Erneuerbare Energien – Sonne, Wind, Wasser, Biomasse

Erneuerbare Energien stehen nach menschlichen Maßstäben unbegrenzt zur Verfügung und setzen im Betrieb kaum Kohlenstoffdioxid frei. Fast alle stammen letztlich von der Sonne. Hier siehst Du, wie die einzelnen Anlagen funktionieren und wie viel Energie in Wind und Sonnenlicht steckt.

Sonnenenergie

Außerhalb der Atmosphäre trifft die Sonne mit einer Leistung von etwa 1361 W pro m² auf die Erde (Solarkonstante). Am Boden kommen an einem klaren Sommermittag rund 1000 W/m² an.

  • Photovoltaik: Solarzellen aus Silizium wandeln Licht direkt in elektrische Energie um – mit dem gleichen pn-Übergang wie in einer Diode. Gute Module erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 20 bis 23 %.
  • Solarthermie: Kollektoren auf dem Dach erwärmen Wasser für Dusche und Heizung – mit Wirkungsgraden über 50 %.

Beispiel: Balkonkraftwerk

Zwei Module mit zusammen 3,8 m² und 20 % Wirkungsgrad liefern bei 1000 W/m² Einstrahlung höchstens 3,8 m² · 1000 W/m² · 0,2 = 760 W. Übers Jahr gerechnet erzeugt in Deutschland jedes Kilowatt Spitzenleistung etwa 900 bis 1000 kWh, weil die Sonne nachts und im Winter wenig oder gar nicht scheint.

Windenergie

Ein Windrad nutzt die Bewegungsenergie der Luft. Die Leistung des Windes, der durch die Rotorfläche A strömt, ist

P = ½ · ρ · A · v³ ρ: Dichte der Luft ≈ 1,2 kg/m³

  • Die Geschwindigkeit steht in der dritten Potenz: Doppelte Windgeschwindigkeit bedeutet die achtfache Leistung. Deshalb stehen Windräder an windigen Orten und haben hohe Türme.
  • Ein Windrad kann physikalisch höchstens 59 % der Windleistung entnehmen (Betz-Grenze), sonst würde die Luft hinter dem Rotor stehen bleiben. Moderne Anlagen schaffen etwa 45 bis 50 %.

Beispiel: Großes Windrad

Rotordurchmesser 150 m: A = π · (75 m)² ≈ 17.671 m². Bei 10 m/s Wind: P = ½ · 1,2 kg/m³ · 17.671 m² · (10 m/s)³ ≈ 10,6 MW. Bei 45 % Wirkungsgrad liefert die Anlage etwa 4,8 MW – genug für mehrere tausend Haushalte, solange der Wind weht.

Wasserkraft

Wasser fließt von oben nach unten und gibt dabei Lageenergie ab: E = m · g · h. In Laufwasserkraftwerken an Flüssen und in Speicherkraftwerken in den Bergen treibt es Turbinen an. Wasserkraftwerke erreichen Wirkungsgrade von 80 bis 90 %. In Deutschland ist das Potenzial aber weitgehend ausgeschöpft.

Biomasse, Geothermie und Umweltwärme

  • Biomasse: Holz, Pflanzenreste und Gülle werden verbrannt oder zu Biogas vergoren. Die Pflanzen haben das CO₂, das dabei frei wird, vorher beim Wachsen aufgenommen.
  • Geothermie: Die Erde wird nach innen immer wärmer – in Mitteleuropa um etwa 3 °C pro 100 m Tiefe.
  • Wärmepumpen holen Wärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser und heben sie mit elektrischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau. Aus 1 kWh Strom werden so 3 bis 4 kWh Wärme.

Vor- und Nachteile im Überblick

EnergieformVorteileNachteile
Photovoltaikleise, wartungsarm, auf jedem Dach möglich, sehr günstig gewordennachts kein Strom, im Winter wenig
Windhoher Ertrag pro Anlage, auch im Winterschwankend, Eingriff ins Landschaftsbild, Netzausbau nötig
Wassergleichmäßig, gut regelbar, langlebigkaum ausbaubar, Eingriff in Flüsse
Biomassespeicherbar, nach Bedarf einsetzbargroßer Flächenbedarf, Konkurrenz zu Nahrungsmitteln

Wie man mit den Schwankungen umgeht, erklärt die Seite Energiespeicher.

Teste Dich selbst

1. Die Windgeschwindigkeit verdoppelt sich. Wie ändert sich die Leistung des Windes?
Lösung anzeigen

Richtig: Sie verachtfacht sich. P ist proportional zu v³: 2³ = 8.

2. Was wandelt eine Solarzelle um?
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Richtig: Licht direkt in elektrische Energie. Im pn-Übergang der Solarzelle setzt das Licht Elektronen frei, die als Strom fließen.

3. Welche Energieform nutzt ein Wasserkraftwerk am Stausee?
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Richtig: Lageenergie des Wassers. Das Wasser fällt eine Höhe h herab; seine Lageenergie treibt die Turbine an.

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