25.08.2021 | Verbraucherschutz Windkraft, Photovoltaik und Co.: Wie die erneuerbaren Energiequellen funktionieren

Angesichts des Klimawandels ist der Umstieg auf erneuerbare Energiequellen unvermeidbar. Von Photovoltaik über Windkraft bis hin zu Biomasse, Wasser und Umweltwärme stehen ganz unterschiedliche Energieträger und Arten der Energiegewinnung zur Verfügung. Doch wie genau funktionieren die einzelnen Methoden zur Erzeugung von Ökostrom? Dieser Frage geht dieser Artikel nach und erläutert im Einzelnen, wie aus Sonnenlicht, Wind und anderen natürlichen Quellen Energie entsteht.

Foto: andreas160578 / pixabay Solarpanele sammeln die Sonnenenergie und machen sie in Form von Strom nutzbar.

Die Bedeutung von Ökostrom

Umweltfreundlicher Ökostrom ist für den Fortbestand der Menschheit unverzichtbar. Fossile Energieträger wie Öl und Erdgas treiben den Klimawandel voran und stehen nur noch eine begrenzte Zeit zur Verfügung. Die Atomenergie ist mit großen Risiken verbunden und erzeugt Abfälle, die viele Millionen Jahre lang strahlen werden. Erneuerbare Energiequellen stehen hingegen in unbegrenzter Zahl zur Verfügung und sind umweltfreundlich.

Es gibt vielfältige Technologien, mit denen Ökostrom gewonnen werden kann. Diese müssen allerdings noch weiter ausgebaut und verfeinert werden. Beispielsweise liefert die Sonne so viel Energie innerhalb von 90 Minuten, dass der weltweite Energiebedarf eines Jahres damit gedeckt werden könnte. Allerdings kann nur ein Bruchteil diese Energie tatsächlich nutzbar gemacht werden. Eine wichtige Aufgabe besteht deshalb darin, die Verfahren zur Gewinnung von Ökostrom immer weiter auszubauen, zu forschen und in Innovationen zu investieren.

Die Sonnenenergie nutzbar machen

Der Prozess, bei denen aus Sonnenenergie Strom erzeugt wird, heißt in der Fachwelt Photovoltaik. Hierbei trifft Sonnenlicht auf Solarzellen. Sonnenlicht hat keine Masse, besteht jedoch aus Energie, die in Form von Photonen vorliegt. Um die im Sonnenlicht enthaltene Energie nutzbar zu machen, muss ein funktionierender Stromkreis erzeugt werden. Hierfür kommen Solarmodule im großen Stil und im privaten Umfeld zum Einsatz.

Solarmodule sind ein Zusammenschluss mehrerer Solarzellen. Dies ist nötig, da eine Solarzelle selbst nur wenig Strom erzeugen kann. Eine einzelne Zelle besteht aus mehreren Halbleiterschichten. In der Regel handelt es sich hierbei um hochreines Silizium, dem verschiedene andere chemische Elemente beigefügt werden. Eine Schicht verfügt über zu wenige Elektronen und die andere über zu viele. Innerhalb der Grenzschicht zwischen diesen beiden Ebenen können sich Elektronen bewegen, um für einen Ausgleich zu sorgen. Die Photonen des Sonnenlichts sind in der Lage, die Elektronen in Bewegung zu setzen, sodass diese zum Pluspol wandern. Wird nun ein Stromkreis geschlossen, kann die Energie fließen und der Strom genutzt werden.

So wird Energie aus Wind gewonnen

Foto: Boke9a / pixabay Die Windkraft gehört zu den erneuerbaren Energien, die in Deutschland am stärksten genutzt werden.

Windenergie ist die am häufigsten genutzte Form von erneuerbaren Energien in Deutschland. Aktuell liegt ihr Anteil bei etwa 20,4% der gesamten Stromerzeugung hierzulande. Vor allem in den nördlichen Bundesländern und in Küstennähe kann Windenergie genutzt werden, da hier hohe Windgeschwindigkeiten erreicht werden. Eine Windkraftanlage besteht in der Regel aus Fundament, Turm, Maschinenhaus, Generator und Rotor. Diese Komponenten sind nötig, um Strom aus Wind zu erzeugen und an das Stromnetz abzugeben.

Wind hat immer eine bestimmte Geschwindigkeit und somit eine gewisse Energie. Die Rotorblätter einer Windkraftanlage sind aerodynamisch gestaltet und können sich somit an den Wind anpassen. Der Aufwind, der auf die Rotoren trifft, setzt sie in Bewegung, wobei Energie entsteht. Diese wird an an einen Generator weitergegeben, der daraus Strom erzeugt. Das ist mit einem Fahrraddynamo vergleichbar, bei dem die Kraft, die beim Treten entsteht, ebenfalls in Strom umgewandelt wird. Die Rotorblätter können verstellt werden, sodass eine zu schnelle Rotation vermieden wird und der Wind genutzt werden kann, egal aus welcher Richtung er weht.

Biomasse liefert viel Energie

Viele natürliche Komponenten wie Pflanzen, Holz oder Stroh sind in der Lage, Sonnenenergie zu speichern. Diese werden als Biomasse bezeichnet. Solche Energie ist beispielsweise auch in Biomüll oder Gülle enthalten. Biomasse gibt es in fester, flüssiger und gasförmiger Form und sie kann auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Einerseits lässt sich daraus Strom erzeugen, es besteht aber auch die Möglichkeit, Wärme zu gewinnen oder die Biomasse als Treibstoff für Fahrzeuge zu verwenden.

Die in den biogenen Stoffen enthaltene Energie kann auf verschiedene Weise nutzbar gemacht werden. Biogasanlagen setzen beispielsweise auf chemische Vergärungsprozesse, bei denen Gase und Wärme entstehen. Alternativ ist es möglich, die biogenen Stoffe zu verbrennen und somit mittels Oxidation an die darin enthaltene Energie zu gelangen. Ein Vorteil der Biomasse gegenüber anderen erneuerbaren Energiequellen ist, dass sie witterungsunabhängig ist und somit jederzeit eingesetzt werden kann.

Die Kraft des Wassers

Wasserkraft kann einerseits mechanisch genutzt werden, wie dies beispielsweise bei Windmühlen der Fall ist, oder die Energie wird über einen Generator zu Strom umgewandelt. Hierbei spielt einerseits die Strömung eine Rolle, weil diese eine Bewegungsenergie bereitstellt. Außerdem ist die potentielle Energie von Bedeutung. Abhängig von der vorhandenen Höhendifferenz steht eine jeweils andere Kraft zur Verfügung.

Eine weitere Möglichkeit, Wasser zur Energiegewinnung zu nutzen, ist die Elektrolyse. Hierbei entsteht grüner Wasserstoff. Dieser ist zwar farblos, das "grün" meint jedoch, dass bei der Erzeugung kein CO2 freigesetzt wird. Der grüne Wasserstoff kann als Energiequelle für ganz unterschiedliche Aufgaben und auch zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden.

Erd- und Umweltwärme für die Energiegewinnung

Innerhalb der Erde ist es ausgesprochen warm. Diese Energie kann in Teilen zur Wärmeerzeugung und zur Stromgewinnung genutzt werden. Aber auch die bodennahen Luftschichten haben teils Temperaturen, deren Energie verwendet werden kann. Abhängig vom Einsatzgebiet kommen hierfür unterschiedliche Technologien zum Einsatz. Im privaten Bereich sind dies vor allem Wärmepumpen, die die Energie aufnehmen und so umwandeln, dass sie eingesetzt werden kann. Im großen Stil gibt es Erdwärmekraftwerke, die so viel Energie erzeugen, dass damit komplette Stadtteile versorgt werden können.

Fazit

Erneuerbare Energiequellen bergen ein enormes Potenzial, das aktuell jedoch nur in Grenzen ausgenutzt werden kann. Ökostrom stellt dennoch eine wichtige Komponente in der Energiegewinnung dar, weil er kein klimaschädliches CO2 erzeugt und somit einen aktiven Beitrag zum Umweltschutz leistet. Das Ziel muss sein, komplett von den umweltschädlichen fossilen Energieträgern wegzukommen und weitestgehend auf Ökostrom zu setzen. Das ist jedoch nur durch eine kontinuierliche Verbesserung der Technologien möglich. Beispielsweise ließe sich allein über die Sonnenenergie der gesamte Energiebedarf der Menschheit decken. Damit das funktioniert, werden aber leistungsstärkere Solarpanele gebraucht.