Die Katastrophe von Fukushima hat das öffentliche Bewusstsein sensibilisiert: Eine Energiewende hin zu erneuerbaren Quellen gilt nun als äußerst wünschenswert, und auch der politische Wille zum Umdenken und Umsteuern ist vorhanden. In der öffentlichen Diskussion kommt oft die Frage auf, ob der Umstieg auf erneuerbare Energien zu teuer sei, oder den Industriestandort Deutschland gefährde.

Derartige Ängste sind unbegründet, das zeigen Studien, die in den vergangenen zwei Jahren erstellt wurden. Ganz im Gegenteil: In den kommenden zehn Jahren können durch die Energiewende zahlreiche zusätzliche Arbeitsplätze geschaffen werden, so eine EU-Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe. Bis 2020 rechnen die Wissenschaftler für Europa mit etwa 2,8 Millionen Beschäftigten im Sektor der erneuerbaren Energien durch Umsetzung der EU-Ziele in diesem Bereich. Nach Berücksichtigung aller negativen Effekte verbleiben positive Nettowirkungen von etwa 400 000 Beschäftigten für die gesamte EU-Volkswirtschaft. Zudem würde das Bruttoinlandsprodukt in Europa um etwa 35 Milliarden Euro steigen (siehe http://ec.europa.eu/energy/renewables/studies/doc/renewables/2009_employ_res_report.pdf).

Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt eine Studie für Deutschland im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BMU, an der das ISI ebenfalls mitgearbeitet hat. Ein Ergebnis: »Kurz- und langfristige Effekte des Ausbaus erneuerbarer Energien auf dem deutschen Arbeitsmarkt haben ein positives Vorzeichen … Nach Berücksichtigung aller negativen Effekte und aller wirtschaftlichen Kreislaufeffekte kann der Saldo immer noch in der Größenordnung von mehr als 200 000 zusätzlichen Beschäftigten liegen.«

Auf der Ergebnis-Pressekonferenz 2011 unterstrich Präsident Prof. Hans-Jörg Bullinger das Engagement der Fraunhofer-Gesellschaft auf diesem Forschungsgebiet: »Wir sind hervorragend aufgestellt, um Konzepte und Lösungen zu entwickeln für eine Wende hin zu regenerativen Energien. Allein in der Fraunhofer-Allianz Energie befassen sich rund 2000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 16 Einrichtungen schwerpunktmäßig mit diesem Thema. Sie entwickeln Systemtechnologien wie Energienetze und -speicher und erforschen, wie man die Energieeffizienz steigern kann. Dazu kommen noch weitere Wissenschaftlerteams aus den Allianzen Bau und Verkehr, die ebenfalls einen wesentlichen Anteil ihrer Arbeit dem Thema Energie widmen.«

Regenerative Energien sind bezahlbar

»Der Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts«, glaubt Prof. Eicke Weber, Sprecher der Fraunhofer-Allianz Energie und Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. »Um auch in Zukunft Strom, Wärme und Mobilität zu bezahlbaren Preisen zu erhalten, müssen wir Energie effizienter nutzen und erneuerbare Energien noch stärker erschließen.« Und Dr. Mario Ragwitz vom ISI, der die EU-Studie koordiniert hat, unterstreicht dies: »Wir müssen den Investitionsimpuls für erneuerbare Energien aufrecht erhalten. Es ist ein langer Atem erforderlich.« Die Anstrengungen würden sich lohnen, nicht nur bei Rohstoffsicherheit und Umwelt, sondern mittel- und langfristig auch in finanzieller Hinsicht. Dies ergibt auch eine Untersuchung, die der ForschungsVerbund Erneuerbare Energien FVEE erarbeitet hat. (www.fvee.de/fileadmin/politik/10.06.vision_fuer_nachhaltiges_energiekonzept.pdf.)

Die Studie mit dem Titel »Vision für ein 100 Prozent erneuerbares Energiesystem« zeigt, wie sich bis zum Jahr 2050 eine zuverlässige, kostengünstige und robuste Energieversorgung mit erneuerbaren Quellen in Deutschland erreichen lässt. »Der Ausbau der erneuerbaren Energien verursacht zwar zunächst Mehrkosten. Deren Maximum dürfte im Jahr 2015 mit einer Summe von rund 17 Milliarden Euro erreicht sein. Dies entspricht jedoch lediglich ca. acht Prozent der Gesamtausgaben für Energie in Deutschland. Danach sinken die Kosten wieder. Im Zeitraum von 2010 bis 2050 können insgesamt allein in den Sektoren Strom und Wärme Kosten von insgesamt 730 Mrd. Euro eingespart werden«, fasst Prof. Jürgen Schmid, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel, die Ergebnisse zusammen.

Solarenergie wird immer konkurrenzfähiger

Fest steht auch: Die Kosten für regenerative Energien werden fallen. »Wir erwarten, dass beispielsweise die Preisentwicklung der Photovoltaik-Module (PV) in den kommenden Jahren weiter der Preis-Lernkurve folgen wird«, so Eicke Weber. Demnach könnten die Modulpreise von derzeit zwischen 1,50 und 2 €/Wp (netto) bereits bis 2016 unter 1,00 €/Wp fallen, was Stromgestehungskosten in einer Bandbreite zwischen etwa 11 bis 14 Cent pro Kilowattstunde in Deutschland ermöglichen dürfte. Voraussetzungen hierfür sind der weitere Ausbau der Fertigung, eine gute Auslastung der Produktionskapazitäten durch eine entsprechende PV-Weltmarktentwicklung, die kontinuierliche Umsetzung technologischer Innovationen in die Produktion und eine Minimierung der Produktionsabläufe und -kosten. »Diese Ziele stellen die PV-Industrie vor erhebliche Herausforderungen, sind aber mit Technologiefortschritten zu erreichen.« Eine Kostenoptimierung in der Energieversorgung wird aus Sicht des ISE zwangsläufig zu einem hohen Anteil der PV im Strommix führen. »Neben den zukünftig geringen Stromerzeugungskosten auch in Deutschland bietet die emissions- und lärmfreie Photovoltaik die Vorteile einer möglichen dezentralen Stromerzeugerstruktur, verbunden mit einer verminderten Netzbelastung, sowie die Möglichkeit, bei einem geringen Eingriff in die Natur schnell Kapazitäten zubauen zu können«, sagt Weber. 14 Prozent ist danach die untere Grenze für einen sinnvollen PV-Anteil am Strommix, die Forscher am ISE halten aber vom Grundsatz her mittelfristig auch Anteile von über 30 Prozent für möglich.

Hohe Anforderungen für Windkraftwerke

In Deutschland liegt die Windkraft mit einem Anteil von 6,4 Prozent an erster Stelle bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. »Windenergie ist schon heute relativ günstig. Je nach Standort kostet die Stromerzeugung aus Wind zwischen drei und sechs Cent je Kilowattstunde«, so Jürgen Schmid. In einer neuen Studie für den Bundesverband Windenergie (BWE) haben die Experten des IWES belegt: In Deutschland stehen auf Basis von Geodaten knapp acht Prozent der Landfläche außerhalb von Wäldern und Schutzgebieten für die Windenergienutzung zur Verfügung. Bei Nutzung von nur zwei Prozent der Fläche jedes Bundeslands ergäben sich 198 Gigawatt installierbare Leistung. Damit könnte die Windenergie an Land rein rechnerisch mit etwa 390 Terawattstunden zum Jahresstromverbrauch in Deutschland beitragen, der bei ca. 600 Terawattstunden liegt. Die Studie verdeutlicht, dass das Potenzial der Windenergie an Land bei weitem noch nicht erschöpft ist. Aktuell sind gerade 28 Gigawatt Windenergieleistung aufgebaut«, fasst Studienleiter Dr. Kurt Rohrig die Ergebnisse zusammen. Zusätzlich sollen riesige Windparks im Meer entstehen. Bis zum Jahr 2030 sollen sie 20 bis 25 Gigawatt liefern, also etwa 15 Prozent des deutschen Strombedarfs, so das Ziel des BMU. Der erste deutsche Offshore-Windpark alpha ventus wurde 2010 fertig gestellt und ist Demonstrations- und Forschungsobjekt zugleich. Die zugehörige BMU-Forschungsinitiative wird vom IWES koordiniert.

Bei Offshore-Windparks ist der Innovationsdruck besonders hoch: Die Anlagen müssen so geplant und gebaut werden, dass sie über ihre gesamte Laufzeit von etwa 20 Jahren Wind, Wasser, Salz, UV-Strahlung und Wellen trotzen. Dazu wurde am IWES in Bremerhaven eine spezielle Offshore-Testkammer entwickelt. Sie kann erstmals die wechselnden mechanischen und klimatischen Belastungen gleichzeitig simulieren. Die Komponenten werden Salzsprühnebel, Wellen, UV-Licht und Feuchtigkeit ausgesetzt und dabei ständig gebogen und gedehnt. So ziehen Forscher Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit der getesteten Systeme und auf ihre Lebensdauer. In weiteren Prüfständen für die mechanische Belastung großer Rotorblätter lassen sich statische und dynamische Tests in millionenfachem Lastwechsel mit unterschiedlichen Amplituden durchführen. Sie sind auf Rotorblätter bis 70 Meter Länge ausgelegt, ein weiterer Prüfstand für Blattlängen bis 90 Meter geht am 9. Juni 2011 in Betrieb. »Damit verfügen wir über den größten Teststand Europas für Rotorblätter von Anlagen bis zu einer Leistung von rund zehn Megawatt«, so der Leiter des IWES in Bremerhaven, Prof. Andreas Reuter.

Neue, intelligente Netze und Speicher

Eine dezentrale Energieversorgung mit erneuerbaren Quellen erfordert eine andere Netzstruktur als die heute vorhandene, die auf wenige zentrale Großkraftwerke ausgelegt ist. Künftig müssen viele Solar-, Wind- und Biokraftwerke miteinander koordiniert und ihre Ertrags- und Lastprognosen sinnvoll abgestimmt werden. Versorgungslücken, die durch die Unregelmäßigkeiten in der Verfügbarkeit von Sonne und Wind entstehen, muss man durch schnelle Zwischenspeicher und Regelkraftwerke ausgleichen.

»Wir brauchen Kernkraft nicht als Brückentechnologie«, darin sind sich die Institutschefs Eicke Weber und Jürgen Schmid einig. Sie sind der Meinung, dass der in den vergangenen Jahren beobachtete rasche Zubau der Erneuerbaren durch die geringe Flexibilität der Kernkraftwerke eher behindert wird. Geeignete Brückentechnologien hingegen seien gasgefeuerte Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zusammen mit Speichern und dem Netzausbau.

Letztlich geht es darum, das Stromnetz mit vielen technischen Finessen intelligenter zu machen. Fachleute sprechen von einem Smart Grid, in dem die vielen Stromerzeugungsanlagen und elektrischen Verbraucher miteinander kommunizieren und sich je nach Angebot von Wind- und Sonnenstrom abstimmen. Hier besteht noch großer Forschungsbedarf. Fraunhofer engagiert sich intensiv an der Erarbeitung und Realisierung neuer Konzepte.

So beteiligen sich beispielsweise Wissenschaftler des IWES am neuen Forschungsprojekt Kombikraftwerk 2. Gemeinsam mit neun weiteren Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft werden dazu Wind- und Biogaskraftwerke sowie Solarstromanlagen in Modellen und Feldversuchen über moderne Informations- und Kommunikationstechniken verknüpft und zu einer virtuellen Einheit mit Kraftwerks-Charakter zusammengefasst. Die Forscher wollen damit im Detail belegen, dass eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien realistisch ist und dass auch bei Windflaute oder geringem Sonnenschein nicht die Lichter ausgehen.

Für die benötigten Energie-Zwischenspeicher könnten beispielsweise Redox-Flow-Batterien geeignet sein. Dabei handelt es sich um große, robuste und langlebige Vanadium-Flüssigbatterien, in denen chemische Vanadium-Verbindungen an Membranen abwechselnd Elektronen aufnehmen und abgeben. Mehrere Fraunhofer-Institute arbeiten gemeinsam an diesen Flüssigbatterien. Das Fernziel der Experten ist der Bau einer handballfeldgroßen Batterieanlage mit 20 Megawattstunden Kapazität, die etwa 2000 Haushalte während einer langen Winternacht oder an wolkigen Tagen mit Strom versorgen kann. Ganz so weit ist es noch nicht: Derzeit haben die größten Laboranlagen im Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen eine Leistung von einigen Kilowatt, die Megawatt-Grenze hoffen die Forscher in etwa fünf Jahren überschreiten zu können.

Unkonventionelles Denken für eine neue Energieversorgung

Innovative Ideen sind gefragt, die auch Potenziale mit einbeziehen, die bisher nicht genutzt wurden. So kann sogar die Wärmespeicherfähigkeit von Gebäuden in einem intelligenten Netz als passiver Stromspeicher dienen, zum Beispiel mit elektrischen Wärmepumpen und intelligenten Energiezählern. In einer wissenschaftlichen Untersuchung ermitteln Forscher des ISE derzeit Verlagerungspotenziale, die sich durch tarifgesteuerte Wärmepumpen ergeben können. Ein anderer Vorschlag besteht darin, die Batterien künftiger Elektroautos, die gerade am Netz hängen, als Stromspeicher zu nutzen.

Eine weitere unkonventionelle Idee ist es, überschüssigen Strom zur Elektrolyse von Wasser zu verwenden. Aus dem dabei entstehenden Wasserstoff wollen Forscher in großem Stil zusammen mit Kohlendioxid Methan herstellen, das dann als chemischer Energiespeicher dient und in die bestehenden Erdgasnetze eingespeist werden kann. Damit könnte man die bestehende Erdgas-Infrastruktur mit ihrem großen Speichervolumen als Zwischen-Energiespeicher nutzen. Außerdem ließe sich damit unsere Abhängigkeit von Gasimporten deutlich verringern.

Alle Bemühungen um eine nachhaltige Energieversorgung müssen natürlich flankiert werden durch Einsparungen beim Verbrauch und durch Erhöhung der Effizienz. Wie dies in der Praxis aussehen kann demonstrierte das ISE durch seine Mitarbeit an der energetischen Sanierung eines 16-geschossigen Wohnblocks im Freiburger Stadtteil Weingarten. Der Primärenergiebedarf für Beheizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung, Beleuchtung und Haushaltsstrom wurde um 40 Prozent gesenkt. In den nächsten zwei Jahren erfassen und analysieren ISE-Forscher den Energieverbrauch des Gebäudes im realen Betrieb. Die Ergebnisse haben, wie das gesamte Projekt, Modellcharakter und sollen zukünftig in vergleichbare energetische Sanierungsvorhaben einfließen.

»Deutschland hat die Chance, eine globale Spitzenposition in der Umstellung einer großen Wirtschaft auf regenerative Energien zu erlangen, mit zahlreichen Vorteilen in der weiteren Entwicklung dieser Technologien mit den entsprechenden Arbeitsplätzen. Ich kann mir kein effektiveres, nachhaltigeres Konjunkturförderprogramm vorstellen als diesen Prozess,« betont Eicke Weber.