Die Chancen von Solarenergie im Vergleich zu konventionell erzeugter Energie

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Konventionelle Energieträger
2.1. Definition fossile Energieträger
2.2. Verarbeitung, Nutzung, Auswirkung
2.2.1. Kohle
2.2.2. Erdöl
2.2.3. Erdgas

3. Energieverbrauch und Strompreisentwicklung in Deutschland

4. Erneuerbare Energien: Photovoltaik
4.1. Definition Photovoltaik
4.2. Rückblick auf die Entwicklung von Solarenergie
4.3. Die Sonne als größte Energiequelle
4.4. Wirkungsgrad
4.5. Faktoren bei der Gewinnung von Strom mittels Photovoltaik
4.6. Preisentwicklung und Nachfrage

5. Analyse der Zukunftsbeständigkeit von fossilen Energieträgern und Photovoltaik

6. Fazit

Verwendete Literatur

Anhang

1. Einleitung

Man stelle sich einmal folgendes Szenario vor: Man wacht eines Morgens auf, schaltet den Fernseher ein und hört folgende Meldung: „Meine Damen und Herren, gemäß dem jetzigen Forschungsstand, werden innerhalb der nächsten 2 Jahre alle fossilen Energieträger aufgebraucht sein.“ Wie würden man reagieren? Was wären die ersten Gedanken?

Moderne Industriegesellschaften verdanken ihren Aufstieg insbesondere der Nutzung fossiler Energieträger. Erdöl, Kohle und Erdgas treiben die Wirtschaft und den Verkehr an. Die intensive Nutzung dieser fossilen Energieträger hat zu einer Ressourcenknappheit und zu Umweltschäden geführt.¹ Daher wird die zukünftige Energieversorgung jährlich immer bedeutsamer für die Menschheit. Aufgrunddessen ist der Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung eine zentrale Aufgabe des 21. Jahrhunderts geworden und stellt zugleich für Forschung, Wirtschaft und Politik eine enorme Herausforderung dar.² Eine besondere Rolle innerhalb erneuerbaren Energien, die in den Fokus geraten sind, nimmt die Solarenergie ein, welche aufgrund ihres enormen Potentials als eine „wesentliche Säule des zukünftigen Energiesystems“ angesehen wird.³ Dabei wird die Solarenergie in Solarthermie (Wärmeerzeugung) und Photovoltaik (Stromerzeugung) klassifiziert.

Das Ziel meiner Arbeit ist es herauszufinden, ob erneuerbare Energien gegenüber nicht­regenerativen Energien zukunftsbeständig sein können. Dabei werde ich mich in meiner Arbeit lediglich auf den Teilbereich der Photovoltaik konzentrieren, da diese; aufgrund ihrer Energieform; (Strom) einen vergleichbaren Ersatz zur konventionellen Stromerzeugung bietet, die derzeit unter anderem auf den fossilen Energieträgern Erdöl, Erdgas und Kohle basiert.

Zunächst wird der Begriff fossile Energieträger kurz definiert, um ein Verständnis dafür zu erhalten, wie sich diese von anderen Energiequellen abgrenzen. Anschließend werden die drei fossilen Energieträger Kohle, Erdgas und Erdöl hinsichtlich ihrer Verarbeitung, Nutzung und ihrer Auswirkung auf die Umwelt thematisert. Ich habe mich bewusst für diese drei Formen entschieden, da diese insgesamt einen hohen Anteil an der Stromerzeugung in Deutschland einnehmen. Verarbeitung und Nutzung der fossilien Energieträger leisten einen nicht unerheblichen Beitrag zu einem grundsätzlich, alle Menschen dieser Erde betreffenden Problem, und zwar zum Klimawandel bzw. zur Erderwärmung. Daher ist dieser Aspekt aus meiner Sicht unabdingbar in meiner Arbeit zu behandeln. Anschließend erfolgt die Einbeziehung zweier Statistiken, in welchen der weltweite

Energieverbrauch, verglichen mit Deutschland, dargestellt wird. Bis zu diesem Punkt werden die fossilen Energieträger für sich genommen thematisiert; ein Übergang zur Solarenergie findet insofern statt, als das zunächst eine kurze Definition zur Photovoltaik erfolgt.

Als nächstes wird ein Rückblick auf die Entwicklung der Solarenergie gegeben, danach soll die Energiequelle der Photovoltaik, die Sonne, hinsichtlich ihres Potentials näher betrachtet werden.

Im Anschluss daran werden die einzelnen Bestandteile einer Photovoltaikanlage, ihre Nutzung, Kostenzusammensetzung, Preisentwicklung und Nachfrage, die Faktoren bei der Stromgewinnung sowie der Wirkungsgrad in Unterpunkten für sichjeweils erläutert.

Basierend auf den zu fossilen Energieträgern erarbeiteten Aspekten und auf den zur Photovoltaik erarbeiteten Aspeken, erfolgt als vorletzter Schritt die Erörterung der Fragestellung meiner Arbeit.

2. Konventionelle Energieträger

2.1. Definition fossile Energieträger

Der Begriff „fossil“ bedeutet „urzeitlich“.⁴ Im Zusammenhang mit Energieträgern werden mit dieser Begrifflichkeit zum Beispiel Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas bezeichnet.⁵ Dabei handelt es sich um organische Stoffe (kohlenstoffhaltig), welche aus Verbindungen von Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen.⁶

Elektrische Energie kann aus Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Erdöl gewonnen werden.⁷ Diese energiereichen Stoffe haben sich über Jahrmillionen aus den Überresten pflanzlicher und tierischer Körper gebildet, zu dieser Umwandlung haben mehrere Prozesse beigetragen.⁸ Dazu gehören: Abnutzungen, Erdbeben und Meteor-Auswirkungen (geographische Prozesse)⁹, welche zu hohen Temperaturen und Druck geführt haben. Dadurch entwickelten sich die Überreste zu komplexen Kohlenwasserstoffbindungen.¹⁰

2.2. Verarbeitung, Nutzung, Auswirkung

Aufgrund des begrenzten Umfangs meiner Arbeit, werden bei der näheren Darstellung der fossilen Energieträger Kohle, Erdgas und Erdöl lediglich die zentralen Aspekte Verarbeitung, Nutzung und Auswirkung betrachtet.

2.2.1. Kohle

Beim Abbau von Kohle werden zwei Kohlearten unterschieden, zum einen die Braunkohle und zum anderen die Steinkohle¹¹, welche zujeder Jahreszeit abgebaut werden können. Die Braunkohle wird überwiegend im Tagebau abgebaut und anschließend in Kraftwerken in elektrische Energie oder Wärme umgewandelt.¹²

Während der Verbrennung von Stein- und Braunkohle im Inneren des Kraftwerks entsteht Hitze. Dies führt dazu, dass sich Wasserdampf bildet. Mit diesem wird eine Dampfturbine angetrieben, welche letztendlich Strom erzeugt.¹³ Bei diesem Verbrennungsprozess wird Kohlenstoffdioxid freigesetzt, welches die Umwelt schädigt und den Treibhauseffekt fördert (siehe Anhang). Das bei der Verbrennung entstehende Schwefeldioxid trägt zum „Sauren Regen“ bei.¹⁴ Bei der Verbrennung von Kohle wird im Vergleich zu Erdgas und Erdöl deutlich mehr Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre zugefügt.¹⁵

Hinsichtlich des Wirkungsgrads besteht ein gravierender Unterschied bei der Verbrennung von Steinkohle und Braunkohle, insofern als dass die Effizienz bei der Verbrennung von Braunkohle deutlich niedriger ausfällt als bei Steinkohle. Das bedeutet, dass deutlich mehr Braunkohle verbrannt werden muss, um einen gleichwertigen Energieertrag, im Vergleich zur Verbrennung von Steinkohle, erzielen zu können.¹⁶

Soll eine Kilowattstunde Energie mittels Braunkohle erzeugt werden, so würden 1080 Gramm Kohlenstoffdioxid bei der Verbrennung in die Atmosphäre gelangen, wohingegen bei der Energiegewinnung aus Steinkohle für die gleiche Energiemenge nur eine Freisetzung von 800 Gramm Kohlenstoffdioxid nötig wäre.¹⁷

Durch den Tagebau werden große Flächen beansprucht, welche infolge des Abbaus von Kohle über einen längeren Zeitraum geschädigt werden.¹⁸ Dabei werden giftige Halbmetalle wie Arsen und Schwermetalle wie Quecksilber abgesondert, außerdem werden durch Schutt und seine Lagerung Umweltschäden hervorgerufen.¹⁹

Laut der Statistik der AGEB aus dem Stand Dezember 2014 (siehe Anhang), welche einen Einblick in die Struktur der Stromerzeugung Deutschlands bietet, wird ersichtlich, dass der Verbrauch von Braun- und Steinkohle mit ca. 43 Prozent den größten Anteil gegenüber den anderen Energieträgern aufweist. Hinsichtlich der genannten Umweltschäden erscheint diese Feststellung als unvorteilhaft. Aus Berechnungen der europäischen Kommission, EWI/Prognos (2005) und EWI/EFFA (2007), wird ersichtlich, dass Kohle im Vergleich zu Erdgas und Erdöl in den nächsten zwanzig Jahren kostengünstiger sein wird und damit weiterhin als fossiler Brennstoff ökonomisch reizvoll bleibt.²⁰ Der weltweite Bestand von Braunkohle wird noch für ca. 270 Jahre Energiegewinnung ausreichen; die Einschätzungen für die Steinkohle liegen bei ca. 130 Jahre. Diese Zeiträume sind deutlich länger als bei Erdgas und Erdöl, deren Beständejeweils noch für weniger als 50 Jahre ausreichen werden.²¹

2.2.2. Erdöl

Erdöl ist ein fossiler Brennstoff, mit dem ebenfalls Strom erzeugt werden kann. Zusätzlich steckt Erdöl im Treibstoff von Kraftfahrzeugen²² und zählt deshalb zu den wichtigsten fossilen Energiequellen. Erdöl „hat nach Kohle die zweithöchsten Treibhausemissionen“²³, es besteht aus über 500 verschiedenen Stoffen, hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen. Es besitzt unterschiedliche Siedetemperaturen.²⁴ Innerhalb einer Raffinerie wird versucht, die einzelnen Stoffe aus dem Erdöl zu gewinnen.²⁵ Der sogenannte Destillationsturm ist in einzelne Abschnitte unterteilt. In jedem dieser Abschnitte herrschen unterschiedliche Temperaturen, sodass dass Erdöl verdampfen kann und innerhalb der einzelnen Ebenen die entsprechenden Stoffe gewonnen werden können.²⁶ Dabei können Endprodukte wie Heizöl, Diesel oder auch Rohöl gewonnen werden, welche für den täglichen Verbrauch unverzichtbar sind²⁷.

Die Gewinnung von elektrischer Energie erfolgt überwiegend aus dem aus Erdöl gewonnenen Schweröl und gelegentlich aus leichtem Heizöl.²⁸ Dabei wird durch die Verbrennung energiehaltiger Wasserdampf erzeugt, welcher weiter zu einer Dampfturbine geleitet wird. Dort wird hierdurch ein Generator in Bewegung gebracht, was letztendlich zur Stromerzeugung fährt.²⁹ Ölkraftwerke haben einen niedrigen Wirkungsgrad, welcher üblicherweise bei ca. 35 bis 40 Prozent liegt.³⁰ Dies hat zur Folge, dass durch die erhöhte Verbrennung von Erdöl die Umwelt stark geschädigt wird.³¹ Diese sogenannten Ölkraftwerke werden in Europa heutzutage nur noch selten in Betrieb gesetzt, dies ist mit den steigenden Ölpreisen zu begründen.³²

2.2.3. Erdgas

Erdgas ist ein Gasgemisch, das überwiegend aus Methan besteht. Es befindet sich in der Erdkruste³³ und wird hauptsächlich als Brennstoff für Kraftwerke, zum Heizen von Gebäuden und in der Instustrie verwendet.³⁴

Innerhalb eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerks kann durch Verbrennung von Erdöl elektrische Energie gewonnen werden.³⁵ Zunächst wird eine Gasturbine mittels Erdgas angeheizt. Das daraus enstehende heiße Abgas wird dann mittels eines Abhitzekessels zu einer nahliegenden Dampfturbine geleitet, welche dadurch in Betrieb gesetzt wird.³⁶

Trotz des hohen Wirkungsgrads von ca. 60 Prozent sind Gastkraftwerke für die Zukunft eine fragwürdige Alternative, was daran liegt, dass die Brennstoffkosten vermutlich steigen werden und somit Gastkraftwerke keine ausreichende Versorgungslage mehr bieten können.³⁷ Gaskraftwerke haben den besonderen Vorteil, dass diese unabhängig von Tageszeit und Wetterlage genutzt werden können, zudem stoßen sie im Vergleich zu Kohlekraftwerken deutlich weniger schädliches Kohlenstoffdioxid in die Umwelt aus.³⁸ Bei der Stromerzeugung mittels Gaskraftwerken wird ca. 60 Prozent weniger umweltschädliches Kohlenstoffdioxid ausgestoßen als bei der Verbrennung von Kohle.³⁹

Im Winter besteht innerhalb Deutschlands der größte Energiebedarf, allerdings steht in dieser Jahreszeit die geringeste Menge an Energie zur Verfügung, da vor allem die Sonnen- aber auch die Windenergie kaum zur Verfügung steht und somit regenerative Energien nicht effektiv genutzt werden können.⁴⁰ Benachbarte Länder haben in dieser Jahreszeit ebenfalls einen hohen Energieverbrauch, sodass auch Strom aus dem Ausland kaum zur Verfügung stehen würde. In diesem Fall könnten Erdgaskraftwerke als Ersatz für Sonne und Wind dienen und somit die fehlende Energielücke auffüllen.⁴¹

Da es sich bei Erdgas um einen begrenzten fossilen Energieträger handelt, welcher ungefähr noch weniger als 50 Jahre vorhanden ist⁴², kann der steigende Energiebedarf nicht durchgehend mittels Erdgaskraftwerken gedeckt werden.

Außerdem ist mit der Energiegewinnung aus Erdgas das Problem des Methanausstoßes verbunden. Wird Methan in die Umwelt ausgestoßen, so wirkt es 25 Mal stärker in seiner Umweltschädigung als Kohlenstoffdioxid.^{43 44}

3. Energieverbrauch und Strompreisentwicklung in Deutschland

Um die Ressourcenknappheit nicht weiter voranzutreiben und den Aufbau einer nachhaltigen umweltverträglichen Energieversorgung zu fördern, hat die Bundesregierung Maßnahmen ergriffen. 44 Dazu gehört das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das am 1 April 2000 in Kraft getreten ist und dem Betreiber einer Photovoltaikanlage garantiert, dass sein umweltfreundlich erzeugter Strom vom nächst gelegenden Stromnetzbetreiber vergütet wird. Zugleich hat der Betreiber 20 Jahre Anspruch auf einen festgelegten Vergütungssatz.⁴⁵

Aus der Statistik „Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energieträgern“, erstellt im Jahre 2014 von der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, wird in einem Vergleich die Bruttostromerzeugung in Deutschland von 1990 und 2013 nach Energieträgern dargestellt (siehe

Anhang). Das EEG-Gesetz hat unter anderem dazu beigetragen, dass sich der Anteil an emeuerbaren Energien (darunter auch Photovoltaik) um mehr als das siebenfache erhöht hat.⁴⁶

Im Jahr 2013 besaßen die Energieträger Kohle (Braun- und Steinkohle), Erdgas und Mineralöl (Erdöl) einen Anteil von 56,30 Prozent an der gesamten Bruttostromerzeugung in Deutschland, während im Jahr 1990 der Anteil an den genannten Energieträgern noch deutlich höher (bei 65,27 Prozent) lag.

Dadurch, dass der Anteil an erneuerbaren Energien gestiegen und der an nicht-regenerativen Energien (Erdöl, Erdgas und Kohle) gesunken ist, ist auch gleichzeitig in Deutschland der Verbrauch an primären Energien gesunken, was in der Statisik von AGEB (Stand: Dezember 2013), hinsichtlich des Primärenergieverbrauchs in Deutschland deutlich wird (siehe Anhang).

Auch wenn es der Bundesregierung somit gelungen ist, den primären Energieverbrauch in Deutschland zu reduzieren, so ist aus den Auswertungen der Statistik BP Statistical Review of World Energy (Stand: Juni 2014, siehe Anhang) zu erkennen, dass das Problem des weltweiten Anstiegs am Verbrauch von primären Energien nicht außer acht zu lassen ist.

Gemäß der Statistik von BP, welche die wichtigsten Länder nach Primärenergieverbrauch im Jahr 2013 darstellt, geht hervor, dass Deutschland im Vergleich zu China, USA und Kanada einen deutlich geringeren Verbrauch an primären Energien aufweist (siehe Anhang). Begründet werden kann dies unter anderem mit der zunehmenden Weltbevölkerung und dem steigenden Lebensstandard.⁴⁷

Im Rückschluss bedeutendet dies, dass selbst wenn Deutschland auch in Zukunft weiterhin den Verbrauch an fossilen Energieträgern erfolgreich reduziert, die Ressourcenknappheit durch Weltmächte wie USA und China weiterhin gefördert wird. Dies wird mit der Prognose aus der Statistik von BP Statistical Review of World Energy bekräftigt (siehe Anhang). Die Ressourcenknappheit hat zur Folge, dass die Strompreise innerhalb Deutschlands im Zeitraum von 2008 bis 2013 gestiegen sind. Dies bestätigen die Auswertungen aus der Statistik von Eurostat (siehe Anhang).

[...]

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¹ vgl. Kellermann 2011, S. 4f.

² vgl.ebd.

³ Mertens 2011, S. 17f.

⁴ Marion, Winkenbach http://www.duden.de/rechtschreibung/fossil

⁵ vgl. Schabbach und Wesselak 2012, S. 38f

⁶ vgl. Schabbach und Wesselak 2012, S. 38f

⁷ vgl. DiekmannundRosenthal2014, S. 15f

⁸ vgl. Schabbach und Wesselak 2012, S. 38f

⁹ http://fragenantworten.info/science-engineering/Was-sind-geologische-Prozesse.php

¹⁰ vgl. Schabbach und Wesselak 2012, S. 38f

¹¹ http://artikel.schuelerlexikon.de/Chemie/Entstehung_und_Verwendung_von_Braunkohle_und_Steinkohle.htm

¹² vgl. ebd.

¹³ Kloevekorn, Timm, vgl. http://www.investor-verlag.de/rohstoffe/der-rohstoff-kohle-und-seine-verwendung/

¹⁴ vgl. ebd.

¹⁵ vgl. ebd.

¹⁶ vgl. ebd.

¹⁷ vgl. ebd.

¹⁸vgl. ebd.

¹⁹vgl. ebd.

²⁰Löschel, Andreas, vgl. http://library.fes.de/pdf-files/stabsabteilung/06520.pdf, S. 15

²¹Schünemann, Dr. Christoph, vgl. http://www.regenerative-zukunft.de/fossile-energien-menu/kohle

²² Brenner, Harald, vgl. http://www.planet-wissen.de/natur_technik/energie/erdoel/

²³ Schünemann, Dr. Christoph, vgl. http://www.regenerative-zukunft.de/fossile-energien-menu/erdoel

²⁴ Brenner, Harald, vgl. http://www.planet-wissen.de/natur_technik/energie/erdoel/

²⁵vgl. ebd.

²⁶vgl. ebd.

²⁷vgl. ebd.

²⁸ Paschotta, Dr. Rüdiger, vgl. https://www.energie-lexikon.info/oelkraftwerk.html

²⁹ Kögel, Ottmar, vgl. http://www.pumping-physics.de/index.php/zukunft-der-energie/zde-3-stromerzeugung-in- kraftwerken/waermekraftwerke/strom-aus-oel

³⁰ Paschotta, Dr. Rüdiger, vgl. https://www.energie-lexikon.info/oelkraftwerk.html

³¹ Kögel, Ottmar, vgl. http://www.pumping-physics.de/index.php/zukunft-der-energie/zde-3-stromerzeugung-in- kraftwerken/waermekraftwerke/strom-aus-oel

³² Paschotta, Dr. Rüdiger, vgl. https://www.energie-lexikon.info/oelkraftwerk.html

³³ Schünemann, Cristoph, vgl. http://www.regenerative-zukunft.de/fossile-energien-menu/erdgas

³⁴ vgl. ebd.

³⁵ Paschotta, Dr. Rüdiger, vgl. https://www.energie-lexikon.info/gas_und_dampf_kombikraftwerk.html

³⁶ vgl. ebd.

³⁷ vgl. ebd.

³⁸ Seinlein, Christina, vgl. http://www.focus.de/wissen/technik/tid-25930/serie-die-groessten-herausforderungen-der- energiewende-gaskraftwerke-als-neue-brueckentechnologie_aid_758303.html

³⁹ Wittkuhn, Sönke, vgl. http://www.erdgassuche-in- deutschland.de/energiewende/verbrauchssektoren/strom/index.html

⁴⁰ vgl. ebd.

⁴¹ vgl. ebd.

⁴² Schünemann, Dr. Christoph, vgl. http://www.regenerative-zukunft.de/fossile-energien-menu/kohle

⁴³ Schünemann, Dr. Christoph, vgl. http://www.regenerative-zukunft.de/fossile-energien-menu/erdgas

⁴⁴ vgl. Haselhuhn 2012, S. 140f

⁴⁵ vgl. ebd. S. 140f

⁴⁶ vgl. http://www.umweltbundesamt.de/daten/energiebereitstenung-verbrauch/stromerzeugung

⁴⁷ vgl. Mertens 2011, S. 23f