht sehr sinnvoll ist, wird sich dieses Problem noch verstärken, da die Grundlastschwankungen in den Kohlekraftwerken dann noch größer sind. Selbstverständlich zahlt die Bundesregierung den Energieunternehmen Entschädigungen für die Verluste. Wie hoch die Entschädigungen sind ist bisher nicht bekannt es scheint sich aber abzuzeichnen das 600 Millionen Euro pro Gigawatt Leistung gezahlt werden (vgl. Bundesregierung 2019).
Eine Lösung, die alle Akteure zu 100% zufrieden stellt ist nicht in Sicht. Aus technischer Sicht spricht nichts gegen einen raschen Ausbau erneuerbarer Energie. Der Ausbau findet zwar statt aber viel zu langsam, weil die Energieunternehmen ihre Verluste so gering wie möglich halten wollen. Die Bundesregierung versucht eine Gesellschaftlich Verträgliche Energiewende zu gestalten die sowohl die Kosten bei Verbrauchern und Unternehmen gering hält und den Verlust von Arbeitsplätzen minimiert. In Hinblick auf den fortschreitenden anthropogenen Klimawandel muss Deutschland aber mit gutem Beispiel voran gehen und zeigen das eine Versorgung mit erneuerbaren Energien möglich ist.

Literaturverzeichnis

Bundesregierung (2019): Der Einstieg in den Kohleausstieg, online im Internet: Der Einstieg in den Kohleausstieg, 31.01.2019,[Zugegriffen am 07.08.2019]

Götze, Susanne (2019): Kehrseite der Energiewende, online im Internet: https://www.deutschlandfunk.de/lithium-abbau-in-suedamerika-kehrseite-der-energiewende.724.de.html?dram:article_id=447604, 30.04.2019, [Zugegriffen am 07.08.2019]

Penell, Kyle (2018): Gibt es genug Lithium, um den Bedarf für Batterien zu decken?, online im Internet: https://blog.energybrainpool.com/gibt-es-genug-lithium-um-den-bedarf-fuer-batterien-zu-decken/, 26.03.2018, [Zugegriffen am 07.08.2019]

Pietroni, Angela (2018): Rekord! Erneuerbare Energien decken erstmalig 100 Prozent der Stromnachfrage – und das Licht ging nicht aus!, online im Internet: https://blog.energybrainpool.com/rekord-erneuerbare-energien-decken-erstmalig-100-prozent-der-stromnachfrage/, 16.01.2018, [Zugegriffen am 07.08.2019]

Quaschning, Volker (2018): Erneuerbare Energien und Klimaschutz, 4. Auflage, München, Carl Hanser Verlag

Quaschning, Volker (2012): Würde da nicht das Licht ausgehen?, in Sonne und Wind, Nr. 07/2012, S.10-12

Seiler, Elisa Dipl.Ing, Bilitewski, Bernd Dr.h.c. Dr.-Ing. habil. Prof., Woidasky, Jörg Dr.-Ing: Recycling von Windkraftanlagen, online im Internet: https://www.ict.fraunhofer.de/content/dam/ict/de/documents/medien/ue/UE_klw_Poster_Recycling_von_Windkraftanlagen.pdf, Frauenhofer ICT, [Zugegriffen am 07.08.2019]

Umweltbundesamt (2019): Primärenergieverbrauch, online im Internet: https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/primaerenergieverbrauch#textpart-1, 26.02.2019, [Zugegriffen am 06.08.2019]

Energiewende, Erneuerbare Energien, Klimaschutz, Stromerzeugung