1.3 AT Energy Sources

Energiequellen

Stufe 3: Fortgeschritten

Los geht's!

Ziele

Was werden Sie lernen?

• Sie analysieren die Effizienz und Nachhaltigkeit verschiedener Energiequellen, darunter fossile Brennstoffe, Kernenergie und erneuerbare Energien.
• Sie werden die technologischen Fortschritte erkunden, die die Zukunft der Energiequellen prägen.

• Sie untersuchen die Aspekte verschiedener Energiequellen und analysieren Markttrends und politische Anreize, die den Übergang zu einer saubereren und effizienteren Energieversorgung vorantreiben.
• Überlegen Sie, wie kleine Energiesparmaßnahmen die Energiekosten senken können.

Module

Modul 3: Fossile Brennstoffe und Wege zur Dekarbonisierung

Modul 1: Einführung in die Ziele

Modul 2: Was ist Energie und woher kommt sie?

Modul 4: Erneuerbare Energiequellen

Modul 5: Energiewende und Politik

Modul 6: Fazit

Energie und ihre Umwandlung

Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, und existiert in verschiedenen Formen, wie beispielsweise thermische, chemische, mechanische und elektrische Energie. Sie treibt alle physikalischen und technologischen Prozesse an und ist für industrielle, transportbezogene und häusliche Aktivitäten unverzichtbar. Es gibt verschiedene Formen von Energie, darunter kinetische (Bewegungs-)Energie, thermische (Wärme-)Energie, elektrische Energie, chemische Energie, Kernenergie und Strahlungsenergie (Licht). Diese Formen können durch verschiedene Prozesse ineinander umgewandelt werden.

Energieumwandlung findet im Alltag statt. In einem Kraftwerk beispielsweise wird chemische Energie aus Brennstoffen in Wärmeenergie umgewandelt, die dann in mechanische Energie umgewandelt wird, um Turbinen anzutreiben und schließlich Strom zu erzeugen. Nicht alle Energie kann vollständig genutzt werden; Exergie bezeichnet den Teil der Energie, der in Arbeit umgewandelt werden kann, während Energie den Gesamtgehalt ausmacht. Die Effizienz der Energieumwandlung unterliegt den Gesetzen der Thermodynamik. So arbeiten beispielsweise Wärmekraftwerke unter den Carnotschen Wirkungsgradgrenzen, was bedeutet, dass nicht die gesamte eingesetzte Energie in nutzbare Elektrizität umgewandelt wird. Ein Vergleich der Energieeffizienz eines Kohlekraftwerks (35–40 %) mit der einer Gas- und Dampfturbinenanlage (50–60 %) verdeutlicht die Bedeutung fortschrittlicher Energietechnologien.

Abbildung 1. Energie [1]

Energiequellen

Energiequellen werden in nicht erneuerbare und erneuerbare Energiequellen unterteilt.

Renewable energy sources are derived are derived from naturally replenishing resources such as sunlight, wind, water, and biomass. They provide a long term sustainable alternative to fossil fuels but often require technological advancements to overcome intermittency and storage limitations. ✅ Environmentally friendly with lower carbon emissions. ✅ Minimal operating costs once infrastructure is in place. ✅ Sustainable and does not deplete over time. ❌ Higher initial investment costs and infrastructure development required. ❌ Dependent on external factors like weather conditions (e.g., solar and wind energy). ❌ Large-scale installations require significant space and materials

Nicht erneuerbare Energiequellen sind endliche Ressourcen, die mit der Zeit erschöpft sind, wie Kohle, Öl, Erdgas und Uran für die Kernenergie. Sie haben eine hohe Energiedichte. Sie bieten zwar eine hohe Energieausbeute und Infrastrukturstabilität, ihre langfristige Nachhaltigkeit wird jedoch durch die Erschöpfung der Ressourcen und Umweltbelange in Frage gestellt.✅ Nicht erneuerbare Energiequellen produzieren große Mengen an Energie pro Einheit. ✅ Sie bieten eine stabile und zuverlässige Energieversorgung. ✅ Es gibt bereits etablierte Kraftwerke und Verteilungsnetze. ❌ Sie tragen zum Klimawandel und zur Umweltverschmutzung bei. ❌ Fossile Brennstoffe werden mit der Zeit erschöpft. ❌ Luftverschmutzung und Abfallentsorgung stellen Herausforderungen für Umwelt und Gesundheit dar.

Abbildung 2. Energiequellen [2]

Wie können sich verschiedene Energiequellen ergänzen, um ein widerstandsfähigeres Energiesystem zu schaffen?

Energieverbrauch weltweit und in der Europäischen Union

• Globale Trends: Fossile Brennstoffe machen nach wie vor über 80 % des gesamten Energieverbrauchs aus, obwohl ihre Dominanz langsam zurückgeht. Erneuerbare Energien gewinnen aufgrund technologischer Fortschritte, Kostensenkungen und politischer Anreize an Bedeutung, wobei Solar- und Windenergie weltweit das Wachstum anführen. Der Anteil erneuerbarer Energien am Gesamtverbrauch wird voraussichtlich deutlich steigen.
• Energiewende in der Europäischen Union: Die EU beschleunigt ihren Übergang zu kohlenstoffarmen Energiequellen und strebt eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 55 % bis 2030 an. Die Länder arbeiten aktiv daran, Kohle aus dem Verkehr zu ziehen, die Offshore-Windkapazitäten zu erhöhen, die Produktion von grünem Wasserstoff auszuweiten und die Infrastruktur für die Energiespeicherung zu verbessern.
• Sektoraler Verbrauch: Der Industriesektor ist nach wie vor der größte Energieverbraucher und stark von fossilen Brennstoffen für die Schwerindustrie und chemische Prozesse abhängig. Elektrifizierung und wasserstoffbasierte Technologien entwickeln sich zu Alternativen. Der Verkehrssektor durchläuft eine rasante Elektrifizierung, wobei Elektrofahrzeuge, Wasserstofftechnologien und Biokraftstoffe zunehmend zum Einsatz kommen. Der Wohnsektor befindet sich im Wandel hin zu intelligenten Energiesystemen, energieeffizienten Gebäuden, Dachsolaranlagen und Wärmepumpen.

Abbildung 3: Energieverbrauch nach Quellen [3]

Welche Faktoren beeinflussen die Entscheidungen zum Energiemix in verschiedenen Ländern? Wie prägen Geografie, Wirtschaft und Politik diese Entscheidungen?

Kernenergie

Kernenergie wird durch den Prozess der Kernspaltung erzeugt, bei dem Atome schwerer Elemente (in der Regel Uran-235 oder Plutonium-239) in einer kontrollierten Reaktion gespalten werden und dabei enorme Mengen an Wärme freisetzen. Diese Wärme wird zur Erzeugung von Dampf genutzt, der Turbinen antreibt, um Strom zu erzeugen.Kernreaktoren verwenden eine Kombination aus Steuerstäben, Moderatoren und Kühlsystemen, um die Kettenreaktion sicher aufrechtzuerhalten und zu regulieren.Der Kernbrennstoffkreislauf umfasst den Abbau, die Anreicherung, die Stromerzeugung und die Entsorgung. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen verursacht die Kernenergie keine direkten CO₂-Emissionen und ist daher eine kohlenstoffarme Energiequelle. Da sie jedoch auf endlichen Ressourcen basiert, wird sie nicht als erneuerbare Energiequelle eingestuft.

Abbildung 4. Kernenergie [4]

Frankreich erzeugt über 70 % seines Stroms aus Kernenergie und reduziert damit seine Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Allerdings wird weiterhin darüber diskutiert, ob die Kernenergie ein wichtiger Bestandteil der Energiewende bleiben oder vollständig durch erneuerbare Energien ersetzt werden sollte.

Vorteile und Risiken der Kernenergie

Vorteile

• Eine kleine Menge Kernbrennstoff erzeugt riesige Mengen an Strom, deutlich mehr als fossile Brennstoffe oder erneuerbare Energien.
• Obwohl sie nicht emissionsfrei ist, verursacht die Kernenergie während ihres Betriebs nur geringe CO₂-Emissionen, was sie zu einer Option für die Dekarbonisierung macht.
• Liefert im Gegensatz zu intermittierenden erneuerbaren Energien kontinuierliche Grundlastleistung.
• Verringert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffimporten und sorgt für mehr geopolitische Stabilität.

Risiken

• Der Bau von Kernkraftwerken ist kapitalintensiv, erfordert Milliarden von Dollar und lange Bauzeiten.
• Abgebrannte Brennelemente bleiben über Jahrtausende hinweg hochradioaktiv und erfordern daher langfristige Lagerungslösungen wie tiefe geologische Endlager.
• Obwohl selten, haben Nuklearkatastrophen wie Tschernobyl (1986) und Fukushima (2011) die katastrophalen Risiken von Reaktorausfällen aufgezeigt.
• Bedenken hinsichtlich der Sicherheit und der Abfallentsorgung führen häufig zu politischem Widerstand und regulatorischen Hürden.

Kann Kernenergie eine langfristige Lösung zur Reduzierung der CO₂-Emissionen sein, oder überwiegen ihre Risiken die Vorteile?

Energieumwandlung und -effizienz

Energie wird ständig von einer Form in eine andere umgewandelt, z. B. chemische Energie (fossile Brennstoffe) → thermische Energie (Wärme) → mechanische Energie (Turbinen) → elektrische Energie. Bei der Energieumwandlung geht immer ein Teil der Energie verloren, häufig in Form von Wärme. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energieumwandlungen niemals zu 100 % effizient sind, was bedeutet, dass die Optimierung des Energieverbrauchs für die Reduzierung von Abfall entscheidend ist.

Mehrere technologische Fortschritte tragen dazu bei, die Energieeffizienz zu steigern und Energieverluste zu minimieren:

Intelligente Stromnetze

Effiziente Geräte

Fortschrittliche Haushalts- und Industriegeräte (LED-Beleuchtung, Wärmepumpen und hocheffiziente Motoren) verbrauchen weniger Energie bei gleicher Leistung.

Intelligente Stromverteilungsnetze, die den Stromfluss optimieren, Übertragungsverluste reduzieren und erneuerbare Energien effizient integrieren.

Verbessern Sie die Energieeffizienz, indem Sie überschüssigen Strom aus erneuerbaren Quellen speichern und bei hohem Bedarf wieder abgeben, um so Schwankungen im Angebot auszugleichen.

Wärmerückgewinnungssysteme

Batteriespeichersysteme

Gewinnen und nutzen Sie Abwärme aus industriellen Prozessen, Kraftwerken und Gebäuden und steigern Sie so die Gesamtenergieeffizienz.

LED-Glühbirnen wandeln fast 90 % der elektrischen Energie in Licht um, während herkömmliche Glühbirnen den größten Teil der Energie als Wärme abgeben. Diese kleine technologische Veränderung hat weltweit zu erheblichen Energieeinsparungen geführt.

Vergleich von Energiequellen

Tabelle 1. Vergleich der Energiequellen

Fossile Brennstoffe

Abbildung 5: Nutzung fossiler Brennstoffe [5]

Fossile Brennstoffe – Kohle, Öl und Erdgas – sind kohlenstoffreiche Energiequellen, die über Millionen von Jahren aus den Überresten alter Pflanzen und Mikroorganismen entstanden sind. Diese Brennstoffe werden aus unterirdischen Vorkommen gewonnen und für verschiedene Anwendungen verarbeitet, darunter Stromerzeugung, Transport und industrielle Prozesse. Sie sind nicht erneuerbar, d. h. ihre Entstehung dauert lange und sie werden schneller verbraucht, als sie wieder aufgefüllt werden können. Fossile Brennstoffe sind seit der industriellen Revolution aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihrer einfachen Transportierbarkeit und ihrer gut ausgebauten Infrastruktur die dominierende Energiequelle. Sie haben das Wirtschaftswachstum vorangetrieben und decken nach wie vor über 80 % des weltweiten Energiebedarfs. Aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und der bestehenden Lieferketten ist es schwierig, sie kurzfristig vollständig abzuschaffen. Trotz ihrer Vorteile sind fossile Brennstoffe endliche Ressourcen und unterliegen geopolitischen Schwankungen, Preisvolatilität und Herausforderungen bei der Förderung. Angesichts des steigenden Energiebedarfs ist die langfristige Nutzbarkeit fossiler Brennstoffe Gegenstand einer globalen Debatte.

Kohle, Öl, Erdgas

Erdgas

Öl

Kohle

• Natürlich in flüssiger Form vorkommend und aus unterirdischen Lagerstätten gewonnen.
• Zu Benzin, Diesel und anderen Kraftstoffen für den Transport sowie für Petrochemikalien und Kunststoffe in der Industrie raffiniert.
• Zu den größten Produzenten zählen Saudi-Arabien, die Vereinigten Staaten und Russland.
• Weltweit werden täglich über 90 Millionen Barrel Öl verbraucht.
• Emissionsfreigabe in die Atmosphäre, verursacht das Risiko von Ölverschmutzungen.
• Price is influenced by geopolitical events.

• Verbrennung zur Stromerzeugung in Kraftwerken, auch für industrielle Beheizung, Stahlproduktion.
• Größte Stromquelle weltweit.
• Der am häufigsten vorkommende fossile Brennstoff, aber auch der mit den höchsten CO₂-Emissionen. Kohle hat den höchsten CO₂-Fußabdruck und ist aufgrund der Luftverschmutzung und des Abbaus schädlich.
• Rückläufige Nutzung aufgrund strengerer Emissionsvorschriften und Konkurrenz durch kostengünstigere erneuerbare Energien.
• China, Indien und die USA sind die größten Verbraucher.

• Entstanden neben Öl und Kohle, besteht hauptsächlich aus Methan (CH₄).
• Zunehmende Nutzung von Flüssigerdgas (LNG) für den globalen Energiehandel.
• Wird zum Heizen, zur Stromerzeugung und als Industriebrennstoff verwendet.

• Häufig wird es über Pipelines transportiert oder für den internationalen Handel verflüssigt.
• Geringere Emissionen von CO₂ und Luftschadstoffen als Kohle und Öl, setzt jedoch Methan frei, ein starkes Treibhausgas.
• Zu den wichtigsten Produzenten zählen Russland, die Vereinigten Staaten und der Iran.

Welcher dieser fossilen Brennstoffe hat das größte Potenzial für eine sauberere Nutzung in der Zukunft, und mit welchen Technologien lassen sich ihre Umweltauswirkungen verringern?

Auswirkungen fossiler Brennstoffe auf die Umwelt

Treibhausgasemissionen: Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden große Mengen Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) freigesetzt, das 25-mal stärker als CO₂ zum Treibhauseffekt und zum Klimawandel beiträgt. Der Energiesektor ist für fast 75 % der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Luftverschmutzung: Kraftwerke, Fahrzeuge und Industriebetriebe stoßen Schwefeldioxid (SO₂), Stickoxide (NOₓ) und Feinstaub aus, was zu Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen führt. In städtischen Gebieten mit hoher Kohleabhängigkeit ist die Sterblichkeitsrate aufgrund der langjährigen Belastung durch Luftschadstoffe erhöht. Ölverschmutzung und Zerstörung von Lebensräumen: Offshore-Bohrungen und Unfälle beim Transport von Öl führen zu schweren Umweltkatastrophen, die das Leben im Meer und die Ökosysteme an den Küsten beeinträchtigen. Der Tagebau von Kohle führt zu schwerer Bodendegradation, Zerstörung von Lebensräumen und Bodenerosion.

Abbildung 6. Ölkatastrophe der Deepwater Horizon [6]

Durch die Ölkatastrophe der Deepwater Horizon (2010) gelangten fast 4,9 Millionen Barrel Rohöl in den Golf von Mexiko, wodurch marine Ökosysteme, die lokale Fischerei und die Wirtschaft in den Küstenregionen schwer geschädigt wurden.

Erschöpfung fossiler Brennstoffe

Kohle: Kohle ist der am häufigsten vorkommende fossile Brennstoff, aber die Vorkommen an hochwertiger Kohle gehen in vielen Regionen zur Neige. Die geschätzten Reserven reichen noch für 100 bis 150 Jahre, aber die Förderung geht aufgrund strengerer Emissionsvorschriften und sinkender Nachfrage in den Industrieländern zurück, was die Rentabilität verringert.Öl: Die Ölförderung wird immer schwieriger. Die konventionellen Ölreserven gehen zur Neige, sodass die Industrie gezwungen ist, unkonventionelle Quellen wie Ölsande und Tiefseebohrungen zu erschließen, die einen höheren Energieaufwand erfordern und eine größere CO2-Bilanz aufweisen. Bei den derzeitigen Verbrauchsraten könnten die weltweiten Ölreserven in den nächsten 50 Jahren erschöpft sein.Erdgas: Die Vorkommen reichen schätzungsweise für 50 bis 60 Jahre, aber gelegentlich werden neue Reserven entdeckt. Die Reserven sind jedoch endlich, und Fördermethoden wie das Hydraulic Fracturing haben Umweltbedenken aufgeworfen. Auch Methanleckagen aus der Förder- und Transportinfrastruktur geben Anlass zu Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit.

Abbildung 7. Verlassene Ölpumpe [7]

Durch die Ölkatastrophe der Deepwater Horizon (2010) gelangten fast 4,9 Millionen Barrel Rohöl in den Golf von Mexiko, wodurch marine Ökosysteme, die lokale Fischerei und die Wirtschaft in den Küstenregionen schwer geschädigt wurden.

Vier wichtige Schritte zur Dekarbonisierung der Energieversorgung

Die Dekarbonisierung zielt darauf ab, die Kohlendioxidemissionen (CO₂) aus der Energieerzeugung und dem Energieverbrauch zu reduzieren.

3. Kohlenstoffabscheidung und -speicherung

1. Übergang zu erneuerbaren Energiequellen

• Der abgeschiedene Kohlenstoff kann unterirdisch gespeichert (geologische Sequestrierung) oder zu Materialien wie synthetischen Kraftstoffen, Zement und Chemikalien weiterverarbeitet werden.

• Die Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien in Industrie, Heizung und Verkehr kann die Emissionen drastisch reduzieren.
• Erweiterung der Netzspeicherlösungen zum Ausgleich intermittierender erneuerbarer Energiequellen.

2. Energieeffizienz verbessern

4. Entwicklung der Elektrifizierung

• Intelligente Stromnetze und KI-gesteuerte Laststeuerung optimieren den Stromverbrauch.
• Technologien für hocheffiziente Geräte, verbesserte Isolierung und industrielle Abwärmerückgewinnung tragen zur Senkung des Energieverbrauchs bei.

• Die Einführung von Elektrofahrzeugen (EV) ausweiten und Verbrennungsmotoren aus dem Verkehr ziehen.
• Industrielle Prozesse auf strombasierte Alternativen umstellen.

Norwegens zu fast 100 % erneuerbares Stromnetz ermöglicht eine erfolgreiche Umstellung auf Elektrofahrzeuge und einen elektrifizierten öffentlichen Nahverkehr.

Möglichkeiten zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen

• Wechsel zu Anbietern erneuerbarer Energien ☀️

Haushalte und Unternehmen können zu Stromanbietern wechseln, die Strom aus Wind-, Solar-, Wasser- und Geothermie erzeugen.Einige Länder ermöglichen es Energieverbrauchern, ihren Strommix selbst zu wählen, und fördern so die marktorientierte Einführung erneuerbarer Energien.

• Verbessern Sie die Energieeffizienz Ihres Zuhauses 🏠

Durch die Implementierung von Smart-Home-Technologien, energieeffizienten Geräten und einer besseren Isolierung kann der Verbrauch fossiler Brennstoffe für Heizung und Strom drastisch gesenkt werden.Wärmepumpen und Solarthermieanlagen bieten kohlenstoffarme Alternativen zu Gas- und Ölheizungen.

• Nutzen Sie kohlenstoffarme Verkehrsmittel 🚲

Zu Fuß gehen, Rad fahren, öffentliche Verkehrsmittel oder Carsharing-Dienste nutzen, anstatt kurze Strecken mit dem Auto zu fahren, kann den persönlichen Kraftstoffverbrauch und die Emissionen senken.

Abbildung 8. Energiewende [8]

Wie können sich Industrie und Verbraucher an eine Welt mit weniger fossilen Brennstoffen anpassen und gleichzeitig wirtschaftliche Stabilität und Energiesicherheit gewährleisten?

Bedeutung von erneuerbarer Energie

Definition von erneuerbarer Energie

Warum ist erneuerbare Energie wichtig?

• Reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und senkt den Ausstoß von Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄), die den Klimawandel beeinflussen.
• Sorgt für eine langfristige Stabilität der Energieversorgung und der Preise.
• Reduziert die Abhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen und erhöht die Energiesicherheit.
• Der Sektor der erneuerbaren Energien gehört zu den am schnellsten wachsenden Branchen und beschäftigt weltweit mehr als 12 Millionen Menschen, wobei ein Anstieg in der Solar-, Wind- und Wasserstoffindustrie prognostiziert wird..

• Erneuerbare Energie ist Energie, die aus natürlichen Prozessen stammt, die sich ständig erneuern. Sie sind auf einer menschlichen Zeitskala praktisch unerschöpflich. Dazu gehören Sonnen- und Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und geothermische Energie.
• -Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen erschöpfen erneuerbare Energieträger nicht die endlichen Ressourcen und haben nur minimale langfristige Auswirkungen auf die Umwelt.

Abbildung 9. Erneuerbare Energiequellen [9]

Bei der Umstellung auf saubere Energie geht es um eine Investition in unsere Zukunft" - Gloria Reuben

Solarenergie

So funktioniert Solarenergie: Photovoltaikmodule (PV) wandeln Sonnenlicht mithilfe von Halbleitermaterialien (z. B. Silizium) in Strom um. Konzentrierte Solarenergie (CSP) verwendet Spiegel, um das Sonnenlicht zu bündeln und Wärme zur Stromerzeugung zu erzeugen. Fortschritte bei Perowskit-Solarzellen und bifazialen PV-Paneelen erhöhen die Effizienz und senken die Kosten. Vorteile: Unbegrenztes Energiepotenzial; Sonnenlicht liefert in einer Stunde mehr Energie, als die Welt in einem Jahr verbraucht. Solarmodule sind weithin verfügbar und können auf Häusern, Unternehmen und großen landwirtschaftlichen Betrieben mit geringen Betriebskosten installiert werden.Die Herausforderungen: Solarenergie ist nur bei Tageslicht verfügbar. Groß angelegte Solarparks benötigen viel Platz. Die Produktion von Solarmodulen hängt von seltenen Materialien (z. B. Silber, Indium) ab, was zu Problemen in der Lieferkette führt.

Video 1. Wie funktionieren Solarzellen? [10]

Energie

Wie Windenergie funktioniert: Windturbinen wandeln die kinetische Energie der sich bewegenden Luft in mechanische Energie um, die in Strom umgewandelt wird. Offshore-Windparks fangen stärkere, gleichmäßigere Winde ein und erhöhen so die Zuverlässigkeit. Innovationen bei schwimmenden Windturbinen erweitern die potenziellen Einsatzgebiete.Vorteile: Eine einzige moderne Windkraftanlage kann Tausende von Haushalten pro Jahr mit Strom versorgen. Windenergie erzeugt keine direkten Emissionen und benötigt im Vergleich zu Anlagen für fossile Brennstoffe wenig Wasser.Die Herausforderungen: Die Windgeschwindigkeiten schwanken und erfordern Speicherlösungen oder Netzausgleichsmechanismen. Einige Gemeinden lehnen Windparks aufgrund ihrer optischen Auswirkungen und ihres Lärmpegels ab. Sie können sich auf Vogelpopulationen auswirken.

Video 2: Wie funktionieren Windturbinen? [11]

Der Windpark Hornsea im Vereinigten Königreich, einer der größten Offshore-Windparks, versorgt mehr als eine Million Haushalte mit Strom und reduziert gleichzeitig die Kohlenstoffemissionen erheblich.

Wasserkraft

Wie Wasserkraft funktioniert:Dämme und Stauseen speichern Wasser, das über Turbinen zur Stromerzeugung freigegeben wird. Die Laufwasserkraft nutzt den natürlichen Wasserfluss ohne Stauseen, was die ökologischen Auswirkungen verringert. Pumpspeicherkraftwerke (PSH) wirken wie eine groß angelegte Batterie, indem sie überschüssige Energie speichern.Vorteile:Wasserkraftwerke haben eine Lebensdauer von über 50 Jahren und erreichen Wirkungsgrade von über 90 %. Im Gegensatz zu Sonnen- und Windenergie liefert die Wasserkraft kontinuierlich Energie. Lange Lebensdauer bei relativ geringem Wartungsaufwand.Herausforderungen: Staudämme stören die Ökosysteme der Flüsse, die Fischwanderung und den Sedimenttransport, was sich auf die Artenvielfalt auswirkt. Der Bau großer Wasserkraftwerke erfordert erhebliche Infrastrukturkosten und lange Bauzeiten.

Video 3: Wie funktioniert die Wasserkraft? [12]

Geothermische Energie

Wie geothermische Energie funktioniert:Bei der Geothermie wird die Wärme unter der Erdkruste durch Bohrungen in geothermische Reservoirs genutzt, um Dampf zu erzeugen, der Turbinen zur Stromerzeugung antreibt. Enhanced Geothermal Systems (EGS) injizieren Wasser in heiße Gesteinsformationen, um das geothermische Potenzial zu erweitern. Die direkte Nutzung umfasst Fernwärme, industrielle Prozesse und Gewächshausanbau. Vorteile:Kontinuierliche, zuverlässige Energie, die sowohl für Strom als auch für Heizung genutzt werden kann. Erdwärmepumpen können die Heiz- und Kühlkosten im Vergleich zu Systemen mit fossilen Brennstoffen um bis zu 60 % senken. Minimaler Flächenbedarf im Vergleich zu Solar- oder Windkraftanlagen. Herausforderungen: Begrenzt auf Regionen mit geothermischer Aktivität. Erfordert hohe Anfangsinvestitionen für Bohrungen und Infrastruktur.

Video 4: Wie funktioniert geothermische Energie? [13]

Island deckt fast 90 % seines Wärmebedarfs mit geothermischer Energie und ist damit weltweit führend bei der Nutzung dieser erneuerbaren Energiequelle für eine nachhaltige Entwicklung.

Energie aus Biomasse

Vorteile:

Energie aus Biomasse wird aus organischen Materialien wie Holz, landwirtschaftlichen Rückständen und tierischen Abfällen gewonnen, die verbrannt oder in Biokraftstoffe umgewandelt werden können. Moderne Technologien ermöglichen die Umwandlung von Biomasse in Biogas, Bioethanol und Biodiesel, die herkömmliche fossile Brennstoffe für Heizung, Stromerzeugung und Transport ersetzen können. Biomasse kann für direkte Verbrennungsprozesse, für die Erzeugung von Biogas durch anaerobe Vergärung oder für die Biokraftstoffproduktion verwendet werden. Die gängigsten Formen von Biomasse sind Holzpellets, Biogas und Biodiesel.

• Biomasse absorbiert während ihres Wachstums CO₂ und setzt bei ihrer Verbrennung nur das absorbierte CO₂ frei, was sie zu einer kohlenstoffarmen Option macht.
• - Biomasse kann vor Ort erzeugt werden, was die Abhängigkeit von importierten Brennstoffen verringert.
• - Umwandlung von landwirtschaftlichen und industriellen Abfällen in nützliche Energie, wodurch die Abfalldeponien reduziert werden.
• - Bietet eine Alternative zu fossilen Brennstoffen für Elektrizität, Heizung und Transportkraftstoffe.

Herausforderungen

• Bei der Verbrennung von Biomasse entstehen zwar weniger Feinstaub und andere Luftschadstoffe als bei fossilen Brennstoffen, aber dennoch.
• - Nicht nachhaltige Ernten können zur Abholzung von Wäldern führen.
• - Der Anbau von Pflanzen für Biokraftstoffe konkurriert mit dem Anbau von Nahrungsmitteln, was Bedenken hinsichtlich der Landnutzung und der Ernährungssicherheit aufwirft.
• - Die Verarbeitung und der Transport von Biomasse erfordern ein sorgfältiges Management, um Nachhaltigkeit zu gewährleisten.
• - Biomasse hat eine geringere Energiedichte und -effizienz als fossile Brennstoffe oder fortschrittliche erneuerbare Energien wie Wind und Sonne.

Figure 10. Wood pellets [14]

Wie kann die Energiegewinnung aus Biomasse nachhaltig und mit möglichst geringen Auswirkungen auf die Flächennutzung und die Luftqualität gestaltet werden?

Ziele der Energiewende weltweit und in der Europäischen Union

Der Begriff Energiewende bezieht sich auf die weltweite Umstellung von auf fossilen Brennstoffen basierenden Energiesystemen auf erneuerbare und kohlenstoffarme Energiequellen. Dieser Prozess umfasst Veränderungen in der Infrastruktur, der Politik und den Verbrauchsmustern, um die Umweltauswirkungen zu verringern und die Energiesicherheit zu verbessern.

Das Pariser Abkommen (2015) ist ein globales internationales Abkommen, das globale Ziele zur Begrenzung des Temperaturanstiegs auf unter 2°C festlegt. Über 190 Länder haben sich verpflichtet, nationale Klimaziele festzulegen, aus der Kohle auszusteigen und in erneuerbare Energien zu investieren.

Netto-Null-Ziele: Mehr als 130 Länder haben sich verpflichtet, bis Mitte des Jahrhunderts Netto-Null-Emissionen zu erreichen, wobei führende Volkswirtschaften aggressive Dekarbonisierungsfahrpläne aufstellen.

Ausstieg aus fossilen Brennstoffen: Die Kohlenutzung geht in vielen Regionen zurück, und einige Länder haben Strategien für den Kohleausstieg bis 2030-2040 festgelegt.

Übergangsziele der Europäischen Union

Bis 2050:

• Erreichen von Netto-Null-Treibhausgasemissionen, wodurch die EU tatsächlich klimaneutral wird.

Bis 2030:

• Verringerung der Treibhausgasemissionen um mindestens 55 % im Vergleich zum Stand von 1990;
• - Die EU-Politik schreibt eine Senkung der Energienachfrage um 9 % bis 2030 vor.
• - Die EU-Länder müssen mindestens 42,5 % des Energiebedarfs aus erneuerbaren Energien decken.

2050

2030

1990

Welche anderen Ziele sollten beim effizienten Übergang zu nachhaltiger Energie berücksichtigt werden?

Nationale Beispiele in Griechenland, Italien und Österreich für die Energiewende

• Der wichtigste Energieversorger in Griechenland (PPC Renewables) hat einen neuen Ansatz zur Förderung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen in Griechenland gewählt.
• Die kommunale Behörde für Abfallwirtschaft (Diadyma S.A.) der Region Westmazedonien hat einen Geschäftsplan verabschiedet, der auf die Förderung des grünen Unternehmertums in der Region zugeschnitten ist.

Griechenland

• Die zunehmenden Investitionen in kommunale Solarprojekte, bei denen die Bürgerinnen und Bürger gemeinsam lokale Solaranlagen finanzieren und von ihnen profitieren.

Italien

Abbildung 11. Energieeinsparung [15]

Österreich

• Flugblätter zur Verbesserung der Energiekompetenz der Gesellschaft in einfacher und attraktiver Weise präsentiert.

Erneuerbare Energien im Energiemix von Litauen, Griechenland, Italien, Bulgarien und Österreich

Der Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtenergiemix variiert aufgrund von Unterschieden bei der Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen, politischen Anreizen, der Energieinfrastruktur und Investitionsstrategien. Litauen ist führend bei der Einführung erneuerbarer Energien und nutzt Windkraft, Bioenergie und wachsende Offshore-Windprojekte, während Österreich einen starken Wasserkraftsektor unterhält, der fast 60 % seines Strombedarfs deckt. Italien investiert stark in schwimmende Solarparks und Wasserstoffproduktion, um erneuerbare Energien zu ergänzen. Griechenland nutzt seine geografische Lage, um hybride erneuerbare Energiesysteme zu entwickeln, die Solar-, Wind- und Pumpspeicherkraftwerke integrieren. Bulgarien ist historisch gesehen von Kohle abhängig, stellt jedoch mit zunehmenden Investitionen in Wind-, Biomasse- und Wasserkraft auf erneuerbare Energien um. Bulgarien hat auch begonnen, das Potenzial der Geothermie zu erkunden. Dennoch ist eine erhebliche Diskrepanz zwischen dem Anteil am Stromverbrauch und dem Gesamtenergieverbrauch festzustellen. Während erneuerbare Energiequellen einen wesentlichen Beitrag zur Stromerzeugung leisten, ist ihr Anteil am Gesamtenergieverbrauch aufgrund der anhaltenden Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen in Sektoren wie Verkehr, Heizung und Schwerindustrie nach wie vor geringer.

Abbildung 12. Anteil erneuerbarer Energien in den Ländern (2023) [16]

Was kann dazu beitragen, die Einführung erneuerbarer Energien über die Stromerzeugung hinaus zu beschleunigen, insbesondere in den Bereichen Heizung und Verkehr?

Nationale Energiestrategien in Litauen, Griechenland, Italien, Bulgarien und Österreich

Litauen

Griechenland

Italien

• Umfangreiche Investitionen in Offshore-Wind- und Solarenergie mit dem Ziel, bis 2050 100 % Strom aus erneuerbaren Energien zu erzeugen.
• - Investitionen in Energiespeicherlösungen und Offshore-Windprojekte in der Ostsee zum Ausgleich der intermittierenden erneuerbaren Energien.
• - Pläne für eine groß angelegte Produktion von grünem Wasserstoff mit Hilfe von Offshore-Windenergie.

• Starke Förderung von Solarenergie, Offshore-Windparks und Wasserstoffinfrastruktur; Ziel ist ein Anteil von 55 % erneuerbarer Energien bis 2030.
• - Die Regierung hat einen Plan zur Wiedereinführung der Kernenergie verabschiedet, um die Energieversorgung zu sichern und die Industrie zu dekarbonisieren.
• - Zunehmende Nutzung von Biogas und grünem Wasserstoff für industrielle Anwendungen.

• Ausstieg aus der Kohleverstromung bis 2028, Ausbau der Solar- und Windkraftkapazitäten und Integration von Energiespeicherlösungen.
• - Schaffung von Anreizen für Hausbesitzer zur Installation von Sonnenkollektoren und Wärmepumpen.
• - Ausbau von Batteriespeichersystemen und Verbindungen zwischen den Inseln und dem Festland.

Bulgarien

Österreich

• Angestrebter Anteil erneuerbarer Energien von 40 % bis 2030, wobei die Diskussionen über den Kohleausstieg noch andauern.
• - Schrittweise Abkehr von der Kohle, Ausbau der Wasserkraft und Erweiterung der Solarenergieproduktion.
• - Schwerpunkt auf der Verbesserung der Netzinfrastruktur und der Verbundfähigkeit, um die Energiestabilität zu erhöhen, sowie auf der Modernisierung der Fernwärmesysteme.

• Angestrebtes Ziel: 100 % Strom aus erneuerbaren Energien bis 2030, Kohlenstoffneutralität bis 2040.
• - Investitionen in den Ausbau von Wasserkraft, Wind- und Solarenergie.
• - Trotz des hohen Anteils erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung ist Österreich nach wie vor stark auf Gas angewiesen, was die Notwendigkeit einer Diversifizierung der Energiequellen für die Wärmeerzeugung unterstreicht.

Energieunabhängigkeit und Geopolitik

Warum ist Energieunabhängigkeit wichtig?

Wirtschaftliche und soziale Auswirkungen der Energieinstabilität

Reduziert die Abhängigkeit von externen Energielieferanten und macht die Länder widerstandsfähiger gegen geopolitische Spannungen. Länder mit diversifizierten Energiequellen sind weniger anfällig für geopolitische Konflikte und Wirtschaftssanktionen. Stärkt die Widerstandsfähigkeit der nationalen Wirtschaft, indem die Abhängigkeit von den volatilen globalen Energiemärkten minimiert wird.

Steigende Energiepreise belasten Verbraucher und Industrie, erhöhen die Lebenshaltungskosten und bremsen das Wirtschaftswachstum. Energieknappheit führt zu Inflation, Produktionsrückgängen und wirtschaftlicher Stagnation. Die Energiearmut nimmt zu und trifft einkommensschwache Bevölkerungsgruppen und Entwicklungsländer unverhältnismäßig stark.

Der Übergang zur Energiesicherheit

Wie wirken sich Kriege auf die Energiepreise aus?

Der Ausbau der Kapazitäten für erneuerbare Energien verringert die Abhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen und stabilisiert die Energiekosten. Investitionen in die Energiespeicherung und intelligente Netze sorgen für eine effizientere Verteilung und Widerstandsfähigkeit. Regierungen halten Energie-Notvorräte vor, um Versorgungsschocks entgegenzuwirken.

Der Krieg zwischen Russland und der Ukraine (2022) führte zu einem sprunghaften Anstieg der Erdgaspreise in Europa, was zu dringenden Maßnahmen zur Diversifizierung der Energieversorgung führte und die Umstellung auf erneuerbare Energien und LNG-Importe beschleunigte. Konflikte in wichtigen Öl- und Gasförderregionen führen zu Versorgungsunterbrechungen und Preisschwankungen. Frühere Konflikte wie die Ölkrise von 1973 haben gezeigt, wie geopolitische Instabilität Volkswirtschaften lähmen kann, die von der Einfuhr fossiler Brennstoffe abhängig sind.

Nationale Strategien zur Erhöhung der Energieunabhängigkeit

Wie verringern die Länder ihre Abhängigkeit von der Einfuhr fossiler Brennstoffe?

Ausbau der Kapazitäten für erneuerbare Energien (Sonne, Wind, Wasserkraft). Die Regierungen stellen Subventionen, Steueranreize und Finanzmittel bereit, um den Übergang zu erneuerbaren Energien zu beschleunigen.

Die Länder suchen nach alternativen Energielieferanten, z. B. durch den Ausbau regionaler Energienetze und den Import von LNG, um die Abhängigkeit von Erdgas aus einem einzigen Land zu verringern.

Batteriespeicher, Verbindungsleitungen, Wasserstofferzeugung und intelligente Netze sind der Schlüssel zu einer stabilen Versorgung mit Strom aus erneuerbaren Energien.

Litauen: LNG-Terminal zur Diversifizierung der Gasversorgung, um die Abhängigkeit von russischen Gasimporten zu beenden; umfangreiche Investitionen in Offshore-Windenergie. Griechenland: Beschleunigung von Solar- und Windenergieprojekten; Verbundprojekte mit anderen EU-Ländern. Italien: Ausbau der Solar-, Wind- und Wasserstoffproduktion, insbesondere in den südlichen Regionen; Verbindungsleitungen mit den Nachbarländern. Bulgarien: Umstellung von Kohle auf einen Mix aus Erdgas und erneuerbaren Energien; Modernisierung des Energienetzes zur Steigerung der Effizienz. Österreich: Starker Fokus auf den Ausbau der Wasserkraft; verstärkte grenzüberschreitende Energiekooperation mit Deutschland und der Schweiz für eine stabilere Energieversorgung.

Welche Strategien sind am wirksamsten, um die Abhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen zu verringern, und wie können die Länder diese Umstellung beschleunigen?

Schlussfolgerungen

• Ein umfassendes Verständnis von fossilen Brennstoffen, Kernenergie und erneuerbaren Energiequellen ermöglicht eine fundierte Entscheidungsfindung in der Energiepolitik, bei Investitionen und bei Nachhaltigkeitsstrategien.
• - Der Übergang von kohlenstoffintensiven Brennstoffen zu kohlenstoffarmen und erneuerbaren Energiequellen ist entscheidend für die Erreichung der globalen Klimaziele und die Energiesicherheit. Zu den Dekarbonisierungsstrategien gehören auch grüner Wasserstoff, Energieeffizienz und Elektrifizierung.
• - Die Länder verfolgen verschiedene Strategien wie regionale Energiekooperationen, strategische Reserven und dezentrale erneuerbare Systeme, um die Widerstandsfähigkeit gegen externe Energieunterbrechungen zu erhöhen.
• - Die Haushalte spielen eine Schlüsselrolle bei der Energiewende, indem sie energieeffiziente Technologien einsetzen, auf Strom aus erneuerbaren Energien umsteigen und den Gesamtenergieverbrauch senken.
• - Der globale Energiesektor befindet sich in einem Umbruch, bei dem erneuerbare, integrierte, dezentrale und intelligente Energienetze die traditionellen Modelle ersetzen werden.

Wie können wir die globale Energiewende beschleunigen und dabei ein Gleichgewicht zwischen technologischen Fortschritten, wirtschaftlicher Machbarkeit und ökologischer Nachhaltigkeit herstellen?

Übungen

Übung 2 Energieplanung für ein Land

Übung 1 Vergleich von Energiequellen

Ihre Aufgabe ist es, einen nationalen 10-Jahres-Plan für die Energiewende in einem Land Ihrer Wahl zu entwickeln.

Verschiedene Energiequellen zu bewerten und die Faktoren zu erkennen, die die Wahl der Energiequelle beeinflussen.

Übung 1. Vergleichen Sie die Energiequellen

1. Wählen Sie eine fossile Energiequelle (z. B. Kohle, Öl, Erdgas) und eine erneuerbare Energiequelle (z. B. Sonne, Wind, Wasserkraft).
2. 2. Füllen Sie eine Tabelle mit Vor- und Nachteilen aus und analysieren Sie die wichtigsten Faktoren.

Übung 2. Energieplanung für ein Land

Sie sind Mitglied einer nationalen Energieberatungsgruppe. Ihre Aufgabe besteht darin, einen 10-Jahres-Plan für die Energiewende eines Landes Ihrer Wahl zu entwickeln.

ANLEITUNGEN

Berücksichtigen Sie die folgenden Aspekte: - Derzeitiger Energiemix und Abhängigkeit von Importen fossiler Brennstoffe - Potenzial für den Ausbau erneuerbarer Energien (Wind, Sonne, Wasser, Geothermie, Biomasse) - Die Rolle der Kernenergie oder des Wasserstoffs als Alternative - Erforderliche politische Maßnahmen, Anreize und technologische Innovationen - Wirtschaftliche und geopolitische Risiken des Übergangs Aufgabenstellung: - Erstellen Sie ein kurzes politisches Briefing (300-400 Wörter), in dem Sie Ihre Empfehlungen darlegen. Fügen Sie eine Begründung für den vorgeschlagenen Energiemix und mögliche Herausforderungen hinzu.

Quiz

Quiz

1. Dieses Quiz besteht aus 7 Multiple-Choice-Fragen zu den Themen Energiequellen, Umweltauswirkungen und Energiewende.
2. Wählen Sie für jede Frage die richtige Antwort (nur eine pro Frage).
3. Das Quiz hilft, die im Kurs behandelten Schlüsselkonzepte zu festigen.

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Quellen

Quellen für den Text:

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• European Commission. (2024). Energy and the Green Deal.
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• Global Wind Energy Council. (2021). Global Wind Report 2021.
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Quellen

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Quellen

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Quellen

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