Erneuerbare Energie

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Als erneuerbare Energien (auch großgeschrieben: Erneuerbare Energien) oder regenerative Energien werden Energiequellen bezeichnet, die im menschlichen Zeithorizont für nachhaltige Energieversorgung praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern.
Damit grenzen sie sich von fossilen Energiequellen ab, die endlich sind oder sich erst über den Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren.
Erneuerbare Energiequellen gelten, neben der effizienten Nutzung von Energie, als wichtigste Säule einer nachhaltigen Energiepolitik (englisch sustainable energy) und der Energiewende.
Zu ihnen zählen Bioenergie (Biomassepotenzial), Geothermie, Wasserkraft, Meeresenergie, Sonnenenergie und Windenergie.
Ihre Energie beziehen sie von der Kernfusion der Sonne, die bei weitem die wichtigste Energiequelle ist, aus der kinetischen Energie der Erddrehung und der Planetenbewegung sowie aus der erdinneren Wärme.
2018 deckten erneuerbare Energien 17,9 % des weltweiten Endenergieverbrauchs.
Daran hatte traditionelle Biomasse, in Entwicklungsländern zum Kochen und Heizen genutzt, mit 6,9 % den größten Anteil.
Gefolgt von moderner Biomasse und Solar- und Geothermie (4,3 %), Wasserkraft (3,6 %), andere moderne erneuerbare Energien wie vor allem Windkraft und Photovoltaik (zusammen 2,1 %) und Biokraftstoffe (1 %).
Der Ausbau der erneuerbaren Energien wird in vielen Staaten weltweit vorangetrieben.
Der Anteil am weltweiten Endenergieverbrauch steigt nur langsam um durchschnittlich 0,8 % pro Jahr zwischen 2006 und 2016.
== Erneuerbare Energiequellen
Die Bezeichnungen "erneuerbare Energien" und "Energiequellen" sind nicht im Sinne der Physik zu verstehen, denn Energie lässt sich nach dem Energieerhaltungssatz weder vernichten noch erschaffen, sondern lediglich in verschiedene Formen überführen.
Auch aus erneuerbaren Energien gewonnene sekundäre Energieträger (Elektrizität, Wärme, Kraftstoff) werden oft unpräzise als erneuerbare Energien bezeichnet.
Als Bezeichnung für thermische Energie, die aus Geothermie, Solarthermie oder Bioenergie gewonnen wird, und für die indirekte Nutzung von Sonnenenergie durch Solararchitektur wird auch die Bezeichnung erneuerbare Wärme verwendet.
Elektrizität aus erneuerbaren Energiequellen wird auch als Grünstrom und Ökostrom bezeichnet.
Die Basis für die erneuerbaren Energien bilden die drei Energiequellen Kernfusion der Sonne, Gezeitenkraft aufgrund der Planetenbewegung und Geothermie des Erdinneren.
Die mit Abstand ergiebigste Form ist dabei die Sonnenenergie, deren jährliches Energieangebot auf der Erde 3.900.000.000 PJ (Petajoule) beträgt.
Geothermie stellt 996.000 PJ bereit, während die Gravitation 94.000 PJ liefert.
Die auf die Erde eingestrahlte Sonnenenergie entspricht mehr als dem Zehntausendfachen des aktuellen menschlichen Energiebedarfs.
Erdwärme und Gezeitenkraft liefern deutlich geringere, aber im Vergleich zum menschlichen Bedarf hohe Beiträge.
Rein physikalisch betrachtet, steht damit ein Vielfaches der Energie zur Verfügung, die in absehbarer Zukunft gebraucht werden wird, auch wenn sich das hier genannte theoretische Potential u. a. durch technische und ökologische Belange reduziert.
Auch die notwendigen Techniken sowie die Konzepte zur Realisierung einer nachhaltigen Energieversorgung gelten als vorhanden.
Die Internationale Energieagentur (IEA) geht davon aus, dass weltweit bis 2040 ein Fünftel des Primärenergieverbrauchs sowie ein Drittel der Elektrizität durch erneuerbare Energien gedeckt werden.
Laut IPCC könnten unter optimistischen Annahmen bis 2050 sogar 77 % des weltweiten Energieverbrauches aus erneuerbaren Energien stammen.
=== Sonnenenergie (Strahlungsenergie)
Die Sonne emittiert große Mengen Energie, die als Solarstrahlung (elektromagnetische Welle) die Erde erreichen.
Die von der Sonne auf die Erde abgestrahlte Leistung beträgt circa 174 PW (Petawatt).
Etwa 30 % der Strahlung wird reflektiert, sodass circa 122 PW die Erde (Erdhülle und Erdoberfläche) erreichen.
Das sind etwa 1.070 EWh (Exawattstunden) im Jahr und damit derzeit circa das 7.500 fache des Weltjahresenergiebedarfs.
Sonnenenergie lässt sich direkt oder indirekt vielfältig nutzen.
Die direkte Nutzung erfolgt mit Photovoltaikanlagen sowie als Sonnenwärme.
Daneben "liefert" die von der Atmosphäre und von der Erdoberfläche absorbierte Sonnenenergie mechanische, kinetische und potentielle Energie.
Potentielle Energie entsteht, indem durch atmosphärische Prozesse Wasser in höhere Lagen transportiert wird.
Die Sonnenenergie erzeugt zudem in der Atmosphäre durch meteorologische Prozesse Winde.
Diese Winde (= bewegte Luftmassen) enthalten kinetische Energie (Windenergie); sie erzeugen auf den Meeren Wellen (Wellenenergie).
Pflanzen absorbieren die Strahlung im Zuge der Photosynthese und fixieren sie in Biomasse, die zur Energiewandlung genutzt werden kann.
Auch die Nutzung der Umgebungswärme mittels Wärmepumpen mit oberflächennahen Erdwärmekollektoren oder von Luft-Luft-Wärmepumpen zählt zur Solarenergie.
Grundsätzlich kann die Energie der Sonne neben der direkten Nutzung auch in Form von Bioenergie, Windenergie und Wasserkraft indirekt verwertet werden.
Mögliche Nutzungsformen sind:
=== Geothermie (Erdwärme)
Die im Erdinneren gespeicherte Wärme stammt zum einen von Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung.
Zum anderen erzeugen dort nukleare Zerfallsprozesse primordialer Radionuklide und die durch Gezeitenkräfte verursachte Reibung zwischen fester Erdkruste und flüssigem Erdkern laufend weitere Wärme.
Sie kann für Heizzwecke (vor allem oberflächennahe Geothermie) oder auch zur Stromerzeugung (meist Tiefengeothermie) genutzt werden.
In Deutschland, Österreich und der Schweiz finden sich hauptsächlich Niederenthalpie-Lagerstätten.
In diesen Lagerstätten strömt die Wärme aus den tieferen Schichten aber nicht in dem Maße nach, wie sie durch eine geothermische Anlage entnommen wird, so dass sich der Bereich der Entnahmestelle abkühlt und die Entnahme nur über einen begrenzten Zeitraum von einigen Jahrzehnten möglich ist, nach der eine Regeneration des Wärmereservoirs notwendig wird.
Oberflächennahe Anlagen können allerdings im Sommer mit Wärmeenergie aus Kühlprozessen aufgefüllt werden, indem die Transportrichtung der Energie umgekehrt wird.
Geothermieprojekte erfordern eine sorgfältige Erkundung und Analyse der geologischen Gegebenheiten, da Eingriffe in den Schichtenaufbau schwerwiegende Folgen haben können.
=== Planetenbewegungen und Gravitation
Die Anziehungskraft (Schwerkraft) von Sonne und Mond (und anderen Himmelskörpern) verursacht in und auf der rotierenden Erde die Gezeiten, wobei die Drehgeschwindigkeit der Erde durch diese Energieumwandlung allmählich abgebremst wird.
Die dadurch induzierten Strömungen können als mechanische Energie in Gezeitenkraftwerken und Meeresströmungskraftwerken genutzt werden.
Diese Anziehungskräfte führen außerdem zu Deformationen des Erdkörpers und dadurch in der festen Erde und im flüssigen Erdkern zu Reibung, die dem Erdinneren weitere Wärme zuführt.
Die Reibungsleistung beträgt ca. 2,5 TW (Terawatt), das wirtschaftlich nutzbare Potenzial wird auf etwa 9 % dieser Leistung geschätzt.
Mechanische Energie entsteht in diesem Zusammenhang aber auch durch Wechselwirkung mit dem Wetter, dessen Energie indirekt durch Wasser- und Windkraftwerke genutzt wird.
== Einbindung erneuerbarer Energien in das Energiesystem
Im Stromnetz entspricht zu jedem Zeitpunkt die Erzeugung dem Verbrauch, da das Netz elektrische Energie nicht speichert.
Lokale Ungleichgewichte führen zunächst zu kleinen Abweichungen von der Nennspannung, was nicht nur ausgleichende Leistungsflüsse zwischen den Teilnetzen bewirkt, sondern eine sinkende Netzfrequenz, indem rotierende elektrische Maschinen mehr Strom liefern bzw. weniger Strom aufnehmen als dem Antriebs- bzw. Lastdrehmoment entspricht (in Kraftwerken bzw. bei Verbrauchern).
Durch aktiven Netzregelverbund und die Bereitstellung von Regelleistung bleiben die Teilnetze in Phase und die Frequenz in engen Grenzen konstant.
Im Zusammenhang mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien wird der Regelleistungsbedarf kontrovers diskutiert.
Um hohe Anteile an Strom aus erneuerbaren Energien an der Versorgung zu ermöglichen, können verschiedene Maßnahmen einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
Studien, beispielsweise der Fraunhofer IWES im Auftrag des BEE (Dezember 2009) belegen, dass so eine zuverlässige Stromversorgung möglich ist.
Zu diesen Maßnahmen zählen z. B. die Verstetigung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, der Ausbau der Stromnetze, die Schaffung intelligenter Erzeugungs- und Verbrauchsstrukturen, sowie der (Aus)bau von Stromspeichern.
Während manche Maßnahmen wie beispielsweise der Ausbau der Stromnetze bereits bei vergleichsweise niedrigen Anteilen von fluktuierenden Erzeugern sinnvoll sind, sind andere Mittel wie z. B. der Bau von Speicherkraftwerken zwecks Vermeidung von unnötigen Energieverlusten und Kosten erst bei hohen Anteilen geboten.
Notwendig ist auch ein Mix verschiedener regenerativer Energiequellen, da sich verschiedene erneuerbare Energien gegenseitig ergänzen.
Beispielsweise existiert in Deutschland für die Photovoltaik ein Potential von mehr als 1000 GW, womit sich pro Jahr rund 1000 TWh elektrischer Energie produzieren ließen; deutlich mehr als der derzeitige deutsche Strombedarf.
Da damit jedoch insbesondere in den Mittagsstunden sonniger Tage große Überschüsse produziert würden und enorme Speicherkapazitäten aufgebaut werden müssten, ist ein solch starker Ausbau nur einer Technik nicht sinnvoll und die Kombination mit anderen erneuerbaren Energien erheblich zweckmäßiger.
Über die größten Potentiale zur Stromerzeugung verfügen in Deutschland die Windenergie und die Photovoltaik, mit deutlichem Abstand folgt die Biomasse.
=== Wandel des Energiesystems
Der Wandel von der konventionellen Energiebereitstellung zu erneuerbaren Energien verändert die Struktur der Energiewirtschaft massiv.
Die Stromerzeugung in Großkraftwerken (Kernkraft-, Braunkohle- und Steinkohlekraftwerke) stagniert oder nimmt ab; die Erzeugung in Anlagen mit wenigen Kilowatt (beispielsweise Photovoltaik) bis wenige Megawatt hat zugenommen.
Zudem bildete sich binnen kurzer Zeit (seit ca. 2012) eine in der öffentlichen Debatte sehr einflussreiche Divestment-Bewegung, die den Umstieg auf klimaneutrale Energiequellen durch den Verkauf von Beteiligungen an Fossilenergiekonzernen und damit durch einen fundamentalen Bruch des konventionellen Energiesystems zu erreichen versucht.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der dezentralen Energieversorgung ist die Verkürzung der Transportwege bzw. der Vermeidung von Transporten (von Brennstoffen wie Heizöl, Erdgas, Kohle).
Auch verschiedene Infrastrukturen wie Öl- und Gaspipelines sind nicht bzw. in geringerem Umfang notwendig.
Dies gilt insbesondere bei der Nutzung von Biomasse die jeweils vor Ort bzw. lokal bereitgestellt werden kann.
Zudem erleichtern Kleinkraftwerke die sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), bei der die Erzeugung von Strom mit der Nutzung von Abwärme, beispielsweise für Heizzwecke, kombiniert wird und so der Gesamtwirkungsgrad erhöht wird.
Bei Großkraftwerken dagegen wird die Abwärme häufig nicht genutzt.
Die dezentrale Energieversorgung stärkt zudem die regionale Wirtschaft durch Schaffung von Arbeitsplätzen in Installation, Betrieb und Wartung der Anlagen.
Als großer Vorteil der dezentralen Energiewende gilt ihre schnellere Umsetzbarkeit.
Dadurch, dass die Anlagen kleiner sind und damit auch keine großen Investitionen benötigen, sei ihren Befürwortern zufolge ein schnellerer Ausbau der erneuerbaren Energien als mit einer auf Großstrukturen basierenden Energiewende möglich.
Zugleich käme es durch viele unterschiedliche Akteure zu mehr Wettbewerb am Energiemarkt.
Da Großprojekte hingegen vor allem durch kapitalkräftige Unternehmen wie den etablierten Energiekonzernen gebaut werden müssten, die aufgrund der Konkurrenzsituation zu bestehenden Kraftwerken kein Interesse an einem schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien hätten, sei von dieser Seite kein schneller Umbau der Energieversorgung zu erwarten.
Allerdings hat nicht jede Region die Potentiale für eine Selbstversorgung mit Energie.
Zum anderen überwiegt in manchen Regionen die Produktion, beispielsweise von Strom mit Windkraftanlagen in Norddeutschland, zeitweise oder häufig den lokalen Bedarf, so dass die Stromnetze zu den Verbrauchern ausgebaut werden müssen.
Kritik finden vor allem Konzepte für eine vollständig autarke Energieversorgung.
Betont wird hierbei insbesondere die Versorgungssicherheit durch weitgespannte Netzwerke, durch die sich Überangebot und Mangel in verschiedenen Regionen ausgleichen können.
Zum Beispiel würde im Sommer ein Überschuss von Solarstrom aus den Mittelmeerländern geliefert, während im Winter Windstrom aus Nord- und Westeuropa genutzt werden könnte.
Auch viele Befürworter einer dezentralen Energieversorgung wie beispielsweise Canzler und Knie gehen davon aus, dass Eigenverbrauch und dezentrale Lösungen in Zukunft zwar eine wichtige Rolle spielen werden, Autarkie jedoch nur in den seltensten Fällen erreicht werde.
Der Umbau der Energieversorgung auf Nachhaltigkeit bedeutet jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich dezentrale Versorgung.
Einige Konzepte, wie beispielsweise Offshore-Windparks und Solarfarmkraftwerke, setzen auch bei erneuerbaren Energien auf zentrale Gewinnung und großräumige Verteilung.
Ein Beispiel für ein solches Großprojekt war das 2009 bis 2014 geplante DESERTEC-Projekt.
Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ergaben, dass mit weniger als 0,3 % der verfügbaren Wüstengebiete in Nord-Afrika und im Nahen Osten durch Solarthermische Kraftwerke genügend Strom und Trinkwasser für den steigenden Bedarf dieser Länder sowie für Europa erzeugt werden kann.
Alleine in den Mittelmeeranrainerstaaten könnten auf 500.000 km^2, was 6 % der Fläche dieser Staaten entspricht, das Vierfache der Weltstromerzeugung Ende der 1990er Jahre produziert werden.
Eine Nutzung der Passatwinde im Süden Marokkos soll die solare Stromerzeugung ergänzen.
Der Plan, nach dem Afrikas Wüsten einen beträchtlichen Beitrag zur Stromversorgung Europas liefern sollten, wird von Desertec nur noch in kleinerem Rahmen verfolgt.
Es sind derzeit noch weitere Projekte in Planung, die einen Beitrag zum Klimaschutz leisten können.
Beispiele hierfür sind Gobitec, wo Solar- und Windstrom aus der Mongolei in die dicht besiedelten und industriell hoch entwickelten Räume Ostchinas, Koreas und Japans geliefert werden soll, sowie der Vorschlag der Australian National University in Canberra, Südostasien mit nordaustralischem Solarstrom zu versorgen.
Es werden ebenfalls Konzepte zur Errichtung eines globalen Stromnetzes (Global Grid) evaluiert, mit dem das Ziel verfolgt wird, die fluktuierende Erzeugung von erneuerbaren Energien sowie die unterschiedliche Stromnachfrage zu glätten und somit den notwendigen Speicherbedarf zu minimieren.
Bei einer Stromübertragung mittels HGÜ-Technik und einer Spannung von 800 kV treten bei Transportentfernungen von 5.000 km Verluste von weniger als 14 % auf.
Die Investitionskosten für die Stromleitungen selbst werden mit 0,5 bis 1 ct/kWh prognostiziert.
Heute wird davon ausgegangen, dass die zukünftige Energieversorgung vermutlich aus einer Mischung von dezentralen und zentralen Konzepten bestehen wird.
Es gilt als gesichert, dass der Umbau der Energieversorgung weder ausschließlich durch lokale Kleinsysteme noch durch Großstrukturen erfolgen kann, sondern ein Mix aus beiden Varianten erforderlich ist.
=== Sektorenkopplung
Die Verknüpfung der verschiedenen Bereiche der Energieversorgung (Strom, Wärme und Verkehr) eröffnen weitere Gestaltungsmöglichkeiten der Energiegewinnung und -versorgung.
Dafür ist statt dem Abbremsen des Ausbaus der Erneuerbaren Energien ein beschleunigter Ausbau erforderlich, um zusätzliche Strommengen auch für den Verkehrs- und Wärmebereich bereitstellen zu können, obwohl Sektorenkopplung nicht mit einer 100 % Elektrifizierung gleichzusetzen ist.
Beispielsweise können Wärmespeicher und ein zeitlich intelligenter Verbrauch erneuerbarer Wärmeenergien (Solarthermie, Geothermie, Bioenergien) zur zeitlichen Anpassung des Strombedarf an die fluktuierende Erzeugung beitragen.
In 2017 wurden vom Endenergieverbrauch 10,1 % im Wärmesektor, 3,3 % im Verkehrssektor und 26,4 % im Stromsektor von erneuerbaren Energien gedeckt.
Erneuerbarer Strom hatte einen Anteil von 1,9 % im Wärmesektor und 0,3 % des Endenergieverbrauches im Verkehrssektor.
Für die Sektoren Strom- und Wärmeversorgung hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE im Jahr 2012 in einem Szenario für etwa das Jahr 2050 berechnet, dass die Gesamtkosten für den Bau, den Erhalt und die Finanzierung einer auf 100 % erneuerbaren Energien basierende Strom- und Wärmeversorgung in Deutschlands nicht höher sind, als die Kosten der heutigen Versorgung.
=== Energiespeicherung
Je größer der Anteil der erneuerbaren Energien wird, desto größer wird die Bedeutung von Speichermöglichkeiten, um die Schwankungen der Energieerzeugung an die Schwankungen des Energieverbrauchs anzugleichen und somit Versorgungssicherheit herzustellen.
In der Fachliteratur wird davon ausgegangen, dass ab einem Erneuerbare-Energien-Anteil von ca. 40 % in größerem Maße zusätzliche Speicher benötigt werden, vereinzelt wird auch die Zahl 70 % genannt.
Langfristspeicher wie z. B. die Power-to-Gas-Technik werden erst ab einem Anteil von 70-80 % benötigt.
Unterhalb von 40 % erneuerbaren Energien stellt eine Ausregelung durch Wärmekraftwerke sowie eine geringfügige Abregelung von Erzeugungsspitzen der erneuerbaren Energien eine effizientere Möglichkeit zum Ausgleich dar.
Daher werden zusätzliche kommerzielle Speicher in Deutschland frühestens ab dem Jahr 2020 für notwendig gehalten.
In seinem Sondergutachten 100 % erneuerbare Stromversorgung bis 2050: klimaverträglich, sicher, bezahlbar von Mai 2010 bekräftigt der von der Bundesregierung eingesetzte Sachverständigenrat für Umweltfragen, dass die Kapazitäten in Pumpspeicherkraftwerken v. a. in Norwegen und Schweden bei Weitem ausreichen, um schwankende Energiebereitstellung - insbesondere von Windkraftanlagen - auszugleichen.
Dabei sei allerdings zu beachten, dass dies den Bau von Höchststromtrassen (umgangssprachlich als Stromautobahnen bezeichnet) in viel größerem Ausmaß voraussetze, als dies im Moment im Rahmen des Netzentwicklungsplanes vorgesehen ist.
Die Entwicklung von wirtschaftlichen Speicherkraftwerken befindet sich zum Teil noch im Frühstadium.
Zu den Speichermöglichkeiten gehören:
=== Verstetigung der Stromerzeugung
Die Nachfrage nach Strom, der sogenannte Lastgang, schwankt im tageszeitlichen Verlauf stark.
Da elektrische Energie nur aufwendig und mit Verlusten speicherbar ist, wird sie durch das Kraftwerksmanagement entsprechend der Nachfrage bereitgestellt.
In Deutschland wird die Grundlast bisher vor allem von Braunkohle- und Kernkraftwerken bereitgestellt, während die Mittellast von Steinkohlekraftwerken abgedeckt wird.
Die Spitzenlast lieferten in der Vergangenheit vor allem Gas- und Pumpspeicherkraftwerke, wobei mittlerweile durch die verstärkte Einspeisung von erneuerbaren Energien insbesondere der Anteil der Gaskraftwerke zurückgegangen ist.
Mit zunehmenden Anteilen an Strom aus erneuerbaren Energien ist ein verändertes Kraftwerksmanagement notwendig.
Zwar sind Geothermiekraftwerke, Wasserkraftwerke und Biomassekraftwerke grundlastfähig und wie konventionelle Kraftwerke regelbar, die Stromerzeugung aus Sonnenenergie und Wind unterliegt dagegen starken Schwankungen, die durch Einsatz von regelbaren Kraftwerken oder Speichern ausgeglichen werden müssen.
Teilweise korrelieren diese Schwankungen aber mit dem Tages- bzw. Jahres-Lastgang.
So wird Strom aus Sonnenenergie zu den Hauptbedarfszeiten bereitgestellt.
Strom aus Windenergie fällt verstärkt im Winterhalbjahr an und kann die zu der Zeit verringerten Ausbeuten von Solaranlagen ausgleichen, wodurch die Kombination dieser beiden Quelle bei Betrachtung des jahreszeitlichen Verlaufes zu einer Verstetigung der Produktion führt.
Bei der Betrachtung kürzerer Zeitabschnitte kommen jedoch große Schwankungen vor, die ausgeglichen werden müssen.
Bei Biogasanlagen kann die Energieumwandlung mehrere Stunden ohne größere Verluste aufgeschoben werden, auch viele Laufwasserkraftwerke können mittels Schwallbetrieb ihre Produktion um einige Stunden zurückfahren und somit vorwiegend zu nachfragestarken Stunden, bzw. während Zeiten niedriger Produktion aus Wind- und Solarenergie Strom liefern.
Photovoltaik- und Windenergieanlagen können gedrosselt bzw. komplett abgeschaltet und innerhalb von etwa 30 s (Selbsttest und Anfahren eines Photovoltaik-Wechselrichters) bis wenige Minuten (größere Windenergieanlagen) wieder in Betrieb genommen werden.
Dies ist sogar ein Vorteil gegenüber großen Dampfkraftwerken und Kernkraftwerken, die beim Hochfahren mehrere Stunden bis zur vollen Leistung benötigen.
Allerdings wird durch die Abschaltung von Photovoltaik- oder Windenergieanlagen, anders als bei Biogasanlagen und konventionellen Kraftwerken, kein Brennstoff gespart und somit auch keine Kosten vermieden.
Um größere Leistungen bereitzustellen, sollen auch zunehmend GuD-Kraftwerke eingesetzt werden, da diese auf schnelle Lastwechsel ausreichend reagieren können.
Zur Abfederung fluktuierender Einspeisemengen können Wasserkraftwerke und Biogaskraftwerke kurzzeitig über ihrer Durchschnittsleistung, die durch den Nachschub an Wasser und Biomasse begrenzt ist, betrieben werden.
Besondere Bedeutung kommt dabei flexibilisierten Biogasanlagen zu, die perspektivisch ein verfügbares Ausgleichspotenzial von insgesamt rund 16.000 MW anbieten können.
Innerhalb weniger Minuten könnte diese Kapazität bei Überangebot im Netz gedrosselt oder bei steigender Nachfrage hochgefahren werden.
Zum Vergleich: Die Kapazität der deutschen Braunkohlekraftwerke wird von der Bundesnetzagentur auf rund 18.000 MW beziffert.
Diese fossilen Großkraftwerke könnten wegen ihrer technisch bedingten Trägheit jedoch nur wenige Tausend Megawatt für den kurzfristigen Ausgleich von Solar- und Windstrom zur Verfügung stellen.
Durch eine Flexibilisierung des Stromsystems kann die Überproduktion auch bei stark steigenden Anteilen erneuerbarer Energien abgefedert werden.
Notwendig ist hierzu eine starke Flexibilisierung des Stromsystems und damit eine Reduzierung der so genannten "Must-Run"-Kapazitäten.
Um den Einsatz der anderen Energiearten planen zu können, ist eine möglichst genaue Kurz- und Mittelfristvorhersage der zu erwartenden Windleistung und Solarleistung wichtig.
Das Kraftwerksmanagement kann die kurzfristig und vor allem die längerfristig regelbaren Kraftwerke so besser steuern.
=== Einsatz von virtuellen Kraftwerken
Um zu testen, ob ein größeres Gebiet teilweise oder vollständig mit Strom aus erneuerbaren Energien sicher versorgt werden kann, gibt es Pilotprojekte, die die Dynamik und Einsatzmöglichkeiten von sogenannten Kombikraftwerken oder virtuellen Kraftwerken untersuchen.
Hierbei werden Anlagen aus den verschiedenen erneuerbare Energie-Bereichen (Wasser, Wind, Sonne, Biogas etc.) virtuell zu einem Kraftwerk zusammengeschlossen und simuliert, den zeitgenauen Strombedarf, zum Beispiel einer Großstadt zu decken.
Studien der TU Berlin und der BTU Cottbus zeigen, dass eine solch intelligente Vernetzung dezentraler regenerativer Kraftwerke einen erheblichen Beitrag dazu leisten kann, große Mengen fluktuierenden Stroms optimal in das Versorgungsnetz zu integrieren.
Die Studien ergaben außerdem, dass sich Strombedarf und -produktion einer Großstadt wie Berlin mit Hilfe gezielter Steuerung gut aufeinander abstimmen lassen.
Dadurch kann demnach sowohl die höhere Netzebene entlastet als auch der Bedarf an konventionellen Reservekapazitäten deutlich verringert werden.
Im Oktober 2013 kam das Forschungsprojekt "Kombikraftwerk 2" mit einem Feldtest sowie mit regional Simulationen zu dem Ergebnis, dass die Netzstabilität in einer vollständig erneuerbaren eine sichere Stromversorgung gewährleistet werden kann.
=== Intelligenter Stromverbrauch
Eine wichtige Rolle beim Umbau der Elektrizitätsversorgung spielt der Aufbau intelligenter Stromnetze, sogenannter Smart Grids.
Mit der heutigen Informationstechnik ist es möglich, zeitlich flexible Stromverbraucher wie zum Beispiel Zementmühlen, Kühl- und Heizsysteme, sog. "Lastabwurfkunden", mittels Demand Side Management vorübergehend herunter- oder abzuschalten.
Eine Regulierung über einen zeitnahen Strompreis wird angedacht, ähnlich dem sogenannten Niedertarifstrom (Nachtstrom).
Der Preis würde bei Stromüberangebot gesenkt, bei Strommangel dagegen angehoben.
Intelligente Stromverbraucher (zum Beispiel entsprechend ausgerüstete Waschmaschinen, Spülmaschinen usw.) schalten bei geringem Strompreis ein und bei hohem Strompreis aus.
In der Industrie könnten kurzzeitige Erzeugungsspitzen zwischengespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden.
Schwankungen in der erneuerbaren Stromerzeugung können dadurch im Wärmesektor oder in Industrieanlagen eingesetzt und dadurch geglättet werden anstatt sie zu exportieren.
Durch eine solche Synchronisierung des Verbrauchs, angeregt durch eine Dynamisierung ausgewählter Strompreiselemente, kann der Bedarf an residualer Spitzenlast sowie an gesicherter Leistung deutlich reduziert werden.
Im Privathaushalt können auch Wärmepumpen zur intelligenten Verknüpfung von Strom- und Wärmemarkt dienen In Frage kommen sowohl Anlagen mit zusätzlichem Wärmespeicher als auch ohne einen solchen.
=== Ausbau der Stromnetze
Mit dem Ausbau von Windparks abseits der bisherigen Erzeugungszentren verschiebt sich die Struktur der Netzeinspeisung.
Dies erfordert sowohl die Modernisierung als auch einen Ausbau der Stromnetze.
Im Speziellen trifft dies auf die Errichtung von Offshore-Windparks zu, durch die ein Ausbau der Höchstspannungstrassen notwendig wird.
Durch die Verknüpfung von Regionen mit hohen Kapazitäten an Stromerzeugung aus Wind mit Regionen mit vielen Wasser- bzw. Pumpspeicherkraftwerken können zudem Leistungsspitzen gespeichert und die Erzeugung verstetigt werden.
Bei einer intelligenten Verschaltung mehrerer regenerativer Energiequellen durch Virtuelle Kraftwerke sowie die Implementierung von Smart Grids lässt sich der Bedarf an zusätzlichen Höchstspannungsübertragungsleitungen reduzieren.
Strom kann auch in abgelegenen Regionen erzeugt und über lange Strecken in die Verbrauchszentren transportiert werden, beispielsweise mit Offshore-Windkraftanlagen.
Die Übertragung erfolgt dabei nicht, wie üblich, als Wechselstrom, sondern verlustärmer per Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).
Bei einer Betriebsspannung von 800 kV treten mit solchen Leitungen bei Transportentfernungen von 5.000 km Verluste von weniger als 14 % auf.
Eine große Rolle spielen HGÜ-Systeme in China, wo auch mit der HGÜ-Trasse Hami-Zhengzhou die Leitung mit der bisher größten Übertragungskapazität (8.000 MW, entspricht der Leistung von ca. 8-10 großen Kohlekraftwerksblöcken) realisiert wurde.
== Ökologische Bewertung
Die unterschiedlichen Techniken zur Nutzung jeder Form von Energie, also auch erneuerbarer Energien, haben grundsätzlich immer Auswirkungen auf die Biosphäre, also auch auf Menschen und das ihr Leben ermöglichende Ökosystem.
Neben direkten Emissionen, der Klimabilanz und dem Ressourcenverbrauch müssen für eine ganzheitliche Betrachtungsweise auch Aufbau und Abbau der Anlagen (Warenlebenszyklus), Herstellung, Betrieb, Entsorgung etc. betrachtet werden.
Diese Auswirkungen müssen verstanden, quantitativ dargestellt und mit den Alternativen verglichen werden.
Erst dann werden Nutzen und Schaden in der Energie- und Entropiebilanz, für die Artenvielfalt und soziale Folgen deutlich.
Naturschutzverbände setzen sich für den stärkeren Ausbau erneuerbarer Energien ein.
Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass erneuerbare Energien verglichen mit konventionellen Energienutzungsformen eine bessere Umweltbilanz aufweisen.
Diese äußert sich nicht zuletzt in den deutlich geringeren externen Kosten von erneuerbaren Energien, die im Energiesektor vor allem durch Umwelt-, Gesundheits- und Klimafolgeschäden verursacht werden (s. u.).
Erneuerbare Energien werden daher oft auch als saubere Energie bezeichnet.
Bei den nicht-erneuerbaren Energien ist hingegen insbesondere die Verbrennung fossiler Energieträger durch die dabei entstehenden Verbrennungsrückstände und Treibhausgase lokal wie auch global hochgradig umweltbelastend.
Durch Umstellung der Energieversorgung auf ein regeneratives Energiesystem lässt sich somit die durch den Energiesektor verursachte Umweltbelastung reduzieren.
=== Solarenergie
==== Photovoltaik
Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikanlagen beträgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie von Peng et al. global betrachtet zwischen 0,75 und 3,5 Jahren, je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktechnik.
Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca. 1,5 bis 2,5 Jahren.
Dies bedeutet, in diesem Zeitraum hat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereingespielt, die insgesamt während ihres gesamten Lebenszyklus verbraucht wurde.
Berücksichtigt sind also die Herstellung der Anlagen, ihr Transport, die Errichtung, Betrieb und der Rückbau bzw. Recycling.
Die rechnerischen CO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen betragen je nach Technik und Standort zwischen 10,5 und 50 g CO2/kWh, mit Durchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2/kWh.
Als Lebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre für Module auf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren für Dünnschichtmodule angenommen, für Lebensdauer der Wechselrichter wurden 15 Jahre angenommen.
Nicht berücksichtigt sind der in gesamtsystemischer Sicht evtl. nötige Betrieb von Energiespeichern oder Backupkraftwerken.
Es werden etwa fünf Kilogramm Silizium pro Kilowatt installierter Leistung (mono- und polykristalline Zellen) benötigt.
Hinzu kommen wie bei allen elektronischen Bauteilen zum Teil giftige Schwermetalle.
Diese Stoffe verbleiben bei Silizium- und CIGS-Techniken jedoch weitgehend in der Fabrik.
Hier enthält das fertige Solarmodul selbst keine giftigen oder gefährlichen Stoffe und stellt einen recycelbaren Wertstoff dar.
Module auf Cadmium-Tellurid-Basis enthalten giftige Schwermetalle, sind jedoch auch recycelbar.
==== Sonnenkollektoren
Bei solarthermischen Sonnenkollektoren werden Metalle wie Kupfer und Aluminium verwendet.
Die energetische Amortisationszeit eines Solarthermiesystems beträgt 12 bis 24 Monate, d. h., in dieser Zeit haben die Kollektoren die gleiche Menge an Energie der Heizung zugeführt, die für die Produktion usw. der Anlage aufgewendet werden musste.
Die Lebensdauer der Kollektoren liegt bei mindestens 30 Jahren.
=== Wasserkraft
Die Errichtung von Talsperren und Staumauern ist ein massiver Eingriff in die Umwelt.
Das aufgestaute Wasser überflutet Landflächen, die vorher anderweitig genutzt werden konnten.
Wenn dort Menschen lebten, müssen sie wegziehen.
Bei vielen Stauseeprojekten kam es zu Veränderungen im Ökosystem, da in die saisonalen Wasserstandschwankungen der Flüsse und den Schwemmstofftransport der Flüsse eingegriffen wurde.
Als besonders bekanntes Beispiel gilt der Nassersee (Nil / Ägypten).
In Regionen mit Wassermangel kommt es zu Nutzungskonflikten zwischen Oberliegern und Unterliegern.
So staut zum Beispiel Tadschikistan den Syrdarja (und Nebenflüsse) im Sommer auf, um im Winter Strom zu erzeugen.
Das flussabwärts gelegene Kasachstan benötigt das Wasser aber im Sommer für seine Landwirtschaft.
Ein weiteres Beispiel ist das Südostanatolien-Projekt (22 Staudämme, 19 Wasserkraftwerke und Bewässerungsanlagen entlang der beiden Flüsse Euphrat und Tigris), siehe Südostanatolien-Projekt#Probleme mit den Anrainerstaaten.
Auch Laufwasserkraftwerke greifen in "ihren" Fluss ein.
Allerdings werden die meisten europäischen Flüsse ohnehin für Binnenschifffahrt und für andere Zwecke aufgestaut (Vermeidung von Hochwasser und Niedrigwasser, Sicherstellung genügender Kühlwassermengen für große Kraftwerke, z. B. Kernkraftwerke und fossile Kraftwerke etc.).
=== Windenergie
Windparks werden vom Landschaftsschutz und Naturschutz kritisch gesehen.
An bestimmten Standorten besteht unter Umständen eine Gefahr für Vögel oder Fledermäuse (Vogel- und Fledermausschlag).
Laut NABU sterben in Deutschland jährlich etwa eintausend Vögel durch Kollision mit einer Windkraftanlage, was ca. 0,5 Vögeln pro Anlage und Jahr entspricht.
Dem gegenüber stehen etwa fünf bis zehn Millionen getöteter Vögel durch Straßenverkehr und Stromleitungen.
Belastbare Datenreihen für gefährdete Vogelarten wie den Rotmilan und den Weißstorch zeigen stabile Bestände seit den 1990er Jahren, trotz erheblichem Windkraftzubau.
Lärm- und Infraschallentwicklung können prinzipiell belastend sein; in den gesetzlich vorgegebenen größeren Entfernungen gehen die Schallemissionen jedoch normalerweise im Hintergrundrauschen unter, das im Wesentlichen von Verkehr und Industrie sowie dem lokalen Wind geprägt wird.
Der "Disco-Effekt" durch Reflexion der Sonne an den Windkraftanlagen wird inzwischen durch Auftragung matter Farben auf den Windflügeln vollständig vermieden, jedoch kann auch der Schattenschlag der Rotorblätter negativ wahrgenommen werden.
Zur Minimierung des Schattenschlages werden zeit- und sonnengesteuerte Abschaltsysteme eingesetzt, die den Schattenschlag auf die per Immissionsschutzgesetz maximal zulässige Schattenwurfdauer von theoretisch 30 Stunden pro Jahr (entsprechend etwa 8 Stunden real) und 30 Minuten pro Tag begrenzen.
Bei bestimmten Typen von Windkraftanlagen wird Neodym als Baumaterial für den Generator eingesetzt.
Der Abbau dieses seltenen Metalles geschieht überwiegend in China und erfolgt dort mit Methoden, die sowohl die Umwelt als auch die Arbeiter schädigen.
Die deutschen Windkraftanlagenhersteller REpower Systems und Enercon betonen, kein Neodym in ihren Windkraftanlagen zu verbauen.
=== Bioenergie
Bioenergie umfasst die Nutzung von festen, flüssigen und gasförmigen biogenen Energieträgern, vor allem von Holz, landwirtschaftlichen Produkten (Energiepflanzen) und organischen Abfällen.
Die Verbrennung von Biomasse kann mit Gefahren für die menschliche Gesundheit einhergehen, wenn sie an offenen Feuerstellen oder in Öfen ohne Filtersysteme erfolgt, da Luftschadstoffe wie Stickoxide, Schwefeldioxid und Feinstaub entstehen.
In Deutschland ist die Nutzung in Öfen, Kaminen und anderen Anlagen in der Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen (1. BImSchV) geregelt und schreibt Grenzwerte und verschiedene Maßnahmen, wie beispielsweise Filtersystem, vor.
(siehe auch Artikel Holzheizung)
Die verfügbare Fläche für den Anbau der Biomasse ist begrenzt.
Gleichzeitig ist die Flächeneffizienz von Biomasse äußerst niedrig (weniger als ein Zehntel von Photovoltaik).
Das führt zu einem Spannungsverhältnis zum Nahrungsmittelanbau und zum Natur- und Landschaftsschutz (beispielsweise Schutz der Biodiversität).
Während beispielsweise die Nutzung landwirtschaftlicher Rest- und Abfallstoffe zumeist als unproblematisch gilt, ist der intensive Anbau von Nahrungspflanzen oder die Reservierung von Anbauflächen für geeignete Pflanzen (beispielsweise Mais und Zuckerrohr) zur Herstellung von Treibstoffen in die Kritik geraten.
Insbesondere Palmöl steht in der Kritik, da häufig artenreiche und als Kohlenstoffspeicher fungierende tropische Regenwälder für Ölpalmenplantagen gerodet werden und dabei der gespeicherte Kohlenstoff beim Brandroden wieder als CO2 freigesetzt wird.
(siehe Artikel Flächen- bzw. Nutzungskonkurrenz und Nahrungsmittelkonkurrenz)
Diskutiert wird auch der Nutzen von Biokraftstoffen.
Für die Erzeugung beispielsweise von Rapsöl werden große Mengen an synthetischen Düngemitteln (Mineraldünger) und Pestiziden eingesetzt, die Mensch und Umwelt belasten.
Strittig ist bisher auch, wie groß der Beitrag zum Klimaschutz ist, da beispielsweise durch Stickstoffdüngung verursachte Emissionen des sehr starken Treibhausgases Lachgas (rund 300-fach stärkeres Treibhausgas als CO2) schwer zu quantifizieren sind.
Die Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina bescheinigt Biokraftstoffen aus Ackerpflanzen keinen Vorteil bei CO2-Emissionen gegenüber fossilem Kraftstoff.
Mit gesetzlichen Vorgaben (EU-Richtlinie 2009/28/EG (Erneuerbare-Energien-Richtlinie) und deren Umsetzung in deutsches Recht mit der Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung) soll die nachhaltigere Erzeugung von Biokraftstoffen sichergestellt werden.
Von noch in der Entwicklung befindlichen Biokraftstoffen der zweiten Generation, wie Cellulose-Ethanol und BtL-Kraftstoffe erhofft man sich bessere ökologische Bilanzen, da diese Ganzpflanzen und Reststoffe nutzen und so höhere Erträge pro Fläche liefern können als die derzeit dominierenden Ölpflanzen.
Jedoch ist der Herstellungsprozess deutlich aufwendiger als bei den Biokraftstoffen der ersten Generation.
Biomasse eignet sich auch zur Herstellung von Wasserstoff in einer Wasserstoffwirtschaft.
=== Geothermie
Auch bei der Geothermie können negative Umwelteinwirkungen eintreten.
Bei der Stimulation von untertägigen Wärmeübertragern können seismische Ereignisse auftreten, die jedoch meist unterhalb der Fühlbarkeitsgrenze liegen (Dezember 2006, Basel, Magnitude 3,4).
Bisher wurden weltweit weder Personenschäden noch strukturelle Gebäudeschäden verursacht.
In Basel wurden jedoch Bagatellschäden mit einer Gesamtsumme von 3 und 5 Millionen Franken (ca. 1,8 bis 3,1 Millionen Euro) auf dem Kulanzwege durch Versicherungen entschädigt.
Das Projekt wurde eingestellt.
Der verantwortliche Ingenieur wurde zunächst zwar angeklagt, dann aber freigesprochen.
Unter bestimmten geologischen Bedingungen, die Anhydrit-haltige Gesteinsschichten beinhalten, und vermutlich unsachgemäßer Ausführung der Bohrarbeiten bei oberflächennahen Geothermieprojekten können auch erhebliche kleinräumige Hebungen der Erdoberfläche auftreten, wie im Jahr 2007 in Staufen geschehen.
== Gründe für den Umstieg auf erneuerbare Energien
=== Klimaschutz
Bei der energetischen Nutzung fossiler Energieträger werden große Mengen Kohlenstoffdioxid (CO2) ausgestoßen.
Der menschengemachte Treibhauseffekt ist maßgeblich durch die Zunahme des Verbrauchs fossiler Energieträger verursacht.
Da erneuerbare Energien in der Regel deutlich geringere Mengen an Treibhausgasen emittieren, treiben viele Staaten weltweit den Ausbau der erneuerbaren Energien mit ehrgeizigen Zielen voran.
Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien und dem damit eingesparten fossilen Brennstoff soll somit der durch die menschliche Wirtschaftsweise verursachte Kohlendioxidausstoß verringert werden.
Die Freisetzung von Treibhausgasen erfolgt dabei hauptsächlich bei der Herstellung sowie in geringerem Ausmaß beim Transport der Anlagen, da beim heutigen Energiemix hierfür noch überwiegend auf Energie aus fossilen Energieträgern zurückgegriffen wird, der Betrieb selbst ist emissionsfrei.
Diese Emissionen werden jedoch in der Lebenszeit mehrfach amortisiert, so dass netto eine deutliche Einsparung an Klimagasen zu bilanzieren ist.
Im Jahr 2019 haben die erneuerbaren Energien in Deutschland 203 Mio. Tonnen CO2 eingespart, so dass sich die freigesetzte Menge an CO2-Äquivalenten auf 805 Millionen Tonnen reduzierte.
Ein spezieller Fall ist Bioenergie, bei deren Nutzung in Biomasseheizkraftwerken, Biogasanlagen oder als Biokraftstoff in Verbrennungsmotoren CO2 freigesetzt wird.
Dieses wurde jedoch zuvor beim Wachstum der verwendeten Pflanzen im Zuge der Photosynthese gebunden, weshalb die Bioenergie prinzipiell klimaneutral ist.
Netto beschränkt sich die tatsächliche CO2-Emission also auf den Aufwand an fossiler Energie für land- und forstwirtschaftliche Maschinen (Dieselkraftstoff), Mineraldüngerherstellung und anderes.
Zu beachten sind allerdings auch die Emissionen der starken Klimagase Lachgas und Methan, die bei bestimmten Anbau- und Nutzungsarten von Biomasse freigesetzt werden können und die Gesamtbilanz der Bioenergien in diesem Fall verschlechtern.
Ob die erhofften ökologischen Vorteile im Einzelfall zutreffen, kann durch eine Ökobilanz festgestellt werden.
So müssen beispielsweise bei der Bioenergie auch negative Auswirkungen wie Landverbrauch, Abbrennen von Urwald für Anbauflächen von Sojabohnen oder Ölpalmen (und speziell damit verbundene Reduzierung der Artenvielfalt), energieintensive Produktion von künstlichen Düngemitteln, Einsatz von Herbiziden und Pestiziden, sowie der verstärke Anbau von Monokulturen wie beispielsweise Mais, den positiven Effekten gegenübergestellt werden.
=== Endlichkeit fossiler und nuklearer Brennstoffe
Die Vorkommen fossiler Energieträger sind endlich.
Einen ersten Vorgeschmack auf diese Begrenztheit lieferte die Ölkrise (Ölpreisschock) 1973, wodurch Pioniere für alternative Energiequellen wie Amory Lovins überraschende Aufmerksamkeit bekamen.
Weil das fossile Energiesystem auf dem Verbrauch begrenzter Bestände von Energierohstoffen basiert, kann es somit nicht von Dauer sein, da die Energierohstoffe nach einer gewissen Zeitspanne verbraucht sein werden.
Die Reichweite der fossilen Energieträger wurde im Jahr 2009 auf 41 Jahre bei Erdöl, 62 Jahre bei Erdgas und 124 Jahre bei Steinkohle geschätzt.
Die US Energy Information Administration ging 2018 davon aus, dass die konventionelle Öl-Produktion bereits 2005 das "Plateau" des globalen Ölfördermaximums (Peak Oil) erreicht hat und dieses noch bis heute (2019) andauert.
Das Fördermaximum für unkonventionelle Ölförderung, wie etwa durch Hydraulic Fracturing, wird dagegen Schätzungen zufolge zwischen 2050 und 2100 erreicht.
Gemäß Förderanalyse der ökologisch ausgerichteten Energy Watch Group ist es wahrscheinlich, dass um das Jahr 2030 die weltweite Erdölförderung um etwa 40 Prozent gegenüber 2012 zurückgehen wird.
Die europäische Gasförderung befindet sich seit dem Jahr 2000 im Förderrückgang.
Nach dem Fördermaximum wird mit sinkenden Fördermengen bei gleichzeitig steigendem Weltenergiebedarf gerechnet.
Dies schlägt sich in steigenden Preisen nieder.
Nach einem Bericht der Landesregierung Schleswig-Holstein zur Energiepreisentwicklung sind beispielsweise von 1998 bis 2012 die Heizölpreise um ca. 290 % und die Erdgaspreise um 110 % gestiegen.
Die Strompreise erhöhten sich im selben Zeitraum um 50 %.
Auch Uran und andere Kernbrennstoffe sind begrenzt, weshalb die Kernenergie aufgrund der begrenzten Ressourcen keine Alternative zu den fossilen Energieträgern darstellt.
Man geht davon aus, dass die Uranreserven bei gleichbleibendem Verbrauch heutiger Kernkraftwerke noch bis ca. 2070 ausreichen.
Aufgrund dieser Begrenztheit der fossilen und nuklearen Ressourcen sind mittelfristig Alternativen notwendig.
Durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen werden diese Ressourcen geschont.
Ein frühzeitiger Ausbau der erneuerbaren Energien verlängert die Übergangsphase und könnte so eine wirtschaftliche Abwärtsspirale und Verteilungskonflikte vermeiden.
Da die chemische Industrie stark vom Rohstoff Erdöl abhängt, sichert die Ressourcenschonung langfristig die Rohstoffzufuhr.
Aus umwelthistorischer Sicht betrachtet stellt die mit der Industriellen Revolution begonnene industrielle Epoche ein instabiles System dar, das im physisch-energetischen Sinn nicht nachhaltig ist.
Phasen mit exponentiellem (materiellem) Wachstum, wie sie seit Beginn der Industrialisierung auftreten, sind grundsätzlich nur temporär möglich, da die Welt physische Grenzen besitzt; ein permanentes Wachstum ist deshalb physikalisch unmöglich.
Das fossilenergetische Wirtschaftssystem befindet sich deshalb aktuell in einer "Pioniersituation" des relativen Energieüberflusses, die nach Ablauf dieser Ausnahmesituation wiederum von der Energieknappheit abgelöst wird.
Auf diese aus historischer Sicht kurze Ausnahmesituation weist auch der englische Wirtschaftshistoriker Edward Anthony Wrigley hin, der in der fortgesetzten Abhängigkeit von fossilen Energieträgern vor dem Hintergrund der Endlichkeit der fossilen Energieträgern sowie der durch ihre Verbrennung mitausgelösten globalen Erwärmung einen "Weg in die Katastrophe" sieht.
=== Ökonomische Bewertung
==== Importabhängigkeit
Der Ausbau der erneuerbaren Energien wird überdies mit einer reduzierten Importabhängigkeit und damit einer erhöhten Versorgungssicherheit begründet, mit denen auch eine Erhöhung der inländischen Wertschöpfung einhergeht.
Auch politische Abhängigkeiten von einzelnen Staaten (z. B. Russland), instabilen Regionen (z. B. dem Mittleren Osten) oder einzelnen Konzernen bzw. Kartellen mit großer Machtfülle (Gazprom, OPEC), sollen durch höhere Energieautonomie mittels erneuerbarer Energien und der damit einhergehenden Diversifizierung der Ressourcenbasis verringert werden.
Gemäß World Trade Organisation (WTO) bezifferte sich im Jahr 2014 der Import von Brennstoffen auf weltweit 3.150 Milliarden US-Dollar.
Dies schlägt sich insbesondere in den Handelsbilanzen von Schwellen- und Entwicklungsländern nieder.
So verwendete Indien 2014 circa ein Viertel seiner Importausgaben für fossile Brennstoffe.
Bei Pakistan belief sich der Anteil auf 30 Prozent, bei China auf 14 Prozent, bei Deutschland auf 9 Prozent.
==== Wirtschaftswachstum und Wertschöpfung
Eine Studie der Vereinten Nationen unter Leitung von Caio Koch-Weser, ehem. Vizepräsident der Weltbank gelangte 2014 zu dem Ergebnis, dass der schnelle Ausbau der erneuerbaren Energien und andere Klimaschutzmaßnahmen wirtschaftlich sinnvoll sind und das Wirtschaftswachstum beleben.
Für Deutschland belegte das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung (DIW), dass der Ausbau der erneuerbaren Energien netto zu einem kräftigeren Wirtschaftswachstum und einem anziehenden Konsum führt.
Demnach werde das Bruttoinlandsprodukt im Jahr 2030 um rund 3 % über dem Niveau liegen, das ohne einen Ausbau erneuerbarer Energien erreicht würde.
Der private Konsum solle um 3,5 %, die privaten Anlageinvestitionen gar um 6,7 % über dem Niveau liegen, das sich ergeben würde, wenn kein Ausbau erneuerbarer Energien stattfände.
Diesen Berechnungen liegt jedoch die Annahme zugrunde, dass es durch den Umstieg auf erneuerbare Energien zu keiner Verschlechterung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit durch steigende Energiepreise kommt.
In einem weiteren Szenario, in dem eine beeinträchtigte internationale Wettbewerbsfähigkeit angenommen wurde, liegt das BIP im Jahr 2030 um 1,0 % über dem Nullszenario, wobei die Studie über das angenommene Ausmaß der Wettbewerbsbeeinträchtigung, unter der es zu diesem Ergebnis kommt, keine Auskunft gibt.
Das DIW hat die volkswirtschaftliche Nettobilanz mit einem Modell untersucht, das auch die gesamtwirtschaftlichen Wechselwirkungen und die internationalen Verflechtungen abbildet.
Berechnungsbasis der angenommenen Ausbauzahlen war das Leitszenario 2009 des Bundesumweltministeriums, das einen Anteil der erneuerbaren Energien am deutschen Endenergieverbrauch von 32 % im Jahr 2030 prognostiziert.
==== Arbeitsmarkt
Weltweit waren im Jahr 2015 rund 9,4 Millionen Menschen in der Branche der erneuerbaren Energien beschäftigt (ca. 1,3 Millionen mehr als 2016 und ca. 2,9 Millionen mehr als 2013).
In 2018 wurden fast 11 Millionen direkte und indirekte Arbeitsplätse den Erneuerbaren Energien zugeordnet.
Jeder dritte davon in der Photovoltaikindustrie, gefolgt von Biokraftstoffen und der Wasserkraft.
Etwa 40 % waren in China, jeweils 12 % in Europa und Brasilien, gefolgt von den USA und Indien.
Bis 2030 werden 24,4 Millionen Arbeitsplätze erwartet.
=== Demokratisierung der Energieversorgung
Der Umstieg auf erneuerbare Energien soll zudem auch die Demokratisierung der Energieversorgung fördern.
Eine Möglichkeit, die gesellschaftliche Partizipation an der Energieversorgung zu erhöhen, ist die Gründung von Bürgerenergiegenossenschaften, wie in einigen Staaten weltweit der Fall.
In den letzten Jahren wurden in einer Reihe von Staaten Bürgerenergiegenossenschaften gegründet, besonders in Kanada, den USA, im Vereinigten Königreich, Dänemark und Deutschland.
Typischerweise folgen Bürgerenergiegenossenschaften weltweit den sieben Grundsätzen, die 1995 von der International Co-operative Alliance verabschiedet wurden:
Freiwillige und offene Mitgliedschaft, demokratische Mitgliederkontrolle, ökonomische Partizipation der Mitglieder, Autonomie und Unabhängigkeit, Ausbildung, Fortbildung und Information, Kooperation mit anderen Genossenschaften und Vorsorge für die Gemeinschaft.
=== Beitrag zur Friedenssicherung
Das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie und Adelphi Consult gehen in einer Studie im Auftrag des Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) aus dem Jahr 2007 davon aus, dass die Erneuerbaren Energien die Entwicklung zum Frieden unterstützen.
Diese Auffassung vertritt auch das Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ).
== Wirtschaftlichkeit und Kosten
=== Direkte Kosten
Die Wettbewerbsfähigkeit der einzelnen Energiewandlungstechniken hängt in großem Maße von den Energiegestehungskosten ab, die sich aus den bei der Errichtung anfallenden Investitions- und Finanzierungskosten sowie den Betriebskosten inklusive Wartungs- und ggf. Brennstoffkosten ergeben.
Nicht bei der Berechnung der Stromgestehungskosten berücksichtigt werden externe Kosten (s. u.), da es sich bei der Ermittlung von Energiegestehungskosten um betriebswirtschaftliche, nicht um volkswirtschaftliche Kosten handelt.
Während die externen Kosten konventioneller Kraftwerke vergleichsweise hoch sind, zeichnen sich erneuerbare Energien durch niedrige externe Kosten aus.
Mit Ausnahme der Biomassenutzung weisen die meisten erneuerbaren Energien eher hohe Investitionskosten und niedrige Betriebskosten auf.
Wissenschaftler der Universitäten Stanford und Davis haben in einem Plan für eine emissionsfreie Welt bis 2030 errechnet, dass die weltweite Umstellung auf Wind-, Wasser- und Sonnenenergie rund 100.000 Milliarden US-Dollar kosten würde, wobei Geothermie- und Gezeitenkraftwerke unter Wasserenergie und Wellenkraftwerke unter Windenergie aufgeführt werden.
Diese Berechnung beinhaltet Kosten für Speicherkraftwerke und Maßnahmen für einen intelligenten Stromverbrauch, nicht aber die Infrastruktur zur Verteilung des Stroms.
Deutlich höher wären die Kosten für das Festhalten an den fossil-atomaren Energien, wie Berechnungen der Energy Watch Group ergaben.
Demnach wurden weltweit im Jahr 2008 zwischen 5500 und 7750 Milliarden Dollar für fossile und atomare Energien ausgegeben; bereits ein Anstieg der Energiepreise um 20 % würde die Ausgaben auf fast 10.000 Milliarden Dollar pro Jahr ansteigen lassen.
==== Stromgestehungskosten und Wettbewerbsfähigkeit
Erneuerbare Energien galten lange Zeit als deutlich teurer als konventionelle Energien.
Gerade die Photovoltaik galt lange als die teuerste Form der Stromerzeugung mittels erneuerbaren Energien; eine Sicht, die mittlerweile durch die starken Kostensenkungen der Anlagenkomponenten jedoch überholt ist.
Mit Stand 2018 sind sowohl Onshore-Windkraft als auch Photovoltaikgroßanlagen ähnlich günstig oder günstiger als Braunkohle- bzw. Steinkohlekraftwerke und GuD-Gaskraftwerke, während Photovoltaik-Kleinanlagen und Offshore-Windparks noch etwas teuerer sind.
Es wird erwartet, dass die Kosten der meisten erneuerbaren Energien mit Ausnahme von Biogas weiter sinken werden und dass fossile und atomare Energiegewinnung tendenziell immer teurer wird.
Gerade Windkraftanlagen an Land kommt daher eine wichtige Rolle zur Dämpfung des Strompreisanstiegs zu.
Die Bandbreite der Stromgestehungskosten erneuerbarer Energien ist relativ hoch:
Die günstigste Form der Stromerzeugung ist häufig die Energiewandlung aus Wasserkraft, die daher bereits seit langem etabliert ist.
Aktuelle Neubauten liegen bei Stromgestehungskosten von 2 bis 8,3 ct/kWh, wobei der untere Bereich nur von Großkraftwerken erreicht wird.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme veröffentlichte im März 2018 eine aktualisierte Studie zu den Stromgestehungskosten von regenerativen und konventionellen Kraftwerken.
Demnach belaufen sich die Stromgestehungskosten von Photovoltaik-Kleinanlagen in Deutschland auf 7,23 bis 11,54 ct/kWh und von große Dachanlagen auf 4,95 bis 8,46 ct/kWh.
Freiflächenanlagen kommen auf 3,71 bis 6,77 ct/kWh, womit sie günstiger sind als konventionelle fossile Kraftwerke.
In Regionen mit höherer Sonneneinstrahlung als in Deutschland werden auch günstigere Werte erreicht.
Damit liegen die Stromgestehungskosten von PV-Anlagen deutlich unter dem Endkundenstrompreis, der in Deutschland Stand 2017 durchschnittlich 29,23 ct/kWh betrug, womit die Netzparität erreicht ist.
Die Wettbewerbsfähigkeit von Onshore-Windkraftanlagen verglichen mit konventionellen Kraftwerken ist laut Gutachten an guten Standorten bereits erreicht.
So liegen die Stromgestehungskosten an Land zwischen 3,99 ct/kWh und 8,23 ct/kWh und damit im Bereich von Braunkohlekraftwerke und unterhalb der Stromgestehungskosten von Gaskraftwerken.
Offshore-Anlagen sind dagegen aufgrund höherer Finanzierungs- und Betriebskosten trotz mehr Volllaststunden deutlich teurer, ihre Stromgestehungskosten liegen 2018 bei 7,49 bis 13,79 ct/ kWh.
Solarthermische Kraftwerke mit integriertem Wärmespeicher zur Verstetigung der Stromproduktion können im Sonnengürtel der Erde für 8,09 bis 10,12 ct/ kWh Strom produzieren und sind damit derzeit teurer als Photovoltaikanlagen.
Die Stromgestehungskosten von Biogasanlagen liegen zwischen 10,14 und 14,74 ct/kWh.
Die Studie geht davon aus, dass bis 2035 die Kosten der meisten erneuerbaren Energien weiter sinken werden, wobei insbesondere der Photovoltaik und der Offshore-Windenergie noch großes Kostensenkungspotential eingeräumt wird.
Auch für die Onshore-Windenergie werden Kostensenkungen durch höhere Volllaststundenzahlen und Schwachwindanlagen erwartet, während für Biogas nur geringe Kostensenkungspotentiale erwartet werden.
Bei konventionellen Kraftwerken gehen die Autoren u. a. durch sinkende Auslastung bis 2035 von einem deutlichen Ansteigen der Stromgestehungskosten aus.
Eine Prognos-Studie im Auftrag der Agora Energiewende zum Kostenvergleich kohlendioxidarmer Techniken ermittelte Anfang 2014, dass Strom aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen inzwischen um bis zu 50 % günstiger ist als aus neuen Kernkraftwerken.
Ausschlaggebend dafür seien die hohen Kostensenkungen bei erneuerbaren Energien von bis zu 80 % seit 2009.
Die Analysen basieren auf den Vergütungssätzen für neue Kernkraftwerke in England sowie auf den Vergütungssätzen für Ökostrom gemäß dem Erneuerbare-Energien-Gesetz in Deutschland.
Auch die Stromerzeugung aus neuen Kohlekraftwerken mit CO2-Abscheidung und -Speicherung ist demnach erheblich teurer als Investitionen in erneuerbare Energien und auf ähnlichem Niveau wie Kernkraftwerke.
Neben den Kosten der Stromerzeugung wurden in der Studie auch die Kosten für ein Stromerzeugungssystem abgeschätzt, in dem die wetterabhängige Einspeisung aus Wind- und Sonne durch gasbefeuerte Reservekraftwerke ausgeglichen wird.
Nach diesem Szenario ist eine Stromversorgung durch Wind- und Sonnenkraftwerke kombiniert mit Gaskraftwerken um 20 % günstiger als eine Stromversorgung, die auf Kernenergie basiert.
Die Kosten für erneuerbare Energien wurden laut DIW in der Vergangenheit häufig überschätzt und sanken weit schneller als in der Vergangenheit erwartet.
Beispielsweise sei die EU-Kommission in einem 2013 erschienenen Bericht von Kapitalkosten im Jahre 2050 ausgegangen, die bereits heute zum Teil unterschritten würden.
=== Vermeidung externer Kosten
Bei externen Kosten handelt es sich um Beeinträchtigungen, "die durch ein Vorhaben einem Dritten, häufig der Allgemeinheit, zugefügt werden, ohne dass der Betroffene entschädigt wird." In die Volkswirtschaftslehre eingeführt wurde dieser Begriff vor rund 100 Jahren von Arthur Cecil Pigou.
Im Energiebereich wurden erste umfassende Untersuchungen um 1990 durch Olav Hohmeyer vorgenommen; seit diesem Zeitpunkt ist die Berücksichtigung externer Kosten bei der Energiewandlung Kernbestandteil umwelt- und energiepolitischer Betrachtungen.
Probleme verursacht hingegen noch ihre genaue Quantifizierung.
Aus theoretisch-volkswirtschaftlicher Sicht sind bei einer Bewertung unterschiedlicher Techniken alle Kosten und Nutzen zu berücksichtigen, die der Gesellschaft aus der Nutzung entstehen.
Auch bei der Energiegewinnung entstehen neben den direkten Erzeugungskosten externe Kosten, also Kosten, die nicht über den Energiepreis abgewickelt werden, sondern vom Steuerzahler oder anderen Teilen der Gesellschaft übernommen werden müssen.
Hierzu zählen beispielsweise die durch Schadstoff- und Kohlenstoffdioxidausstoß verursachten oder die sich aus den Risiken der Kernenergienutzung ergebende Kosten.
Im Energiesektor werden externe Kosten hauptsächlich durch Umwelt-, Gesundheits- und Klimaschäden verursacht.
Grundsätzlich gilt, dass die Kosten der konventionellen Energieversorgung nicht die tatsächlich bei dieser Form der Energienutzung verursachten externen Kosten widerspiegeln.
Zwar treten auch bei der Nutzung von erneuerbaren Energien externe Kosten auf, diese sind jedoch deutlich geringer als bei der Nutzung konventioneller Energieträger.
Dadurch wird der wirtschaftliche Wettbewerb zwischen erneuerbaren Energien und herkömmlichen Energieträgern zu Lasten der regenerativen Energien verzerrt.
Soll, wie mit der Liberalisierung angestrebt, der Markt die volkswirtschaftlich effizienteste Produktionsweise finden, so müssen deshalb zwingend alle wettbewerbsverzerrenden Faktoren vermieden und eine Kostenwahrheit durch Internalisierung aller externen Faktoren hergestellt werden.
Geschieht dies nicht, können die Effizienzvorteile eines liberalisierten Marktes durch negative Effekte auf die Umwelt zunichtegemacht werden.
Möglichkeiten zur Herstellung dieser Kostenwahrheit sind Lenkungsabgaben wie z. B. eine CO2-Steuer oder ein funktionierender Emissionshandel.
Einem völlig freien Energiemarkt sind durch diese notwendigen Mechanismen Grenzen gesetzt.
Bisher (April 2014) ist eine Internalisierung dieser externen Effekte nur zu einem kleinen Teil erfolgt, eine vollständige Internalisierung ist nicht absehbar.
Da es sich um ein Marktversagen handelt, sind für eine Internalisierung üblicherweise staatliche Eingriffe notwendig, wobei sowohl marktwirtschaftliche als auch ordnungsrechtliche Maßnahmen in Frage kommen.
Laut Ecofys-Studie im Auftrag von EU-Energiekommissar Günther Oettinger belaufen sich die externen Kosten der Energieversorgung in der EU auf 150 bis 310 Mrd. Euro im Jahr 2012, darunter Deutschland mit 42 Mrd. Euro, was maßgeblich (zu 45 %) auf die hohe Kohleverstromung zurückzuführen ist.
Kohle weist externe Folgekosten von 140 Euro je Megawattstunde auf, Erdgas 60 Euro, Solarenergie 20 Euro, Biomasse 25 Euro, Windkraft nahe null.
Im Jahr 2011 vermieden die erneuerbaren Energien in den Sektoren Strom, Kraftstoffe und Wärme externe Kosten in Höhe von etwa 8,9 Mrd. Euro, zudem wurden Brennstoffimporte von 2,9 Mrd. Euro vermieden.
Mit rund 8 Mrd. Euro fand im Strombereich die größte Vermeidung von externen Kosten statt.
=== Preissenkender Effekt an der Strombörse
Die Preisbildung an der Strombörse orientiert sich nicht an den Stromgestehungskosten, sondern an den Grenzkosten der anbietenden Kraftwerke, d. h. an den jeweiligen variablen Kosten.
Als Grenzkosten werden die zusätzlichen Kosten bezeichnet, die durch eine Erhöhung der Produktion entstehen.
Sie ergeben sich zum größten Teil aus den Brennstoffkosten eines Kraftwerks sowie aus den Kosten für Emissionsrechte.
Der Begriff der Grenzkosten kommt aus der Betriebswirtschaftslehre und spielt im Zusammenhang mit der als Merit-Order (englisch für Reihenfolge der Leistung/des Verdienstes) bezeichneten Einsatzreihenfolge der Kraftwerke zur Stromerzeugung für die erneuerbaren Energien, eine wesentliche Rolle.
Die genaue Höhe der Grenzkosten eines Kraftwerk zu bestimmen ist problematisch, da die Grenzkosten ganz erheblich vom Auslastungsgrad eines Kraftwerkes abhängen.
Beginnend mit den niedrigsten Grenzkosten werden am Strommarkt solange Kraftwerke mit höheren Grenzkosten zugeschaltet, bis die Nachfrage gedeckt ist.
Zusätzlich aber hängen die Grenzkosten auch davon ab, mit welcher Dauer der bevorstehenden Zuschaltung oder Abschaltung der Betreiber rechnen muss.
Die Einsatzreihenfolge wird jedoch für einen Großteil der Grundlastkraftwerke nicht am Spotmarkt ermittelt, sondern am Terminmarkt vorweggenommen, so dass Grundlastkraftwerke trotz ihrer höheren Grenzkosten auch an Tagen mit hoher Solar- und Windstromeinspeisung weiterhin vergleichsweise hohe Leistungen einspeisen.
An sonnig-windigen Tagen steht dann am Spotmarkt dem Angebot von Solar- und Windstrom keine ausreichende Stromnachfrage gegenüber (denn die wurde bereits am Terminmarkt weitgehend befriedigt).
Das Stromüberangebot am Spotmarkt kann dann zu negativen Börsenpreisen führen.
Diese treffen nahezu ausschließlich den Strom aus erneuerbaren Energien, nicht aber den am Terminmarkt vorher verkauften Strom aus Grundlastkraftwerken.
Da bei der Gewinnung von erneuerbaren Energien keine Brennstoffkosten anfallen und die Wartungskosten bei einer "zusätzlichen" Nutzung der Energieerzeugungsanlage kaum ansteigen, tendieren die Grenzkosten der erneuerbaren Energien gegen Null.
Lediglich die Verbrennung oder Vergasung von Biomasse bzw. Speichergas verursacht Brennstoffkosten.
Der Strompreis an der Strombörse war bis zum Jahr 2008 kontinuierlich gestiegen und erreichte im Jahr 2008 das Maximum von 8,279 Cent/kWh.
Unter anderem durch das vermehrte Auftreten der erneuerbaren Energien ist der Strompreis deutlich gefallen.
== Weltweiter Ausbau der erneuerbaren Energien
Wikipedia:WikiProjekt Ereignisse/Vergangenheit/fehlend
In vielen Ländern findet derzeit ein starker Ausbau der erneuerbaren Energien statt.
Neben den klassischen Bereichen Wasserkraft und Bioenergie betrifft dies insbesondere die im 20. Jahrhundert noch unbedeutenden Bereiche Windenergie und Sonnenenergie.
In der internationalen Berichterstattung über Rolle und Potenzial der erneuerbaren Energien haben die beiden Institutionen IEA und IRENA eine herausgehobene Stellung inne.
Während die Gründung der IEA im Jahr 1973 eine Reaktion auf die Ölkrise war, fand die Gründungskonferenz der IRENA erst Anfang 2009 in Bonn statt, wobei jedoch ihre Geschichte bereits mit dem 1980 erschienenen Brandt-Bericht beginnt.
Neben diesen Publikationen veröffentlicht das Regierungsforum REN21 regelmäßig Statusberichte zum weltweiten Ausbau der erneuerbaren Energien.
Der jährlich erscheinende "Global Status Report" gilt als Standardwerk der Erneuerbare-Energien-Branche.
Nach diesem Bericht verfügten Anfang 2014 mindestens 138 Staaten über politische Ziele zum Ausbau der erneuerbaren Energien oder ähnliche Regelungen, davon waren 95 Schwellen- oder Entwicklungsländer.
2005 waren es 55 Staaten.
Während Windenergie derzeit in mindestens 83 Staaten der Erde zum Einsatz kommt, sind Photovoltaikanlagen in über 100 Staaten installiert.
Bestimmte erneuerbare Energien sind in manchen Regionen bereits seit spätestens 2012 wettbewerbsfähig und können dort günstiger Strom produzieren als fossile Anlagen.
Neue Investitionen in erneuerbare Energien weltweit (jährlich) in Milliarden US-Dollar
=== 2010-2015
Der Anteil der erneuerbaren Energien am globalen Endenergiebedarf lag zwischen 2010 und 2015 bei ca. 16 %.
Davon entfiel mit > 8 % knapp die Hälfte auf die traditionelle Biomassenutzung, während moderne erneuerbare Energien bis zu 10 % lieferten.
Der Rest der Endenergie wurde von fossilen Energieträgern und der Kernenergie gedeckt.
Die weltweiten staatlichen Subventionen für erneuerbare Energie betrugen im Jahr 2012 rund 100 Mrd. Dollar.
Zum Vergleich:
Im selben Zeitraum wurden fossile Energieträger direkt mit 544 Mrd. Dollar und indirekt mit der Nichtbepreisung entstehender Umwelt- und Gesundheitsschäden gefördert, so die Internationale Energieagentur (IEA).Top-10-Investoren weltweit in erneuerbare Energien im Jahr 2012:
Im Stromsektor wird der Anteil der erneuerbaren Energien weltweit im Jahr 2013 auf 22,1 % geschätzt, während 77,9 % der elektrischen Energie durch fossile Energien sowie durch die Kernenergie produziert wurden.
Wichtigste regenerative Energiequelle war demnach die Wasserkraft, die 16,4 % des weltweiten Strombedarfs deckte.
Die Windenergie lieferte 2,9 % des Stroms, Biomasse 1,8 % und die Photovoltaik 0,7 %, sonstige Erneuerbare erreichten 0,4 %.
In absoluten Zahlen lag die regenerative Stromerzeugung bei ca. 5.070 TWh.
Auch im Jahr 2013 beschränkte sich der Zubau an regenerativer Kraftwerkskapazität vorwiegend auf Wasserkraft, Windenergie und Photovoltaik.
Ein Drittel des Zubaus ging auf die Wasserkraft zurück (40 GW), ein weiteres Drittel auf Photovoltaik (39 GW), die damit zum ersten Mal einen höheren Kapazitätszuwachs verzeichnete als die Windkraft (35 GW).
Die Länder mit der höchsten installierten Leistung von Stromerzeugungsanlagen sind China, die Vereinigten Staaten, Brasilien, Kanada und Deutschland.
Zum ersten Mal überstieg 2013 in China die neu installierte Leistung von Erneuerbare-Energien-Anlagen die von Kernkraftwerken und fossilen Kraftwerken.
In der EU überstieg 2013 die neu installierte Leistung der Erneuerbaren erneut die von konventionellen Kraftwerken.
Die Stromgestehungskosten der erneuerbaren Energien wie Onshore-Windkraft und insbesondere der Photovoltaik sind in den letzten beiden Dekaden stark gefallen (siehe unten).
Seit 2009 sind die Kosten von Windkraft um etwa ein Drittel und für Photovoltaik um 80 % gesunken.
Mittlerweile können in verschiedenen Staaten unter günstigen Bedingungen Windkraftanlagen und Solarprojekte ohne finanzielle Beihilfen realisiert werden.
Dadurch stieg die Zahl von Investitionen in erneuerbare Energien deutlich an.
Die Preise für erneuerbare Energien sind in den vergangenen Jahren schneller und stärker gefallen als erwartet, insbesondere für Photovoltaik.
56 Prozent der neuen Kapazitäten zur weltweiten Stromerzeugung 2013 waren erneuerbare Energien.
Die Investitionen stammten dabei etwa zur Hälfte aus Schwellen- und Entwicklungsländern.
China hat 2014 erstmals mehr Kapazitäten im Erneuerbare-Energien-Sektor neu errichtet als im Kohlesektor.
In Indien haben sich die Windkraft-Kapazitäten in den vergangenen zehn Jahren verzehnfacht, angetrieben von stark gesunkenen Kosten.
Die Investitionen in erneuerbare Energien steigen seit Jahren mit zunehmender Geschwindigkeit.
Im Jahr 2015 wurden weltweit 329,3 Milliarden US-Dollar in erneuerbare Energien investiert.
Damit stiegen die Investitionen, trotz gesunkener Öl- und Gaspreise sowie ebenfalls gesunkener Kosten für erneuerbare Energien, gegenüber dem Vorjahr um 4 % an.
Zudem wurde 30 Prozent mehr Wind- und Solarleistung installiert als 2014. 65 % aller global getätigten Investitionen in der Energiewirtschaft gingen in erneuerbare Energien.
Nur in Europa sind die Investitionen zuletzt 2015 wieder eingebrochen.
Die weltweiten Neuinvestitionen in erneuerbare Energien übertrafen bereits im Jahr 2014 die Investitionen im konventionellen Sektor.
Allein im Strombereich wurde im vergangenen Jahr doppelt so viel in Solar-, Wind- und Wasserkraft investiert (etwa 265 Milliarden US-Dollar) wie in neue Kohle- und Gaskraftwerke zusammen (etwa 130 Milliarden US-Dollar).
Zugleich trugen sie mit 7,7 Millionen Arbeitsplätzen mehr zur weltweiten Beschäftigung bei als konventionelle Energien.
Deutschland lag bei den Investitionen auf Rang 5 (2014).
China und Japan investierten überwiegend in Solaranlagen, Europa in Offshore-Windparks.
Im Jahr 2013 wurden im Energiesektor insgesamt weltweit 1,6 Billionen Dollar investiert, hiervon mehr als 1 Billion für fossile Energieträger und Kraftwerke und 250 Mrd. für erneuerbare Energien.
Im gesamten Zeitraum 2000-2013 entfielen weltweit etwa 57 % der Investitionen im Sektor der erneuerbaren Energien getätigt, während 40 % auf fossile Kraftwerke und 3 % auf Kernkraftwerke entfielen.
Nach Angaben des Allianz Climate & Energy Monitor 2016 benötigen die G20-Länder Investitionen in Höhe von rund 710 Milliarden US-Dollar jährlich bis 2035, um die UN-Klimaziele von Paris zu halten.
Die für Investoren attraktivsten Länder sind Deutschland, Großbritannien, Frankreich und China.
Etwa 147 Gigawatt (GW) aus erneuerbaren Energien wurden im Jahr 2015 neu installiert - der bis dahin größte Anstieg innerhalb eines Jahres - und decken insgesamt 19 Prozent des Weltenergiebedarfs.
Der größte Zuwachs an Kapazität wurde bei Windenergie (63 GW), Photovoltaik (50 GW) und Wasserkraft (28 GW) verzeichnet.
=== Prognosen
Im Rückblick betrachtet wurden durch die in den letzten Jahrzehnten gemachten Prognosen und Szenarien die Potentiale der erneuerbaren Energien systematisch unterschätzt, oft sogar sehr stark.
Neben Kritikern der Energiewende unterschätzten jedoch häufig auch Befürworter das Wachstum der erneuerbaren Energien.
Die Prognosen der Europäischen Union (EU) und der Internationalen Energieagentur (IEA) weichen dabei besonders stark von der tatsächlichen Entwicklung ab.
So wurden die in der 1994 vorgelegten "Primes"-Studie der EU für 2020 angenommenen Werte bereits 2008 deutlich überschritten.
Die IEA erwartete in ihrem World Energy Outlook 2002 für 2020 einen Anstieg der Kapazitäten zur Windenergieproduktion auf 100 GW.
Dieser Wert wurde 2008, wenige Jahre nach der Veröffentlichung der Prognose, von der tatsächlichen installierten Leistung um mehr als 20 % übertroffen und lag Ende 2014 bereits bei 369 GW.
Eine 2015 publizierte Studie der Energy Watch Group und der Lappeenranta University of Technology urteilte, dass die IEA zwischen 1994 und 2014 regelmäßig das Wachstum von Photovoltaik und Windenergie unterschätzt hat.
Die von der IEA im Jahr 2010 gegebenen Projektionen für Photovoltaik für das Jahr 2024 wurden demnach bereits im Januar 2015 erreicht (180 GW), was die IEA-Prognose für 2015 um den Faktor 3 übersteigt.
Ähnlich habe die IEA die Bedeutung von Kohle, Öl und Atomkraft regelmäßig überschätzt.
So gehe die IEA trotz eines Rückgangs der Atomkraft unverändert von einem jährlichen Wachstum von ca. 10 GW im kommenden Jahrzehnt aus.
Global erwartet die Internationale Organisation für erneuerbare Energien (IRENA) eine Verdoppelung des Erneuerbare-Energien-Anteils bis 2030.
Der Finanzanalyst Bloomberg New Energy Finance sieht einen sogenannten tipping point bei Wind- und Solarenergie:
Die Preise für Wind- und Solarstrom seien in den letzten Jahren stark gefallen und lagen im Januar 2014 in einigen Bereichen bzw. Teilen der Welt bereits unter den Preisen der konventionellen Stromerzeugung.
Die Preise würden weiter fallen.
Die Stromnetze seien weltweit stark ausgebaut worden, so dass diese nun auch Strom aus erneuerbaren Energien aufnehmen und verteilen könnten.
Auch hätten die erneuerbaren Energien weltweit dafür gesorgt, dass die Strompreise stark unter Druck geraten seien.
Zudem würden die erneuerbaren Energien enthusiastisch von den Verbrauchern aufgenommen.
Bereits im Jahr 2014 soll dieser Systemwechsel für sehr viele Menschen offensichtlich werden.
Die Deutsche Bank prognostizierte im Januar 2014 bei der Photovoltaik ein starkes Wachstum.
In mindestens 19 Märkten weltweit sei Netzparität erreicht.
Die Preise für Photovoltaik würden weiter sinken.
Es würden sich zunehmend Geschäftsmodelle jenseits von Einspeisetarifen durchsetzen.
Das weitere Wachstum sei darin begründet, dass Photovoltaik immer wettbewerbsfähiger werde.
Die Studie Energy evolution von Greenpeace International, dem Global Wind Energy Council (GWEC) und SolarPower Europe, die zusammen mit dem Deutschen Luft- und Raumfahrt Zentrums (DLR) erarbeitet wurde, geht davon aus, dass es technisch möglich und finanziell attraktiv ist sowie Millionen neuer Arbeitsplätze schaffen kann, die globale Energieversorgung bis 2050 vollständig auf Erneuerbare umzustellen.
Die im April 2019 veröffentlichte Modellierungsstudie der Energy Watch Group und der Gruppe um Christian Breyer an der Technischen Universität Lappeenranta skizziert ein 1,5 °C Szenario mit einem kostengünstigen, sektorenübergreifenden und auf hoher Technologievielfalt beruhenden globalen 100 % Erneuerbare-Energien-System, welches ohne negative CO2-Emissionstechnologien auskommt.
Dabei werden die Bereiche Strom, Wärme, Verkehr und Meerwasserentsalzung bis 2050 betrachtet.
In vielen Entwicklungsländern sind erneuerbare Energien im Wachstum begriffen.
In Sierra Leone beispielsweise soll bis Ende 2016 etwa ein Viertel des erzeugten Stroms aus erneuerbaren Energien stammen.
In der Nähe der Hauptstadt Freetown soll mit 6 MW Leistung Westafrikas größter Solarpark entstehen.
Solarenergie spielt auch zur Beleuchtung von Straßen, zum Beispiel in Koindu, eine zunehmend größere Rolle in einem Staat mit jahrzehntelanger Unterversorgung.
Der Bergbau für erneuerbare Energien wird laut einer Studie bei einer Steigerung der Nachfrage an erneuerbaren Energien Umweltschutz gefährden, weswegen bedachte strategische Planung erforderlich sei.
Die Forscher veröffentlichen eine Weltkarte zu den entsprechenden Gebieten, sowie Schätzungen zu prozentualen Gebietsüberlappungen mit Umweltschutz-Gebieten.
== Situation in einzelnen Staaten
=== Europa
Erneuerbare Energien spielen in Europa eine wichtige und wachsende Rolle im Energiesystem der Länder und der Europäischen Union.
Die Energiewende wird in den einzelnen Staaten unterschiedlich durchgeführt.
Der Anteil von Energie aus erneuerbaren Quellen am Bruttoendenergieverbrauch lag 2018 bei 18 %.
Das ist doppelt so hoch wie der Anteil im Jahr 2004 mit 8,5 %.
==== Deutschland
In Deutschland wird der Ausbau erneuerbarer Energien und die effiziente Nutzung als Teil der Energiewende verstanden.
im Jahr 2019 lag der Anteil Erneuerbarer Energien bei 17,4 %.
Insbesondere der Stromsektor wird seit der Jahrtausendwende immer weiter auf erneuerbare Energien umgestellt.
Der Windenergie kommt der größte Teil der erneuerbaren Bruttostromerzeugung zu.
==== Frankreich
Im Juli 2015 wurde in Frankreich beschlossen, staatliche Finanzierungsmöglichkeiten für erneuerbare Energien bereitzustellen.
Mit insgesamt 400 Millionen Euro sollen zum Beispiel Offshore-Windparks und Elektroautos gefördert werden.
Als Ziel strebt die französische Regierung bis 2030 an, dass 40 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Quellen stammen und bis 2050 der Energieverbrauch um die Hälfte sinken sollen.
==== Österreich
In Österreich stammen ca. ein Drittel des Bruttoendenergieverbrauches aus erneuerbaren Energiequellen.
Die Wasserkraft die wichtigste erneuerbare Stromquelle.
==== Schweiz
Die Wasserkraft wird in der Schweiz bereits seit Jahrzehnten aufgrund vorteilhafter natürlicher Grundlagen intensiv genutzt.
Die schweizerischen Pumpspeicherkraftwerke importieren preiswerten Strom, um Wasser in die Stauseen hochzupumpen und bei hohen Preisen zu veredeln.
Dieser Strom stammt zu einem großen Teil aus nicht erneuerbaren Energiequellen.
So werden Pumpspeicherkraftwerke nicht per se als erneuerbare Energien deklariert.
Die kostendeckende Einspeisevergütung (KEV) für alle erneuerbaren Energieträger wurde 2009 eingeführt.
In der Schweiz befürworten 78 % der Anwohner von Windparks die Nutzung der Windenergie, 6 % lehnen sie ab.
Über ein Drittel der Gegner (36 %) setzt sich persönlich gegen die Windkraftnutzung ein (beispielsweise in einer Bürgerinitiative oder mit Protestbriefen), während nur 6 % der Befürworter aktiv für eine Nutzung kämpfen.
Mit besserer Einbindung der Bevölkerung in die Planungsphase steigt die Zustimmung.
76 % der Anwohner fühlen sich durch die Windenergie gar nicht oder nur geringfügig gestört, 18 % mittel bis stark, ohne jedoch Stresssymptome zu entwickeln.
6 % gaben an, unter Stresssymptomen zu leiden.
Die Zustimmung zur Windenergienutzung war unter den Anwohnern von Windparks größer als in Orten mit potentiellen Standorten, in denen aber noch keine Windkraftanlagen installiert sind.
Am 21. Mai 2017 wurde die Energiestrategie 2050 in einer Volksabstimmung angenommen.
Seit 2018 werden Subventionen zur Förderung von Anlagen der nachhaltigen Energieproduktion ausbezahlt.
2019 belief sich die Höhe dieser Subventionen auf knapp 1,4 Mia.
CHF.
In der Schweiz werden Betreiber einer Photovoltaik-Anlage durch den Bund gefördert.
Das kostenorientierte Einspeisevergütungssystem (EVS) wird durch einen Netzzuschlag finanziert, der von allen Kunden pro verbrauchte Kilowattstunde bezahlt wird.
Dadurch soll das EVS allen Produzenten von erneuerbarem Strom einen fairen Preis garantieren.
Darüber hinaus haben Betreiber von Photovoltaik-Anlagen die Möglichkeit, eine feste Einmalvergütung (EIV) zu erhalten.
Die Einmalvergütung ist eine einmalige Investitionshilfe zur Förderung kleinerer Photovoltaik-Anlagen.
Sie beträgt bis zu 30 % der Investitionskosten.
Dabei wird unterschieden zwischen der Einmalvergütung für Kleinanlagen (KLEIV) und der Einmalvergütung für Grossanlagen (GREIV).
Auch die Energieversorger fördern Photovoltaik-Anlagen durch Einspeisevergütungen.
Besonders Betreiber kleinerer Photovoltaik-Anlagen profitieren davon.
Zusätzlich bieten auch einige Kantone und Gemeinden Förderungen an.
=== USA
In den Vereinigten Staaten von Amerika liegt der Anteil erneuerbarer Energiequellen an der Primärenergieproduktion etwa 11 % und 17 % an der Stromproduktion.
Die Wasserkraft ist derzeit der größte Erzeuger von erneuerbarem Strom im Land und erzeugte 2016 rund 6,5 % des gesamten Stroms des Landes.
=== China
In China stammen knapp über 10 % des Primärenergieverbrauchs aus erneuerbare Energiequellen.
Im weltweiten Vergleich investiert die Volksrepublik am meisten in die Entwicklung erneuerbarer Energien.
Um der rasante Entwicklung im Energieverbrauch nach zu kommen, setzt die Regierung seit Anfang der 2000er Jahre verstärkt auf erneuerbare Energien.
=== Indien
Die indische Regierung hat 2015 erklärt, bis 2030 einen Anteil von 40 Prozent installierter Energieleistung aus nicht-fossilen Energieträgern verwirklichen zu wollen.
Dies bedeutet eine Vervierfachung gegenüber dem heutigen Stand.
== Literatur

Klexikon (einfache Sprache):
"Erneuerbare Energie" nennt man einige Arten, wie man Energie gewinnt.
Bei diesen Arten bekommen die Menschen Energie auf eine Weise, die unerschöpflich ist.
Ähnliche Ausdrücke sind "nachwachsende" oder "nachhaltige" Energie.
Erneuerbare Energien entstehen aus Windkraft, Wasserkraft und der Meereskraft, der Verbrennung von Holz oder Biogas, aus Erdwärme sowie aus der Sonnenstrahlung.
Wenn Elektrizität aus erneuerbaren Energien stammt, dann nennt man sie grünen Strom oder Ökostrom.
Erneuerbare Energie haben zwei große Vorteile:
Erstens wird es sie immer geben, zumindest in der nahen Zukunft, soweit die Menschen denken können.
Ein Beispiel ist die Windenergie:
Man kann aus der Windkraft Elektrizität gewinnen, solange es Wind gibt.
Der zweite große Vorteil: Erneuerbare Energien machen kein Kohlendioxid, man nennt es auch CO2, sprich: Ce-o-zwei.
Sie sind also nicht verantwortlich für die Erderwärmung.
Es gibt viele offene Fragen:
Entsteht die Energie genau dann, wenn man sie braucht?
Wie lässt sie sich am besten speichern?
Ist sie teurer als die herkömmliche Energie, wenn man alles mit einberechnet?
Schadet sie der Zukunft der Erde oder nützt sie eher?
Unter den Wissenschaftlern sind die Antworten teilweise verschieden.
Bei den Politikern hängen die Antworten auch davon ab, welcher Partei sie angehören.
== Wie nutzt der Mensch Windkraft, Wasserkraft oder Meereskraft?
Die Sonne treibt den Wasserkreislauf an.
Sie erwärmt auch die Luft, dadurch entsteht Wind.
Mit der Drehung eines Windrads kann man einen Generator antreiben und damit elektrischen Strom erzeugen.
Der entsteht immer dann, wenn der Wind weht, nicht unbedingt dann, wenn der Mensch ihn braucht.
Die großen Windräder stören manchmal die Schönheit der Landschaft.
Auch sterben darin manche Vögel.
In einem Wasserkraftwerk drehen sich Turbinen.
In den Generatoren entsteht elektrischer Strom.
Im Flusskraftwerk entsteht er rund um die Uhr gleichmäßig.
Im Speicherkraftwerk kann man den Wasserstrom mit einer Klappe öffnen oder schließen.
Der Strom entsteht somit genau dann, wenn der Mensch ihn will.
Speicherseen setzen große Gebiete unter Wasser.
Das ist in Naturschutzgebieten unerwünscht.
An manchen Meeresküsten gibt es Gezeiten:
Ebbe und Flut.
Das kommt dadurch, dass die Erde sich um sich selbst dreht.
Dadurch entsteht eine Strömung im Meer, aus der man mit Turbinen und Generatoren Strom machen kann.
Diesen Strom kann man auch nicht regeln.
Er entsteht einfach mit der Strömung.
== Was gewinnt der Mensch aus Holz oder Biogas und Erdwärme?
Wir brauchen viel Wärme, um im Winter unsere Häuser zu heizen.
Aber auch in der Industrie braucht es viel Wärme:
Zur Herstellung von Produkten, zum Schmelzen von Metallen und vielem anderem.
Früher und zum Teil noch heute erzeugt man diese Wärme, indem man Holz oder Holzkohle verbrannte.
Diese Wärme kann man erzeugen, wenn man sie gerade braucht.
Biogas entsteht aus dem Mist und der Jauche von Tieren, aber auch aus Bio-Abfällen.
Darunter versteht man Pflanzenreste aus der Küche oder vom Bauernhof.
In einem geeigneten Gefäß wandeln winzige Lebewesen diese Biomasse in Gas und Kompost um.
Das Gas kann man verbrennen, den Kompost als Dünger im Garten und auf den Feldern ausbringen.
Das Gas lässt sich gut speichern.
Noch selten verwendet man die Erdwärme, die Geothermie.
Sie kommt aus der Zeit, als die Erde entstanden ist.
Zum Beispiel erhitzt die Erdwärme an manchen Orten Grundwasser, das als Geysir nach oben spritzt.
Man kann auch tief hinunter bohren und kaltes Wasser hinunterpumpen.
Das kommt dann als heißes Wasser wieder hinauf.
Damit kann man heizen oder mit einer Dampfturbine und einem Generator elektrischen Strom erzeugen, wann man will.
== Wie wird Energie aus Sonnenstrahlung?
Die meiste Energie kommt von der Sonne.
Die fängt man durch Sonnenkollektoren ein.
In der einen Art von Sonnenkollektoren wird Wasser heiß gemacht.
Andere Sonnenkollektoren machen aus dem Sonnenschein elektrischen Strom.
Diese Techniken verbreiten sich immer mehr.
Moderne Sonnenkollektoren machen nicht nur Strom, wenn die Sonne scheint.
Sie schaffen es auch mit Wolken, einfach etwas schlechter.
Nachts liegen sie still.
Der Strom entsteht also einfach bei Tageslicht, nicht unbedingt dann, wenn man ihn braucht.
Beim heißen Wasser ist das kein Problem, das lässt sich speichern.
== Welche Energie ist billiger?
Viele Staaten auf der Welt wollen, dass mehr Erneuerbare Energie erzeugt wird.
Allerdings scheint solche Energie teurer zu sein als die andere.
Um eine bestimmte Menge Strom aus Windkraft herzustellen, muss man bei Wind und Sonne mehr ausgeben, als wenn man die gleiche Menge mit Kohle herstellt.
Normalerweise könnten die Hersteller von Erneuerbarer Energie ihren Strom nicht verkaufen, weil die Menschen den billigeren Strom aus Kohle- oder Atomkraftwerken kaufen würden.
Darum geben die Staaten Geld:
Damit gleichen sie den Unterschied aus.
Solche Geldhilfe nennt man Subvention, sprich: Subwenzionen.
Durch diese Hilfe können die Menschen die Erneuerbare Energie für ebenso viel Geld kaufen wie die sonstige.
Aus diesem Grund sind manche Leute gegen Erneuerbare Energie, weil es den Staat viel kostet.
Was der Staat ausgibt, müssen letztlich alle Menschen mitbezahlen.
Allerdings ist es nicht so sicher, ob Erneuerbare Energie wirklich teurer ist.
Wenn zum Beispiel Kohle verbrannt wird, entsteht schädlicher Rauch.
Durch den Ruß im Rauch können Menschen krank werden.
Die Menschen müssen dann ins Krankenhaus oder sterben früher als normal.
Auch das ist teuer.
Die Klimaerwärmung wird voraussichtlich auch einmal viel Geld kosten.