Solar- und Windenergie: Die Energiewende zu Ende gedacht
Ohne Kohle, Kernkraft, Gas oder Erdöl gilt es, riesige Energiemengen zu ersetzen, damit die Energiewende gelingen kann. Die Hoffnungen, eine solche Lücke bei der Stromgewinnung, der Fortbewegung und beim Heizen zu schließen, liegen vor allem auf Photovoltaik und Windenergie.
Welche Flächen mit Solarmodulen belegt werden müssen, wie viele Windräder neu errichtet und welche Anstrengungen für die notwendige Speicherung zu unternehmen sind, steht in öffentlich zugänglichen Daten. Man muss die Zahlen nur zusammentragen und ganz viel rechnen. So schärft sich der Blick auf ein Jahr 2040, in dem Sonne und Wind das gesamte Land mit Strom versorgen.
Gleich vorweg: Das Vorhaben kann gelingen, einfach und gänzlich ohne Trickserei wird es aber nicht ablaufen. Damit die Berechnungen nicht zu optimistisch ausfallen, werden stets eher schlechtere als bessere Zukunftsprognosen einkalkuliert. Auch technischer Fortschritt und zukünftige Innovationen bleiben in den Zahlen außen vor. Genutzt werden darf im folgenden Gedankenexperiment nur, was schon jetzt funktioniert.
Der Strombedarf steigt
Im Jahr 2023 wurden 525 Terawattstunden (TWh) Strom ins deutsche Netz eingespeist(öffnet im neuen Fenster) . Eine Terawattstunden ist das Milliardenfache einer Kilowattstunde (kWh), wovon ein typischer Haushalt etwa zehn am Tag verbraucht. Immerhin 205 TWh flossen aus Wind- und Solaranlagen(öffnet im neuen Fenster) ein.
Der Gesamtverbrauch ist über die letzten Jahre kontinuierlich gesunken. 2013 waren es noch 608 TWh. Der Anteil der beiden erneuerbaren Energiequellen stieg in diesem Zeitraum von 14 auf 39 Prozent. Dieses Ausbautempo müsste allerdings deutlich steigen, um dem zukünftigen Stromverbrauch gerecht zu werden.
Die normale Einspeisung müsste zwar nicht erhöht werden, aber die Elektrifizierung von Heizung und Verkehr erfordern dennoch eine beträchtliche Zusatzmenge an Strom. Da der Stromverbrauch eine Einheit für Energie ist, lassen sich Benzin, Diesel und Brennstoffe unkompliziert umrechnen. Laut Umweltbundesamt wurden im Jahr 2023 in etwa 1.100 TWh für Wärme und noch einmal 590 TWh für den Verkehr benötigt, beides überwiegend aus fossilen Quellen.
Der Vorteil der Effizienz
Glücklicherweise sinken beide Werte erheblich, wenn Elektromotor, Wärmepumpe und geeignete Wärmedämmung als Ersatz einspringen. 7 Liter Benzin entsprechen zum Beispiel 60 kWh. Selbst ein wenig effizientes, groß geratenes E-Auto kommt mit etwa 20 kWh auf 100 Kilometern aus.
Der Bedarf wäre also nur ein Drittel so hoch, während viele große Maschinen und landwirtschaftlichen Geräte weiterhin Diesel verbrauchen werden, der somit nicht ersetzt werden muss. Lade- und Leitungsverluste lassen sich ungefähr mit dem zusätzlichen Energiebedarf für Herstellung und Transport von Kraftstoffen gleichsetzen, können also unterschlagen werden.
Ein ähnliches Bild ergibt sich beim Bedarf an Wärme. Der ist in den letzten zehn Jahren bereits um 15 Prozent zurückgegangen. Wärmepumpen, neu gedämmte Häuser in Kombination mit kleinen Infrarotheizungen oder Pelletöfen sind allesamt sparsamer. Weil der Wandel sicherlich nicht gleichmäßig und vollständig vonstattengeht, müssten vorsichtig geschätzt etwa 40 Prozent der derzeit nötigen 1.100 TWh zusätzlich als Strom erzeugt werden.
Aus den im letzten Jahr verbrauchten 2.240 Terawattstunden werden infolge der deutlich höheren Effizienz nur noch 1.200 TWh. Dieser immer noch sehr hoch angesetzte Wert entspräche mehr als dem Doppelten des aktuellen Strombedarfs und dem Sechsfachen der Menge, die allein Photovoltaik und Windenergie momentan zur Verfügung stellen.
Ein winziges Stück Fläche
Derzeit liegt die installierte Leistung von Wind bei 69 Gigawatt und von Photovoltaik bei 82 Gigawatt. Um mit dem daraus gewonnenen Strom dem prognostizierten Verbrauch gerecht zu werden, müssten hochgerechnet 750 Gigawatt Solaranlagen und 220 Gigawatt Windenergie zusätzlich gebaut werden. Dass die Werte so stark voneinander abweichen, liegt daran, dass Windräder über eine deutlich längere Zeit im Jahr Strom liefern als Solarzellen, noch dazu in Deutschland.
Relativ unkompliziert gestaltet sich der Zubau mit Solarmodulen. Laut einer Untersuchung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (öffnet im neuen Fenster) ließen sich allein auf geeigneten Dachflächen in Deutschland etwa 600 TWh Strom gewinnen. Zusätzliche Solarparks oder der deutlich höhere Wirkungsgrad neuer Solarmodule fehlen in dieser Rechnung sogar noch. Die eigentlich notwendigen knapp 1,5 Prozent der Gesamtfläche Deutschlands müssten also nicht extra freigegeben oder verbaut werden. Es stehen bereits ein Haus, eine Gewerbehalle oder ein Supermarkt dort.
Bei der Windenergie muss der zusätzliche Ausbau der Offshore-Parks in der Nord- und Ostsee beachtet werden. Die installierte Leistung liegt aktuell bei 8 Gigawatt und soll auf über 70 Gigawatt ansteigen. Relativ sicher geplant sind 40 Gigawatt. Allein 2024 wurden 8 Gigawatt zusätzlicher Leistung versteigert(öffnet im neuen Fenster) .
Viele Eventualitäten bei Wind
Aufgrund der deutlich besseren Stromausbeute auf dem Meer werden aus der zu erwartenden Leistung von 40 Gigawatt in etwa 120 TWh Strom erzeugt. An Land liegt die Effizienz um ein Drittel darunter. Dafür können solche Windräder einfacher gebaut und gewartet werden. Darüber hinaus findet die Stromerzeugung dort statt, wo der Strom auch verbraucht wird.
Die Frage nach der Anzahl der notwendigen Windkraftanlagen hängt extrem von deren jeweiliger Leistung ab. Moderne Windräder erreichen circa 3 bis über 6 Megawatt. Der derzeitige Durchschnitt installierter Anlagen beläuft sich dagegen auf 2,1 Megawatt. So erklärt sich auch, dass im letzten Jahr zwar kaum zusätzliche Anlagen registriert wurden, die Stromerzeugung aber deutlich zunahm. Viele alte Anlagen wurden gegen neue ausgetauscht (PDF)(öffnet im neuen Fenster) .
Um den bestehenden Wert von 61 Gigawatt auf die nötigen 240 Gigawatt anzuheben, wäre also keine dreifache Menge an neuen Windrädern im Vergleich zur derzeitigen Anzahl vonnöten. Legt man vorsichtig einen Wert von 4 Megawatt je Anlage an, müssten 31.000 zusätzliche Windräder gebaut werden.
Werden dagegen parallel zum Neubau kontinuierlich alte Windkraftanlagen ersetzt, die beispielsweise 6,5 Megawatt leisten, was den aktuell gebauten, zugegebenermaßen großen Anlagen entspricht, müssten gerade einmal 8.000 neue Standorte freigegeben werden - in ganz Deutschland.
Nimmt man die knapp 300 Landkreise zur Hand, müssten dort jeweils zwischen 27 und 105 neue Windkraftanlagen errichtet werden. Bei einem Hektar Fläche pro Rad wären dies 0,3 bis 1 Quadratkilometer, knapp 1 Promille der Fläche eines durchschnittlichen Landkreises.
Unregelmäßige Erzeugung als Herausforderung
Wie stark die Stromgewinnung aus Wind- und Solarenergie schwankt, lässt sich zum Beispiel auf der Seite Energy-Charts (öffnet im neuen Fenster) nachverfolgen. Blickt man dort auf einzelne Tage, speziell im Winter, sind deutliche Einbrüche bei den erneuerbaren Energiequellen zu erkennen.
An keinem Tag kommt die Stromproduktion aus diesen Quellen - zumindest mit Blick auf das gesamte Land - gänzlich zum Erliegen. Ungefähr 0,1 TWh werden selbst über einen trüben und windarmen Wintertag eingesammelt. Bei der geplanten Verzehnfachung wäre es immerhin 1 TWh.
Weht dagegen der Wind und scheint etwas Sonne, kann sich der Wert schnell verzehnfachen, was mehr als dem durchschnittlichen Bedarf an einem Tag im Jahr 2040 entsprechen würde. Auch der Blick auf das gesamte Jahr zeigt, dass sich die Produktion aus Solaranlagen in den Wintermonaten zwar erheblich abschwächt, aber nie komplett ausbleibt.
Die Stromerzeugung aus Windkraftanlagen nimmt gleichzeitig in größerem Maße zu. So konnten im Januar 2023 insgesamt 21,3 TWh eingespeist werden, im Juli 2023 lediglich 14,5 TWh. Der Anteil der Windenergie hat sich im Sommer halbiert, der Anteil des Solarstroms stieg um 150 Prozent.
Betrachtet man den Strombedarf der Zukunft also wochen- oder monatsweise, wäre die Energiewende schon geschafft. Sogar die größere Strommenge im Winter passt ins Gesamtbild, schließlich wird Wärme vornehmlich von November bis Februar benötigt. Den zusätzlichen Bedarf können die Windkraftanlagen gut abdecken.
Speichern, speichern, speichern
Die Schwankungen bei der Energieerzeugung müssen dennoch, wenn auch nur kurzzeitig, gepuffert werden. Allein die Unterschiede zwischen Tag und Nacht würden ansonsten jedes Netz über seine Belastungsgrenze befördern. Gerade an windreichen Wintertagen wäre die Stromproduktion sehr hoch und ohne Speicherung ginge die Energie verloren.
Gleichzeitig muss an kalten Wintertagen mit einem erheblichen Mehrbedarf an Strom gerechnet werden. Statt der durchschnittlichen 3,3 TWh dürfte das Stromnetz im Jahr 2040 an solchen eisigen Tagen ungefähr 10 TWh verbrauchen. Ein Teil davon wird natürlich immer aus Wind und Sonne bereitstehen.
Trotzdem liefert die Zahl eine gute Orientierung, um bestehende und zu errichtende Speicher einordnen zu können. Zunächst einmal wären 400 Gigawatt Leistung notwendig, um die Energie innerhalb eines Tages freizusetzen. Alle deutschen Pumpspeicherwerke, im Grunde große Batterien auf Wasserbasis, erreichen gerade einmal 7 Gigawatt und können diese nur ein paar Stunden bereitstellen. Selbst ein massiver Ausbau könnte hier kaum Abhilfe schaffen, zumal der Aufwand für die Errichtung solcher Anlagen erheblich ist.
Dezentrales Speichern überall
Zunächst einmal gibt es in Deutschland 16 Millionen Eigenheime, jeweils mit genügend Platz für einen kleinen Speicher. Um einen Tag zu überbrücken, würde zum Beispiel ein Modell mit 10 kWh genügen, allerdings nicht im Winter. Mindestens 30 kWh müssten es dann schon sein, was aktuell eine Investition von 10.000 bis 15.000 Euro bedeuten würde. Dennoch entspräche dies selbst im maximalen Ausbau nur 0,5 TWh. Auch hier lässt sich kaum im großen Maßstab speichern.
2040 wird sich die Anzahl der E-Autos auf den Straßen deutlich gesteigert haben. Läge der Anteil bei 60 Prozent, wären dies über 30 Millionen Autos. Die hätten dann durchschnittlich 60 kWh große Batterien an Bord, die sich über den Tag verteilt mal im Netz als Puffer verwenden ließen und dann auch wieder selbst zum Fahren genutzt würden. Aber selbst bei voller Ausnutzung kämen gerade einmal 1,8 TWh zusammen. Nimmt man das Transportwesen mit einem vergleichbaren Speichervermögen hinzu, wären zusammen 3,6 TWh zusätzliche Speichermöglichkeiten vorhanden.
Insgesamt ergäbe dies noch nicht einmal die Hälfte des angestrebten Werts, um ein paar Tage wirklich schlechter Bedingungen zu überbrücken. Es müssten also zwangsläufig zusätzliche Batteriespeicher installiert werden. Diese gibt es bereits. Das kalifornische Stromnetz setzt sie in großer Zahl ein. Unter anderem Tesla bietet sie mittlerweile in Form der Tesla Megapacks an.
Ein Modul von der ungefähren Größe eines Schiffscontainers kann knapp 4 Megawattstunden (MWh) speichern. 2,5 Millionen dieser Monsterbatterien könnten also die benötigte Menge an Energie bereithalten. Die Anzahl ließe sich durch Speicher in Wohnhäusern und die Mitnutzung der Batterien in E-Autos ein gutes Stück reduzieren.
Wind und Solar allein wird nicht genügen
Außerdem blieb ein erheblicher Anteil erneuerbarer Energien unerwähnt, der wie geschaffen dafür ist, spontan Strom bereitzustellen. Die Rede ist von Biogas, Biosprit, Deponiegas, Klärgas und biologischen Anteilen am Abfall. Gemeinsam erzeugen diese Formen der Energieträger derzeit 46 TWh im Jahr, die als Strom ins Netz eingespeist werden. Den größten Teil macht das Biogas aus und langfristige Speichermöglichkeiten existieren bereits.
Ohne Biogas, allerdings mit einem verschwindend kleinen Anteil von hier nur 4 Prozent, wird es nur schwer gelingen. Und die Speichermöglichkeiten mit 400 Gigawatt und 10 TWh dürften ebenfalls nicht zu gering angesetzt sein. Sie erscheinen, verteilt auf zahlreiche Systeme, aber gar nicht mal so unerreichbar zu sein. Zumal ein breiter aufgestelltes Netz wesentlich flexibler und resistenter ist.
Die Kosten sind hoch
Bepreisen lässt sich dieser Umbau ebenfalls. Egal ob Windrad oder Solarpark, für ein Megawatt muss mit 1 Million Euro gerechnet werden. Bei prognostizierten 950 Gigawatt würden sich die Kosten dementsprechend auf 950 Milliarden Euro belaufen(öffnet im neuen Fenster) .
Für die oben erwähnten Megapacks von Tesla werden aktuell ungefähr 1,3 Millionen Euro veranschlagt. Das macht für 2 Millionen davon noch einmal 2.600 Milliarden, insgesamt also 3,6 Billionen Euro. Selbst pro Kopf gerechnet ergibt das noch immer einen Betrag von 43.000 Euro, auch wenn hier ein Zeitraum von 16 Jahren angesetzt ist.
Die Kosten sind beherrschbar
Blickt man jedoch auf die Kosten pro kWh, ändert sich die Wahrnehmung. Schließlich erzeugen die Windräder und Solarmodule 1.000 TWh zusätzlich im Jahr. Die Speicherung sorgt außerdem dafür, dass so gut wie kein Strom verschwendet wird.
1.000 TWh entsprechen 1 Billion kWh, die auf ungefähr 25 Jahre produziert werden. Das macht schlussendlich gerade einmal 14 Cent pro kWh, wobei Wartung und Pflege - hier nur grob geschätzt - noch einmal 1 bis 2 Cent Aufschlag bedeuten dürften.
Allerdings sei noch einmal betont, dass die berechnete Speicherlösung extrem teuer ausfällt. Im Bereich der Strompuffer wird aktuell intensiv geforscht. Von der Einlagerung chemischer Verbindungen des Wasserstoffs, die bei Zimmertemperatur flüssig bleiben, bis zu vielen Neuerungen im Bereich der Batterietechnik mit neuen, kostengünstigen und reichlich verfügbaren Materialien ist alles dabei. Der Spielraum ist groß, schließlich liegt der reine Preis pro kWh ohne Puffer für das beschriebene System bei unter 4 Cent.
Keine Fehler wiederholen
So dezentral wie dieses gesamte Netz aufgebaut wäre, so dezentral und gleichzeitig zielgerichtet sollten Kosten und Erträge verteilt werden. Sprich: Gemeinden und Landkreise, auf deren Flächen sich Windkraftanlagen, Speicher und Photovoltaik befinden, müssten an den Gewinnen der Stromproduktion beteiligt werden. Und sei es nur, dass Strom und damit auch Mobilität und Wärme auf dem Land erheblich günstiger wären.
Dass dafür vor Ort Investitionen getätigt werden müssen, sollte nachvollziehbar sein. In den Städten und Ballungsräumen wäre die Stromnutzung entsprechend teurer, während diejenigen, die Windräder, Solarparks und Pufferspeicher in der Umgebung haben, dafür eine Beteiligung an den Gewinnen erhalten.
Das ergäbe eine gänzlich andere Situation, als sie derzeit vielerorts besteht. Große Kraftwerksblöcke hat mancher vor der Nase. Vielerorts müssen Anwohner mit sinkenden Grundwasserspiegeln durch Tagebaue, Güterzügen voller Kohle, überhitztem Flusswasser oder nachgebenden Böden leben. Nur Vorteile bringt das nun wirklich nicht.
Die Versorgung vornehmlich, wenn auch nicht exklusiv, aus Wind und Sonne wäre also bereits mit bestehender Technik umsetzbar. Der Aufwand für die Speicherung wäre gigantisch und die Aufgaben für die nächsten 15 Jahren nicht gerade klein. Gleichzeitig ergibt sich kaum Flächenverbrauch und die Stromkosten dürften sogar sinken.