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Energiewende
Zu den erneuerbaren Energien zählen Bioenergie, Erdwärme, Wasserkraft, Meeresenergie, Sonnenenergie (Solarthermie, Photovoltaik) und Windenergie. Konzeptionell …
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Begriff, Bedeutung und Ziele
Die Energiewende, international meist „energy transition“ genannt, ist der Übergang von einer fossilen Energieversorgung zu einem nachhaltigen Energiesystem auf Basis erneuerbarer Energien. In Deutschland umfasst sie zusätzlich den Ausstieg aus der Kernenergie. Sie betrifft nicht nur den Strom, sondern auch Wärme und Verkehr sowie langfristig fossile Rohstoffe für Kunststoffe und die Stickstoffdünger-Synthese.
Zentrale Ziele sind Klimaschutz, langfristige Energiesicherheit, Ressourcenschonung und die Verringerung von Umwelt- und Gesundheitsschäden. Dazu sollen externe Kosten – etwa Klima-, Umwelt- und Gesundheitsschäden, die nicht von ihren Verursachern getragen werden – in die Energiepreise einbezogen werden. Eine nachhaltige Energieversorgung soll gegenwärtige Bedürfnisse erfüllen, ohne die Möglichkeiten zukünftiger Generationen zu beeinträchtigen. Sie muss ausreichend, sicher, flexibel, risikoarm, umwelt- und sozialverträglich sowie bezahlbar sein.
Wichtigster Anlass ist die menschengemachte globale Erwärmung: Rund 80 % der anthropogenen Treibhausgasemissionen entfallen auf die Energienutzung. Bei unverändertem Emissionsniveau erwartete der Fünfte IPCC-Sachstandsbericht bis 2100 eine Erwärmung um wahrscheinlich 3,7 bis 4,8 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau, bei einer Unsicherheitsspanne von 2,5 bis 7,8 °C. Fossile Energieträger sind zudem endlich und verursachen Luft-, Wasser- und Bodenschäden. Kernenergie bringt Unfall-, Entsorgungs- und Proliferationsrisiken mit sich.
Dekarbonisierung bedeutet, die Energieversorgung von Kohlenstoffemissionen zu befreien. Für eine Wahrscheinlichkeit von mehr als 50 %, das Zwei-Grad-Ziel einzuhalten, durften laut IPCC von 2011 bis 2050 höchstens 870 bis 1.240 Gigatonnen CO₂ freigesetzt werden. Damit müssten ungefähr ein Drittel der Ölreserven, die Hälfte der Erdgasreserven und mehr als 80 % der Kohlereserven ungenutzt bleiben. Für das Pariser Ziel müssten die globalen CO₂-Emissionen von etwa 40 Mrd. Tonnen jährlich jedes Jahrzehnt halbiert werden.
Weitere Ziele sind soziale und generationenübergreifende Gerechtigkeit, weniger Abhängigkeit von Energieimporten und politisch instabilen Exportstaaten, regionale Wertschöpfung und Arbeitsplätze. Hinzu kommt die öffentliche Gesundheit: Weltweit sterben jährlich etwa sieben Millionen Menschen vorzeitig an Luftverschmutzung. Um 2010 entfielen auf die G8-Staaten mit 12 % der Weltbevölkerung etwa 50 % des Primärenergieverbrauchs, auf das ärmste Viertel der Weltbevölkerung dagegen nur 3 %. Als entwicklungspolitische Aufgabe gilt deshalb, 1,2 Mrd. Menschen Zugang zu Elektrizität und 2,8 Mrd. Menschen zu sauberer Kochenergie zu ermöglichen.
Entwicklung in der Welt und in Deutschland
Schon im 19. Jahrhundert wurden die Endlichkeit der Kohle und Möglichkeiten der Sonnen- und Windenergienutzung diskutiert. William Stanley Jevons nahm 1865 ein exponentielles Wachstum des Kohleverbrauchs von 3,5 % jährlich an. John Tyndall entdeckte Mitte des 19. Jahrhunderts den Treibhauseffekt von CO₂; Svante Arrhenius beschrieb 1896 den Einfluss fossiler Brennstoffe auf die globale Erwärmung. Erste technische Anwendungen folgten früh: 1913 entstand in Ägypten ein Solarthermiekraftwerk, und Dänemarks Windanlagen deckten 1918 bereits etwa 3 % des Strombedarfs.
Die moderne Energieforschung gewann mit der Ölkrise 1973 an Bedeutung. Amory Lovins beschrieb 1976 den „Soft Energy Path“: Energieeffizienz und erneuerbare Quellen sollten das zentralisierte fossil-nukleare System schrittweise ersetzen. Bent Sørensen hatte 1975 einen vollständig auf Wind- und Solarenergie beruhenden Plan für Dänemark bis 2050 vorgelegt. Seit den 1990er Jahren wurden Klimaschutz und Nachhaltigkeit internationale Ziele. Die Klimarahmenkonvention entstand 1992, das Kyoto-Protokoll wurde 1997 verabschiedet und trat 2005 in Kraft. Im Pariser Übereinkommen von 2015 vereinbarten knapp 200 Staaten, die Erwärmung auf deutlich unter 2 °C und möglichst 1,5 °C zu begrenzen. Stand 2022 hatten fast alle Staaten das Abkommen ratifiziert. Die Erwärmung lag 2021 bei 1,2 °C über dem vorindustriellen Niveau.
Dänemark gilt als Pionier und deckte 2012 bereits 30 % seines Strombedarfs mit Windenergie. China war 2013 Weltmarktführer bei Herstellung und Einsatz von Windkraftanlagen, Solarzellen und Smart-Grid-Technologien. Die 2010 gegründete IRENA fördert weltweit erneuerbare Energien. Fortschritte werden unter anderem mit dem Global Energy Transition Index und dem Klimaschutz-Index gemessen; Deutschland lag 2023 im ersten Index auf Platz 11.
In Deutschland entstand die Energiewende aus Umwelt- und Anti-Atomkraftbewegung sowie den Ölkrisen der 1970er Jahre. Das Öko-Institut veröffentlichte 1980 „Energie-Wende. Wachstum und Wohlstand ohne Erdöl und Uran“. Das Stromeinspeisungsgesetz von 1990 und später die Ökosteuer, das 100.000-Dächer-Programm, das Erneuerbare-Energien-Gesetz und der erste Atomausstieg beschleunigten den Umbau. Die erneuerbare Stromerzeugung stieg von 29 TWh im Jahr 1999 auf 161 TWh im Jahr 2014. Nach Fukushima beschloss der Bundestag am 30. Juni 2011 den zweiten Atomausstieg. Die letzten drei Kernkraftwerke wurden wegen der Energiekrise nicht 2022, sondern am 15. April 2023 abgeschaltet.
Bausteine eines nachhaltigen Energiesystems
Die Kernelemente sind der Ausbau erneuerbarer Energien, höhere Energieeffizienz, Energieeinsparung, Sektorenkopplung, Netzausbau, flexible Nachfrage und – bei hohen Anteilen schwankender Erzeugung – Speicher. Erneuerbare Energien sind nach menschlichen Maßstäben praktisch unerschöpfliche Quellen: Bioenergie, Geothermie, Wasserkraft, Meeresenergie, Solarenergie und Windenergie. Wind und Sonne besitzen das größte Potenzial. Ihre Lebenszyklus-Emissionen sind deutlich niedriger als bei fossilen Kraftwerken: im Mittel 9,4 g CO₂-Äquivalent/kWh bei Windkraft, 11,6 g bei Wasserkraft, 29,2 g bei Photovoltaik und 33,6 g bei Geothermie, gegenüber etwa 350–400 g bei GuD-Gaskraftwerken und 750–1050 g bei Steinkohlekraftwerken.
Energieeffizienz bedeutet, einen bestimmten Nutzen mit weniger Primär- oder Endenergie zu erreichen, etwa durch Gebäudedämmung, effizientere Motoren und LED-Beleuchtung. Gebäude verursachen weltweit ungefähr 40 % des Primärenergieverbrauchs und rund ein Drittel der CO₂-Emissionen. Passivhäuser benötigen durchschnittlich nur etwa 5 % der Energie eines Bestandsgebäudes. Effizienzgewinne können durch den Rebound-Effekt teilweise verloren gehen; die durchschnittliche Minderung der Einsparung wird mit 10 % angegeben, einzelne Studien nennen 0 bis 30 %.
Energieeinsparung oder Energiesuffizienz beruht vor allem auf Verhalten und Organisation: niedrigere Raumtemperaturen, Stoßlüften, weniger Autofahrten, sparsame Fahrzeuge oder öffentlicher Verkehr. Eine Absenkung der Raumtemperatur um 1 °C spart etwa 5 % Heizenergie.
Sektorenkopplung verbindet Strom, Wärme und Verkehr. Da Wind- und Solarenergie vor allem Strom liefern, sollen Wärmepumpen und Elektromobilität fossile Brennstoffe ersetzen. Erdwärmepumpen erreichen Jahresarbeitszahlen von 3 bis 5 und erzeugen somit aus 1 kWh Strom 3 bis 5 kWh Wärme. Fernwärmesysteme der vierten Generation kombinieren erneuerbare Wärme, industrielle Abwärme, Großwärmepumpen, Kraft-Wärme-Kopplung und Wärmespeicher. Im Verkehr sind batterieelektrische Fahrzeuge besonders effizient; bei Nutzung des europäischen Strommixes von 2009 verursachten sie je nach Berechnung 31 bis 56 % weniger CO₂ als Verbrenner. Für schwer elektrifizierbare Bereiche wie Flug-, Schiffs- und Schwerlastverkehr kommen Biokraftstoffe oder synthetische Kraftstoffe infrage. Mit Elektrolysewasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen jedoch etwa 130 % mehr Energie als batterieelektrische Autos.
Integration, Flexibilität und Speicher
Wind- und Solarstrom schwanken mit Wetter, Tageszeit und Jahreszeit. Ein regeneratives System gleicht Über- und Unterproduktion deshalb durch einen Mix aus Netzen, verschiedenen Erzeugern, steuerbarer Nachfrage, Wärme- und Stromspeichern, Elektromobilität, Produktionsprognosen und begrenzter Abregelung aus. Smart Grids sind intelligente Stromnetze, die Erzeugung und Verbrauch koordinieren. Laststeuerung verschiebt den Verbrauch in Zeiten hoher Stromproduktion.
Der Netzausbau verbindet unterschiedliche Wetterregionen und glättet die gemeinsame Einspeisung. Die Fernübertragung mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung ist Speicherung häufig wirtschaftlich überlegen. Über 5.000 km wurden bei 800 kV Verluste von weniger als 14 % angegeben. Ein europäischer Verbund senkt somit Speicher- und Regelenergiebedarf.
Speicher werden nicht schon bei kleinen Anteilen erneuerbarer Energien in großem Umfang benötigt. Die Fachliteratur sieht stärkere Sektorkopplung und Speicher etwa ab 40–50 % Wind- und Solarstrom als notwendig an. In Deutschland werden bei einem flexiblen Kraftwerkspark Tages- oder Kurzfristspeicher ungefähr ab 50 % Wind- und Solarenergie benötigt; saisonale Power-to-Gas-Speicher etwa ab 80 %. Pumpspeicher, Batterien und Druckluftspeicher dienen dem kurzfristigen Ausgleich. Chemische Speicher wie Wasserstoff, Methan oder Methanol eignen sich für längere Zeiträume, haben aber höhere Umwandlungsverluste. Power-to-Gas senkt Emissionen nur mit erneuerbarem Strom.
Die Transformation lässt sich in vier Phasen gliedern: Bis etwa 25 % erneuerbarem Strom stehen Technikentwicklung, Markteinführung und Kostensenkung im Vordergrund. Zwischen etwa 25 und 60 % werden Erzeugung und Verbrauch flexibler und Wärme sowie Verkehr stärker eingebunden. Ab etwa 60–70 % werden größere Überschüsse und chemische Langfristspeicher wichtig. In der vierten Phase werden fossile Energieträger auch in Wärme und Verkehr vollständig verdrängt.
Ein typischer saisonaler Betrieb nutzt im Winter bei viel Wind zuerst Wärmepumpen, Kurzfristspeicher, anschließend Power-to-Gas und Power-to-Heat. Bei längerer Unterdeckung liefern mit erneuerbar erzeugtem Gas betriebene GuD-Kraftwerke und Blockheizkraftwerke Strom und Wärme. Im Sommer laden hohe Solarüberschüsse Kurz-, Langfrist- und Wärmespeicher. In einer Modellierung für Deutschland blieben dabei etwa 5,3 TWh beziehungsweise 1 % des erneuerbaren Stroms ungenutzt.
Gestaltungsfragen und ergänzende Technologien
Die Energiewende kann dezentrale und zentrale Elemente verbinden. Dezentral erzeugen etwa Haus-Photovoltaik, Bürgerwindparks, Energiegenossenschaften, Biogasanlagen und Nahwärmenetze Energie nahe am Verbrauch. Das stärkt Bürgerbeteiligung und regionale Wertschöpfung und kann die Widerstandsfähigkeit erhöhen. Vollständige regionale Energieautarkie gilt wegen des hohen Speicherbedarfs jedoch als unrealistisch.
Zentrale Konzepte nutzen große Wind- und Solarparks, Offshore-Windenergie, leistungsfähige Übertragungsnetze und möglicherweise Energieimporte. Supergrids verbinden weit entfernte Regionen und senken durch Ausgleich unterschiedlicher Wetterlagen den Speicherbedarf. Solarthermische Kraftwerke in sonnenreichen Regionen können mit Wärmespeichern auch nachts Strom liefern. Die optimale Mischung aus zentralen und dezentralen Strukturen bleibt umstritten.
Auch die Rolle der Kernenergie ist strittig. Sie liefert weltweit etwa 10 % des Stroms bei nahezu keinen betrieblichen CO₂-Emissionen und kontinuierlicher Leistung. In Frankreich beträgt ihr Stromanteil über 70 %. Dem stehen hohe Neubaukosten, Bauverzögerungen, Unfallrisiken, Entsorgungs- und Proliferationsprobleme sowie gesellschaftliche Skepsis gegenüber. Auf der UN-Klimakonferenz 2023 erklärten 22 Staaten ihre Absicht, die globale Kernenergiekapazität bis 2050 zu verdreifachen. Deutschland hat dagegen den Ausstieg vollzogen. Fusionsenergie könnte frühestens ab den 2040er Jahren beitragen, wesentlich vermutlich erst gegen Ende des Jahrhunderts; ihre Wirtschaftlichkeit ist unklar.
CCS beziehungsweise CCUS bezeichnet die Abscheidung von CO₂ an Kraftwerken oder Industrieanlagen und seine dauerhafte Speicherung oder Nutzung. Die Technik könnte besonders schwer vermeidbare Emissionen etwa aus Zement- und Stahlindustrie mindern. Einschränkungen sind hohe Kosten, aufwendige Transport- und Speicherinfrastruktur, eine begrenzte Zahl geeigneter Lagerstätten, ungewisse langfristige Dichtheit und Projektrisiken. Kritiker fürchten außerdem, CCS könne den Ausbau erneuerbarer Energien verzögern.
Wirtschaft, weltweiter Stand und Flächenbedarf
Wirtschaftliche Bewertungen müssen neben Bau, Betrieb, Brennstoffen, Netzen und Speichern auch externe Kosten berücksichtigen. Für Deutschland wurden 2007 externe Kosten von 8,7 ct/kWh für Braunkohle, 6,8 ct/kWh für Steinkohle, 3,9 ct/kWh für Erdgas, aber nur 0,8 ct/kWh für Photovoltaik, 0,4 ct/kWh für Wasserkraft und 0,1 ct/kWh für Windenergie angegeben. Ohne Internalisierung dieser Schäden erscheinen fossile Energien billiger, als sie volkswirtschaftlich sind. CO₂-Steuern oder Emissionshandel sollen Kostenwahrheit schaffen.
Betriebswirtschaftlich stiegen zwischen 2018 und 2021 besonders die Stromgestehungskosten von Kohlekraftwerken, während Photovoltaik und Onshore-Wind günstiger wurden. 2021 lagen beispielsweise Freiflächen-Photovoltaik bei 3,12–5,70 ct/kWh und Onshore-Wind bei 3,94–8,29 ct/kWh, Braunkohle dagegen bei 10,38–15,34 ct/kWh und Steinkohle bei 11,03–20,04 ct/kWh. Studien erwarten langfristig für regenerative Systeme gleiche oder niedrigere Energiekosten. Weltweit werden gesamtwirtschaftliche Gewinne eines schnellen Wechsels zu erneuerbaren Energien selbst ohne Klimafolgeschäden auf 12 Billionen US-Dollar geschätzt.
Der Ausbau reicht bisher dennoch nicht aus: 2021 erreichten die energiebedingten CO₂-Emissionen einen Höchststand. Erneuerbare deckten 2020 12,6 % des weltweiten Gesamtenergiebedarfs von 168.469 TWh. Wärme und Kühlung beanspruchen 51 %, Verkehr 32 % und Elektrizität 17 % des Energiebedarfs. 2021 stammten 28,1 % der weltweiten Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen: 15,2 % Wasserkraft, 6,6 % Wind, 3,7 % Solarenergie und 2,7 % Biomasse und andere. Der Verkehrssektor hatte 2020 mit 4,1 % den niedrigsten erneuerbaren Anteil und verursachte etwa 20 % der weltweiten Treibhausgasemissionen.
Auch der Flächenbedarf unterscheidet sich. Fossiler Tagebau verändert große Gebiete dauerhaft; in Deutschland wurden für Braunkohle rund 2.300 km² bewegt und verbraucht. Windparks benötigen große Abstände, doch etwa 99 % ihrer Fläche können weiterhin landwirtschaftlich genutzt werden. Dach-Photovoltaik beansprucht keine zusätzliche Fläche; Freiflächenanlagen erlauben teils Weidewirtschaft oder Sekundärbiotope. Für ein weltweites Wind-Wasser-Solar-System wurden 0,41–0,74 % der Erdoberfläche als dauerhaft benötigte Fläche sowie weitere 0,59–1,18 % als weiter nutzbare Windkraft-Abstandsflächen berechnet.
Bioenergie ist besonders flächenintensiv: Auf gleicher Fläche erzeugt Photovoltaik laut Umweltbundesamt etwa vierzigmal so viel Strom. 2017 wurden auf rund 14 Mio. ha, ungefähr 1 % der weltweiten Ackerfläche, Bioenergieträger angebaut. Wegen der Konkurrenz zu Nahrungsmitteln, Biodiversität und stofflicher Nutzung gilt Bioenergie vor allem aus Rest- und Abfallstoffen als sinnvoll; für schwer elektrifizierbare Verkehrsbereiche kann sie ergänzend eingesetzt werden.
