Die 5 wichtigsten Arten von erneuerbaren Energien - Grundsätze, Kosten, Effizienz und Leitfaden für den Hausgebrauch

Zu den fünf wichtigsten Arten moderner erneuerbarer Energien, die hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt werden, gehören: Wasserkraft, Windenergie, Solarenergie, Bioenergie (Biomasse/Biokraftstoffe) und geothermische Energie.

Im Jahr 2023 machten die erneuerbaren Energien fast 30% der weltweiten Stromerzeugung aus. Davon entfielen 47% auf die Wasserkraft, 26% auf die Windenergie, 18% auf die Solarenergie, 8% auf die Bioenergie und 1% auf die geothermische Energie.

Auf China entfielen 32% des weltweiten Stroms aus erneuerbaren Energien, gefolgt von den Vereinigten Staaten (11%), Brasilien (7,0%), Kanada (4,7%) und Indien (4,3%).

Bis 2030 wird die weltweite Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien voraussichtlich 17.000 TWh (60 EJ) erreichen, was einem Anstieg von fast 90% im Vergleich zu 2023 entspricht. Bis dahin werden 46% des weltweiten Stroms aus erneuerbaren Energien stammen, davon 30% aus Wind- und Solarenergie.

Dieser Artikel bietet eine eingehende Analyse der Stromerzeugungsprinzipien, der globalen Verteilung, der technologischen Effizienz, der Kosten und der Zukunftstrends dieser fünf erneuerbaren Energiearten und gibt gleichzeitig klare Empfehlungen für städtische und ländliche Haushalte bei der Auswahl geeigneter erneuerbarer Energiesysteme.

Wasserkraft

Ab 2023 wird die Wasserkraft einen Anteil von 47% der weltweiten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien.

Wasserkraft ist eine Methode zur Stromerzeugung, bei der die potenzielle und kinetische Energie des fließenden Wassers zum Antrieb von Turbinen genutzt wird. Zu den gebräuchlichen Arten gehören die Wasserkraft an Dämmen, die Umleitungskraft und die Gezeitenwasserkraft.

Wasserkraft ist praktisch kohlenstofffrei und verursacht während des Betriebs nur minimale Umweltbelastungen. Der Bau großer Staudämme kann jedoch ökologische Beeinträchtigungen verursachen (z. B. Unterbrechung der Fischwanderung und Überflutung von Feuchtgebieten) und zur Vertreibung der Bevölkerung führen.

Die Installation eines Wasserkraftsystems zu Hause erfordert eine konstante und stabile Wasserquelle (mit ausreichender Fallhöhe und Durchflussmenge) und unterliegt den Wasserregulierungsgesetzen, was es für die meisten Haushalte äußerst unpraktisch macht.

Im Jahr 2023 lag die Kostenspanne für kleine und große Wasserkraftprojekte von der Errichtung bis zur Inbetriebnahme" zwischen 2.820-18.700 USD/kWwobei größere Projekte in der Regel mit höheren Kosten verbunden sind.

Effizienz der Stromerzeugung

Moderne Wasserkraftwerke sind hocheffizient, mit Wirkungsgraden von bis zu 90% oder mehr. Im Vergleich zu Solarenergie (ca. 20%) und Windenergie (ca. 30%) ist die Wasserkraft bemerkenswert effizient.

Globale Verteilung und zukünftiges Wachstum der Wasserkraft

Ab 2023 hält China 29-31% der weltweiten Wasserkraftkapazität und erzeugte 1.245-1.303 TWh, womit es der größte Wasserkrafterzeuger der Welt ist. Es folgten Brasilien, Kanada und die Vereinigten Staaten - allesamt wasserreiche Länder.

Obwohl die weltweite Wasserkraftkapazität weiter zunimmt, hat sich die Wachstumsrate verlangsamt. Die Prognosen zeigen, dass das Wachstum in den 2020er Jahren fast 25% langsamer als die Expansionsrate des vorangegangenen Jahrzehnts.

Windenergie

Im Jahr 2023 wird die Windenergie etwa 28% der weltweiten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ausmachen. Das Prinzip besteht darin, den Wind zu nutzen, um die Turbinenblätter zu drehen, die über ein Getriebe die Drehgeschwindigkeit erhöhen und so einen Generator zur Stromerzeugung antreiben.

Zu den gängigen Arten von Windparks gehören Onshore- und Offshore-Windparks. Onshore-Windparks befinden sich in der Regel in flachen oder hochgelegenen offenen Gebieten, während Offshore-Windparks auf dem Meer errichtet werden, wo die Windgeschwindigkeiten im Allgemeinen stärker und stabiler sind.

Windenergie erzeugt im Betrieb praktisch keine Emissionen und gilt als eine der saubersten Energiequellen. Es gibt jedoch Bedenken hinsichtlich der optischen Auswirkungen, der Störung des Vogelzugs und des Lärms. Was den Lärm betrifft, so wird er von vielen missverstanden oder abgetan, aber in Wirklichkeit, Ein Windpark, der in einer Entfernung von 750 bis 1000 Fuß betrieben wird, erzeugt keinen Lärm, der lauter ist als ein Kühlschrank in der Küche oder ein relativ ruhiges Zimmer..

Die Leistung kommerzieller Windturbinen reicht von kleinen Anlagen für Privathaushalte mit einer Leistung von etwa 5 kW bis hin zu großen Turbinen mit einer Leistung von bis zu 5 MW. Kleine Privatturbinen kosten nur ein paar hundert Pfund, während Industrieturbinen Millionen kosten können. Im Jahr 2023 lagen die Stromgestehungskosten (LCOE) für Onshore-Windkraftanlagen je nach Standort und Größe zwischen 1.300 und 2.500 USD/kW.

Windturbinen werden in der Regel in industriellen Umgebungen eingesetzt; für die Nutzung in Wohngebieten sind kleine Dachturbinen möglich, hängen aber von der lokalen Planungspolitik und den Windverhältnissen ab.

Effizienz der Stromerzeugung

Die derzeitige Windkrafttechnologie ermöglicht den Beginn der Erzeugung bei Windgeschwindigkeiten von etwa 2,68 Meter pro Sekunde. Der Umwandlungswirkungsgrad liegt in der Regel im Bereich von 20% bis 40%was deutlich niedriger ist als bei der Wasserkraft, aber höher als bei der Solarenergie.

Globale Verteilung und zukünftiges Wachstum der Windenergie

Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) und des Global Wind Energy Council (GWEC) wird China im Jahr 2023 einen Anteil von 39% der weltweit installierten Windkraftkapazität, verfügt über die größte Onshore-Windkapazität weltweit und übertrifft das Vereinigte Königreich bei der Offshore-Windkapazität. Weitere wichtige Länder sind die Vereinigten Staaten, Deutschland und Indien.

Es wird prognostiziert, dass der Windenergiesektor bis 2030 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 8,8% erreichen wird, wobei die weltweit installierte Windkapazität um 981 GW steigen wird.

Solarenergie

Im Jahr 2023 wird die Solarenergie etwa 15% der weltweiten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ausmachen. Aufgrund der schnell sinkenden Kosten, des flexiblen Einsatzes und der nahezu Null-Emissionen während des Betriebs ist die Solarenergie die am schnellsten wachsende Technologie für erneuerbare Energien geworden.

Das Funktionsprinzip der Solarenergie besteht darin, dass die Photonen des Sonnenlichts die Elektronen in den Solarmodulen anregen - in erster Linie aus Halbleitermaterialien wie Silizium -, so dass die Elektronen unter einem elektrischen Feld in eine bestimmte Richtung fließen und Strom erzeugen, der von einem Wechselrichter in Wechselstrom für den Haushalts- oder Netzgebrauch umzuwandeln.

Die Herstellung von Solarmodulen hinterlässt zwar einen ökologischen Fußabdruck, aber der saubere Strom, den jedes Modul während seiner Lebensdauer erzeugt, gleicht dies mehr als aus.

Photovoltaik (PV)-Systeme sind aufgrund der einfachen Installation und der sinkenden Kosten der Komponenten zum Mainstream geworden. Im Jahr 2023 lagen die durchschnittlichen Kosten für PV-Anlagen im Versorgungsbereich bei 800 bis 1.200 USD pro kW, während die Kosten für Anlagen für Privathaushalte etwas höher lagen.

Effizienz der Stromerzeugung

Kommerzielle PV-Paneele erreichen in der Regel einen Wirkungsgrad von 18%-22%, wobei hocheffiziente Produkte einen Wirkungsgrad von 25% überschreiten, und einige Entwickler erreichen fast 40%. Der Wirkungsgrad ist zwar viel geringer als bei anderen erneuerbaren Energien, aber die Bequemlichkeit und die niedrigen Kosten der Solarenergie machen sie zur bevorzugten Wahl für private Nutzer.

Globale Verteilung und zukünftiges Wachstum der Solarenergie

China ist sowohl bei der Herstellung als auch bei der Installation von Solarmodulen führend, gefolgt von den Vereinigten Staaten, Japan, Deutschland und Indien. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass die Solarenergie bis 2050 die größte Stromquelle der Welt sein wird.

Zwischen 2024 und 2030 werden voraussichtlich 80% des weltweiten Kapazitätswachstums im Bereich der erneuerbaren Energien auf die Photovoltaik entfallen, angetrieben durch neue große Solarparks und zunehmende Installationen auf Dächern von Gewerbe- und Wohngebäuden. Nach Angaben der IEA wird die Stromerzeugung aus Photovoltaik die aus Wasserkraft bis 2029 übertreffen und damit die größte erneuerbare Energiequelle.

Geothermische Energie

Geothermische Energie nutzt die innere Wärme der Erde zur Stromerzeugung oder zum Heizen. Es werden Bohrungen vorgenommen, um an unterirdisches heißes Wasser oder Dampf zu gelangen, das Turbinen zur Stromerzeugung antreibt oder zur Gebäudeheizung verwendet wird.

Erdwärmepumpensysteme mit oberflächennaher Geothermie arbeiten ohne Staub-, Abfall- oder CO2-Emissionen und benötigen keine Heizkessel, Kühltürme oder Brennstofflager, was sie zu den derzeit verfügbaren umweltfreundlichen Heiz- und Kühllösungen macht.

Obwohl die Geothermie nur geringe Mengen an Luft- und Wasserschadstoffen erzeugt, betragen ihre CO2-Emissionen nur etwa 1/35tel derjenigen von Kohlekraftwerken.

Die Erschließung der geothermischen Energie erfordert umfangreiche geologische Erkundungen und Bohrungen, was zu hohen Vorabinvestitionen führt. Außerdem erhöhen die ungleichmäßige Verteilung der geothermischen Ressourcen und die technischen Herausforderungen die Kosten. Im Jahr 2023 lagen die Kosten für Erdwärmepumpen bei 4.589 USD und damit fast 1.200 USD höher als im Jahr 2022.

Effizienz der Stromerzeugung

Der Wirkungsgrad der geothermischen Stromerzeugung liegt in der Regel zwischen 10% und 20%, je nach Temperatur und Technologie.

Globale Verteilung und zukünftiges Wachstum der geothermischen Energie

Geothermische Ressourcen sind hauptsächlich entlang tektonischer Plattengrenzen wie dem Pazifischen Feuerring und dem geothermischen Gürtel zwischen Mittelmeer und Himalaya zu finden. Zu den führenden Ländern bei der Erschließung geothermischer Ressourcen gehören die Vereinigten Staaten, Indonesien, die Philippinen, die Türkei und Neuseeland.

Der technologische Fortschritt hat der Geothermie neue Perspektiven eröffnet und könnte sie weltweit und bei Unternehmen zu einer bevorzugten Wahl machen. Da sich die Technologie verbessert und die Projektkosten sinken, könnte die geothermische Energie bis zu 15% des weltweiten Stromnachfrageanstiegs bis 2050.

Energie aus Biomasse

Energie aus Biomasse stammt aus landwirtschaftlichen Rückständen, Holz und organischen Abfällen und kann zum Heizen, zur Stromerzeugung oder zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden. Bei ordnungsgemäßer Bewirtschaftung gilt Biomasse als kohlenstoffneutral, da das bei der Verbrennung freigesetzte CO₂ von den Pflanzen absorbiert wird.

Erdwärmepumpensysteme mit oberflächennaher Geothermie arbeiten ohne Staub-, Abfall- oder CO2-Emissionen und benötigen keine Heizkessel, Kühltürme oder Brennstofflager, was sie zu den derzeit verfügbaren umweltfreundlichen Heiz- und Kühllösungen macht.

Aus Kostensicht ist Biomasse nicht besonders billig. Im Jahr 2022 lagen die durchschnittlichen Installationskosten weltweit bei 2.162 USD pro kW, nur ein paar hundert Dollar weniger als bei der Wasserkraft.

Biomasse ist auch in den USA relativ teuer, wo die direkte Verbrennung die gängigste Methode zur Wärmeerzeugung aus Biomasse ist. Die Installationskosten für kleine Biomassekraftwerke liegen zwischen 3.000 und 4.000 USD pro kW.

Effizienz der Stromerzeugung

Die Mitverbrennung von Biomasse mit anderen Brennstoffen erreicht Wirkungsgrade von bis zu 45% und ist damit die kosteneffizienteste Methode der Stromerzeugung aus Biomasse.

Bis 2050 könnte der Anteil der Biomasse an der Stromerzeugung von derzeit 1,3% auf etwa 3%-5% steigen (IEA ETP, 2006), je nach Annahmen.

Verglichen mit dem geschätzten Gesamtpotenzial der Biomasse (10% bis 20% Primärenergieversorgung bis 2050) ist dieser Beitrag zur Elektrizität relativ gering, aber Biomasse ist auch für die Erzeugung von Heiz- und Verkehrskraftstoffen wertvoll.

FAQs über erneuerbare Energien

Welche Systeme zur Nutzung erneuerbarer Energien können Haushalte installieren?

• Städtische/vorstädtische Wohnsitze: Solar-Photovoltaik-Anlagen (PV), optional mit Erdwärmepumpen.
• Ländliche/landwirtschaftliche Wohnsitze: PV-Anlagen oder eine Kombination aus PV und Biomassekesseln.
• Hochebene/abgelegene Bergregionen: Vorrang für PV-Anlagen, mit Wasserkraft als Option, wenn die Bedingungen es erlauben.

Welches ist die größte erneuerbare Energiequelle??

Gegenwärtig ist die Wasserkraft mit einem Anteil von fast 50% an der weltweiten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und einem Wirkungsgrad von über 90% die größte erneuerbare Energiequelle weltweit. Einige Organisationen sagen voraus, dass die Solarenergie bis 2029 die Wasserkraft überholen und die weltweit größte erneuerbare Energiequelle werden wird.

Welche Bedeutung hat die Nutzung erneuerbarer Energien??

• Verringerung der Kohlenstoffemissionen und Eindämmung des Klimawandels.
• Gewährleistung einer nachhaltigen Energieversorgung ohne Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.
• Stärkung der Energieunabhängigkeit.
• Niedrigere langfristige Betriebskosten.

Erneuerbare Energien sind dabei, die globale Energielandschaft rasant zu verändern. Ob es sich nun um die hocheffiziente Wasserkraft, die rasch wachsende Wind- und Solarenergie oder die einsatzfähige Biomasse und Geothermie handelt, jede Technologie hat ihre Stärken und Herausforderungen. Dieser Wandel durchdringt jeden Aspekt des Lebens - von der globalen Ebene bis zu den Haushalten, von der Politik bis zu den Technologien.

Die Wahl eines geeigneten Systems zur Nutzung erneuerbarer Energien kann nicht nur die langfristigen Energiekosten senken, sondern auch zum Umweltschutz beitragen. Das nächste Jahrzehnt ist ein kritisches Zeitfenster; die Nutzung politischer Anreize, technologischer Reife und Kostensenkungstrends wird die beste Gelegenheit sein, um zu einem kohlenstoffarmen Lebensstil überzugehen.