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Energiespeicherung – ein zentrales Problem für erneuerbare Energien?

(Dieser Artikel ist in ähnlicher Form erschienen in Energie & Umwelt 1/2006, dem Magazin der Schweizerischen Energiestiftung.)

Autor:

Verschiedentlich hört man, die breite Nutzung erneuerbarer Energien setze neue Technologien für die Speicherung von Energie voraus. Zumindest für Mitteleuropa lässt sich dies jedoch kaum begründen.

Neben vielen Vorteilen hat Elektrizität als Energieträger einen wesentlichen Nachteil: Sie lässt sich kaum in nennenswerten Mengen speichern. Neue Superkondensatoren sind teuer und recht begrenzt in ihrer Kapazität. Auch aufladbare Batterien (Akkumulatoren) für die Speicherung in Form chemischer Energie sind teuer, haben deutliche Energieverluste, eine begrenzte Lebensdauer und für mobile Anwendungen ein unangenehm hohes Gewicht. Ähnliches gilt für Schwungradspeicher. Die einzigen großtechnisch gut nutzbaren Speichertechnologien beruhen entweder auf Wasserkraftwerken (ggf. mit Pumpspeicherung, d. h. zusätzlicher “Aufladung” mit Strom in Zeiten schwacher Netzbelastung) oder auf unterirdischen Druckluftspeichern. Im Wesentlichen gilt deshalb, dass die Stromerzeugung in einem Elektrizitätsnetz dem aktuellen Verbrauch folgen muss. Für die kurzfristige Anpassung stehen einerseits schnell regelbare Gasturbinen u. ä. zur Verfügung, andererseits insbesondere Pumpspeicher. Zum Ausgleich längerfristiger (etwa saisonaler) Schwankungen werden zusätzlich z. B. große Gas- oder Kohlekraftwerke eingesetzt.

Manche erneuerbaren Energien, insbesondere Wind- und Sonnenenergie, tragen abhängig von Tageszeit und Wetter zur Erzeugung bei – zwar kurzfristig einigermaßen vorhersehbar, aber nicht nach Belieben steuerbar. Offensichtlich wäre dies ein großes Problem, wenn etwa eine bestimmte Stadt zu 100 % durch solche Kraftwerke versorgt werden sollte: Nachts und bei Windstille gäbe es Engpässe, deren Überbrückung durch Speicher sehr teuer wäre. Dessen ungeachtet kann daraus nicht gefolgert werden, dass die Entwicklung besserer Speichertechnologien die zentrale Voraussetzung für einen breiten Einsatz von Sonnenenergie und Windenergie wäre. Insbesondere ist Mittel-, Süd- und Osteuropa mit einem leistungsstarken Verbundnetz überzogen, mit welchem fast alle Erzeuger und Verbraucher arbeiten. Dieses Verbundnetz ist von unschätzbarem Wert für eine sichere und effiziente Versorgung sowohl basierend auf fossilen Energieträgern und Atomenergie wie bisher, als auch in Zukunft für den Einsatz erneuerbarer Energien. Es reduziert drastisch den Bedarf an Kapazitäten für Speicherung und kurzfristig abrufbare zusätzliche Erzeugung, indem es erlaubt, z. B. im Falle eines plötzlichen unerwarteten Ausfalls die verlorene Erzeugung auf weiträumig verteilte andere Kraftwerke zu verteilen, oder durch kurzfristige Außerbetriebnahme von nicht unbedingt benötigten Großverbrauchern an anderen Orten zu kompensieren. Ein weiterer Ausbau der europäischen Netze wird notwendig sein, und dies wird erhebliche Investitionen erfordern. Die dadurch entstehenden Herausforderungen dürften allerdings gering sein im Vergleich mit anderen, etwa mit der breiten Umstellung des Kraftwerksparks für eine klimaverträgliche Stromerzeugung.

Propaganda und Unwissen

Leider werden diese Umstände verschiedentlich ausgeblendet, sei es im Dienst einer Propaganda gegen erneuerbare Energien oder einfach aus Unwissen. Ein Beispiel ist die Behauptung, eine Windenergieanlage erlaube zwar die Erzeugung gewisser Energiemengen, trage aber zur sicheren Bereitstellung von Leistung nichts bei. In verschärfter Form: Jedes Windkraftwerk verlange die Vorhaltung eines fossil befeuerten Kraftwerks gleicher Leistung, welches bei Wind im Leerlauf betrieben wird und jederzeit einspringen kann, dabei aber enorme Zusatzkosten (und Energieverluste) verursacht.

Man möge diese Denkweise einmal auf ein Kernkraftwerk übertragen: Auch dieses kann jederzeit plötzlich ausfallen, wodurch die volle Leistung sofort anderswo übernommen werden muss. Genau dies ist z. B. beim Atomkraftwerk Leibstadt (Schweiz) am Ostermontag 2005 geschehen; ohne jede Vorwarnung fehlten plötzlich mehr als 1000 MW. Wo aber stand das fossil befeuerte Kraftwerk, welches im Leerlauf bereit stand und die Leistung des KKL übernahm? Natürlich nirgends – selbst dieser große Ausfall konnte vom europäischen Verbundsystem abgefangen werden, indem die fehlende Leistung auf viele “Schultern” verteilt wurde. Seltsam nur, dass wir das Reserve-Argument in der Diskussion nie auf Atomkraftwerke angewandt hören, sondern nur auf Windkraftwerke. Deren Leistung schwankt zwar deutlich häufiger, dafür aber meist über Tage im Voraus ziemlich gut prognostizierbar, und niemals so, dass die Erzeugung über viele Monate (wie beim KKL Leibstadt) komplett ausfällt. Deswegen werden selbst dann, wenn etwa Europa einst seinen Strombedarf zu beispielsweise 20 bis 30 % durch Windenergie decken wird, keine größeren technischen oder wirtschaftlichen Probleme aus der benötigten Reservekapazität entstehen.

Man bedenke hierbei, dass Windstrom aus verschiedenen Regionen (z. B. Nordsee und Nordafrika) kombiniert werden wird, wodurch sich Schwankungen der Erzeugung weit mehr ausmitteln, als es für eine isoliert betrachtete kleine Region der Fall wäre. Und die schweizerischen Wasser-Speicherkraftwerke (mit oder ohne Pumpspeicherung) werden – wohlgemerkt mit entsprechendem finanziellen Nutzen für alle Beteiligten – einen noch größeren Teil zu einer sicheren Stromversorgung in Europa beitragen.

Anzumerken ist außerdem, dass auch andere erneuerbare Energien wertvolle Beiträge zur Sicherung der Versorgung bringen können. Windstrom fällt vermehrt im Winter an, wenn der Bedarf höher ist. Dass Sonnenstrom tagsüber anstatt gleichmäßig verteilt anfällt, ist ebenfalls ein Vorteil. Beides reduziert den Bedarf an saisonal bzw. tageszeitlich schwankender anderer Erzeugung. Und Biogasanlagen eignen sich bestens, um Strom bevorzugt einzuspeisen, wenn der Bedarf am höchsten ist, da sich das Gas gut speichern lässt.

Sinnvolle Prioritäten

Es ist davon auszugehen, dass das europäische Verbundnetz in Zukunft wesentlich stärker als bisher genutzt werden wird. Hierfür werden gewisse Ausbauten notwendig, deren Kosten aber über Jahrzehnte und auf viele Millionen von Verbrauchern verteilt und deswegen kaum spürbar werden. Moderate Investitionen in der Region von Norddeutschland und Dänemark werden es ermöglichen, nicht nur neuen Windstrom aus großen Offshore-Windparks, sondern auch sehr günstigen Strom aus norwegischen Wasserkraftwerken zunehmend nach Mitteleuropa zu bringen. Es dürfte kostengünstiger sein, gewisse Ausbauten von Stromtrassen und skandinavischen Kraftwerkskapazitäten vorzunehmen und auch die Verschwendung von billigem Strom in Norwegen einzudämmen, als zusätzliche Kapazitäten in Mitteleuropa selbst zu schaffen. Ebenfalls wird es rentabel sein, in Nordafrika auf günstigem Grund bei guten Windverhältnissen Strom zu erzeugen und ihn über Spanien und Italien nach Mitteleuropa zu leiten. Wenn dann noch thermische Sonnenkraftwerke mit Tagesspeichern entwickelt werden, die über Tag und Nacht verteilt produzieren können, mag dies vereinzelt nützlich sein, aber niemals die Voraussetzung für einen breiten Einsatz erneuerbarer Energien.

Somit wird klar: Was für eine Inselversorgung eines kleinen Gebiets ein großes Problem wäre (mit hohen Kosten für die benötigten Energiespeicher), wird für europäische Verhältnisse zu einem durchaus handhabbaren Problem.

Diese Überlegungen erschüttern übrigens auch das in manchen Kreisen gepflegte Dogma, eine regionale Eigenversorgung sei grundsätzlich besser als ein weiträumiger Austausch. Was für viele Landwirtschaftsprodukte sinnvoll sein mag, erscheint für Strom fragwürdig: Wie eine finanzierbare Versorgung insbesondere mit erneuerbaren Energien unter Verzicht auf die Vorzüge der Verbundnetze möglich sein soll, ist schwer vorstellbar. Und eine nicht finanzierbare Versorgung ist sicher nicht unsere Zukunft. Richtig ist zwar, dass eine kleinräumig verstreute Erzeugung die zu transportierenden Energiemengen reduzieren und damit die Anforderungen an den Netzausbau vermindern kann. Jedoch braucht eine Region, die sich meist zu einem guten Teil mit Wind- und Solarstrom versorgt, zeitweise doch wieder Strom von anderen Regionen – und der kommt eben nur durch entsprechend ausgebaute Netze.

Siehe auch den neueren Artikel "Energiespeicher und Stromnetze – was braucht die Energiewende?".

Fragen und Kommentare von Lesern

21.10.2016

Man kann erneuerbaren Strom auch als Wasserstoff, Erdgas oder als Treibstoffe speichern. Google: Wind to Gas; Google Wind to liquid Fuel

Antwort vom Autor:

Dazu braucht man nicht Google; es gibt auch im RP-Energie-Lexikon (also auf dieser Website) z. B. ausführliche Artikel über EE-Gas und Power to liquid. Leider stellt sich heraus, dass diese Technologien allein schon viel zu hohe Energieverluste mit sich bringen, als dass man sie dafür einsetzen wollte, Stromverbrauch und Stromerzeugung miteinander in Einklang zu bringen.

Allerdings ging es im vorliegenden Artikel ohnehin nicht darum, ob es vielleicht noch andere Speichertechnologien gäbe, sondern darum, ob neue Speichertechnologien für die die breite Nutzung erneuerbarer Energien eine unentbehrliche Voraussetzung sind. Nach meiner Überzeugung sind sie es keineswegs, weil die Lösung dieses Problems mit verstärkten Stromnetzen weitaus verlustärmer und kostengünstiger erreicht werden kann.

18.09.2018

Der Artikel basiert auf einem Zeitschriftenartikel von 2006 und suggeriert, das irgendwo in Europa schon ausreichende EE-Leistung vorhanden sei, und man sie nur über ein entsprechend ausgebautes Energienetz verteilen müsse. Heute haben wir 2018, und wir bekommen noch nicht einmal den Ausbau in Deutschland hin.

Wenn am aber die Thesen des Autors als sinnvoll hinnimmt, kann man die (sichere) Solarleistung nur für die Abdeckung einer eventuell vorhandenen Verbrauchsspitze bei Tag nutzen, die gesamte Grundlast müsste durch ein europaweites Windenergienetz bereitgestellt werden.

Dieses müsste so dimensioniert sein, dass auch bei insgesamt geringem Windaufkommen die Versorgung Europas mit Energie in den Nachtstunden sichergestellt wäre.

Ich wünsche viel Spaß mit den Anti-Stromleitungs- und Anti-Windkraft-Bürgerinitiativen.

Antwort vom Autor:

Bekanntlich haben wir bereits hohe EE-Kapazitäten und brauchen bald verstärkte Netze, um diese besser nutzen zu können. Der Bau dieser Netze ist tatsächlich eine Herausforderung – aber m. E. immerhin eine wesentlich kleinere, als das Problem mit Energiespeichern zu lösen. Die kosten nämlich weitaus mehr und haben weit höhere Verluste.

Photovoltaik allein reicht selbstverständlich nicht, aber sie kann einen sinnvoll Beitrag leisten, insbesondere für die Deckung der Mittags-Spitze und für Klimaanlagen.

31.12.2019

Ich halte den Bericht für geschönt. Er geht davon aus, dass andere Länder ihren Verbrauch zugunsten Deutschlands einschränken. Im Herbst gibt es viele Monate mit geringer Sonnenstrahlung. Auch viele Tage mit wenig Wind gibt es gleichzeitig über große Gebiete.

Antwort vom Autor:

Nein, ich ging nicht davon aus, dass sich andere einschränken – sondern nur davon, dass der Speicherbedarf sehr viel geringer ausfällt, wenn man elektrische Energie über größere Distanzen transportieren kann. Das wird auch durch Studien belegt.

07.10.2020

Angebot und Nachfrage müssen beim Strom stimmen. Da haben die erneuerbaren Energien ein großes Problem. Sie produzieren zu Zeiten, wo es keiner braucht und umgekehrt. Immer sind die Anderen schuld. Die Netzbetreiber oder andere Kraftwerke, die nicht genügend schnell herunterfahren können. Die Anzahl Stunden mit negativen Energiepreisen nehmen laufend zu. So was gibt es nur, weil die erneuerbaren Energien unkontrolliert produzieren und entsprechende Energiespeicher fehlen. Die Energiewende scheitert an der Batterie.

Antwort vom Autor:

Sie halten es dann also nicht für sinnvoll, dass man Kohlekraftwerke herunterregelt oder abschaltet, wenn genügend Solar- und Windstrom zur Verfügung steht – auch wenn damit unnötig CO2 emittiert wird? Und die Energiewende soll einfach ausfallen, auch wenn wir damit in eine Klimakatastrophe laufen?

Sie haben zwar recht, dass die zeitlich nicht steuerbare Produktion vieler erneuerbaren Energien ein Problem ist, gehen aber offenbar fälschlich davon aus, man könne die Energiewende dann einfach sein lassen.

10.01.2021

Es fällt mir schwer, einen Artikel über Stromspeicherung und Stromnetzstabilität, welcher nicht die Momentanreserve erwähnt, ernst zu nehmen. Diese esentielle Regelungsreserve ermöglicht erst, stabile Stromnetze zu betreiben. Durch PV und Wind würden wir die Momentanreserve komplett verlieren, und das würde Beinahe-Blackouts wie erst vor wenigen Tagen zu ernsten, großräumigen Stromausfällen werden lassen. Und dieses Problem der fehlenden Momentanreserve kann aus Prinzip nicht von PV und Wind, und nur völlig unzureichend aus Wasserkraft gelöst werden.

Damit blüht uns eine wahrlich schwarze und dunkle Zukunft.

Antwort vom Autor:

Seltsam nur, dass beispielsweise die Bundesnetzagentur, wo man über diese Dinge sicherlich bestens Bescheid weiß, Ihre Bedenken offenbar nicht teilt. Die Momentanreserve ist natürlich wichtig – siehe meinen Artikel über Frequenzregelung im Stromnetz –, aber natürlich gibt es technische Lösungen für die Zeit, in der der Anteil der großen Generatoren deutlich geringer ist als heute. Und bislang sind die Netzstabilität und die Versorgungssicherheit im Verlauf der deutschen Energiewende sogar besser geworden.

11.01.2021

Die Bundesnetzagentur, als politisch besetzte Behörde, kann hier wohl nur die Wünsche der Politik erfüllen, und sicher nicht nach rational-wirtschaftlichen Kriterien handeln. Die Hunderte Milliarden Euro an Kosten für die Energiewende müssen schließlich “erklärt” werden (https://de.statista.com/statistik/daten/studie/899050/umfrage/kosten-der-energiewende/).

“Und bislang sind die Netzstabilität und die Versorgungssicherheit im Verlauf der deutschen Energiewende sogar besser geworden.”: Diese Aussage widerspricht jeglicher Physik. Der Entzug von Regelleistung und das Hinzufügen höchst instabiler neuer Erzeuger muss zwangsläufig zu einem instabileren Netz führen. Eine unabhängige und unpolitische Quelle ohne Agenda, die diesen eklatanten Widerspruch, den Sie hier schreiben, schlüssig erklärt, würde mich interessieren.

Antwort vom Autor:

Sie unterstellen also, dass die Bundesnetzagentur enorme Risiken für die Netzstabilität auf Anweisung der Politik verschweigt, und das Sie auf der Basis einen einfachen Arguments alles besser wissen. Solche Unterstellungen liegen sicherlich im Trend, aber ich halte sie für haltlos.

Die Wirklichkeit ist definitiv zu komplex, um solche Punkte mit einem einfachen physikalischen Argument zu klären. Es gibt zu diesen Punkten auch harte Daten, etwa zur Häufigkeit von Stromausfällen, die in den letzten Jahren deutlich abgenommen hat. Beispielsweise in den USA sind solche Ausfälle trotz eines viel geringeren Anteils erneuerbarer Energien viel häufiger, und auch die Gefahr großflächiger Stromausfälle ist dort wesentlich größer. Das liegt an der veralteten und mangelhaft gewarteten Infrastruktur.

26.05.2021

Absoluter Schwachsinn. Bitte nochmal empirische Beweise für Ihre vage Behauptungen darstellen.

Auch technisch wird der Ersatz des fossilen Stroms durch den Wind- und Sonnenstrom, der durch das EEG forciert wird, bald an seine Grenzen stoßen, weil dieser Strom sehr unregelmäßig fließt, nämlich nur dann, wenn die Natur es will, und nicht, wenn die Stromkunden ihn brauchen. Die zeitlichen Divergenzen muss man irgendwie überbrücken. Wollte man das mit Speichern versuchen, brauchte man schon heute eine Kapazität von mehr als 11 TWh, was rechnerisch dem Dreihundertfachen der Kapazität der deutschen Pumpspeicherwerke entspricht. Die Speicher wären im September voll. Leer wären sie im März, weil im Winter viel Strom verbraucht und wenig Solarstrom geliefert wird. Schon heute hat das deutsche Netz Schwierigkeiten, die grünen Produktionsspitzen zu verkraften. So gab es ihretwegen im vergangenen Jahr 232 Stunden mit negativen Strompreisen. Die Netzbetreiber bezahlten dafür, dass der überschüssige Strom entsorgt wurde. Allein am Pfingstsamstag 2019 gaben sie dafür 40 Millionen Euro aus. Außerdem wurden die Betreiber grüner Anlagen und konventioneller Kraftwerke wechselweise für Lieferstopps bezahlt, die man ihnen vorschrieb. Allein im ersten Quartal 2019 (dem aktuellsten, für das Daten vorliegen) mussten die Stromkunden 364 Millionen Euro dafür ausgeben.

Ein Verbundnetz von den Alpen bis nach Norwegen würde das Problem etwas verringern, weil es helfen würde, die Stromspitzen zwischen den Ländern zu verteilen und vor allem neue Pumpspeicherwerke zu bauen. Die EU preist den umfangreichen Bau von Pumpspeicherwerken als „New Era of Smarter Energy Management“. Eine von ihr in Auftrag gegebene länderübergreifende geologische Studie (eStorage) zeigt, dass sich in einem Verbundnetz von der Schweiz und Österreich über Deutschland und Dänemark bis nach Norwegen Pumpspeicherwerke im Umfang von 1,6 TWh errichten ließen, was eine Verachtfachung der heutigen Speicherkapazität dieser Länder bedeutet.

Antwort vom Autor:

Beispielsweise zeigte die VDE-Studie “Energiespeicher für die Energiewende”, bei weitem nicht so dramatisch ist, wie Sie es darstellen. Auch von der Bundesnetzagentur höre ich nicht, dass die Energiewende wegen des Speicherbedarfs völlig unrealistisch sei, und die von Ihnen genannte eStorage-Studie belegt die Dramatik genauso wenig. Aber es mag ja sein, dass all diese Leute genauso dem Schwachsinn verfallen sind wie ich, oder alternativ alle bestochen, während Sie zusammen mit ein paar anderen Helden die Realität klar sehen. Ehrlich gesagt, glaube ich das aber wirklich nicht.

Dass die derzeitigen deutschen Pumpspeicherwerke nicht annähernd ausreichen würden, ist ja völlig richtig. Natürlich sind sie auch nicht als saisonale Speicher geeignet, sondern nur für den kurzfristigen Ausgleich. In meinem Artikel über Wasser-Speicherkraftwerke finden Sie aber, dass weitaus höhere Kapazitäten von insgesamt ca. 116 TWh bestehen in Norwegen (82 TWh) und Schweden (34 TWh) schon längst bestehen. Die Leitungen dorthin werden Zug um Zug ausgebaut – nicht sofort in riesigem Umfang, eben weil das auch gar nicht nötig ist. Bislang ist der Speicherbedarf trotz eines bereits erheblichen Anteils der erneuerbaren Energien und einem schleppenden Ausbau der Stromnetze ziemlich moderat.

Ich hoffe, die meisten Leser werden erkennen, dass solche Vorwürfe von “Schwachsinn” völlig haltlos und nicht nur unhöflich sind.

27.06.2021

Vielen Punkten Ihres Aufsatzes kann ich folgen. Auch die Voraussetzung, nämlich ein ausgebautes und verstärktes europäisches Verbundnetz, scheint nachvollziehbar. Jedoch: Warum lassen Sie dann die fehlende europäische Willensbildung dazu so völlig unbeleuchtet? Die “Vorreiterrolle” Deutschlands in Sachen z.B. “Windenergie”, aber auch EE generell, lässt doch die anderen Nationen des politischen Europas bis heute weitgehend ziemlich kalt. Sehen wir uns die Bürgerinitiativen gegen Windkraft z. B. in Frankreich an, so fällt es schwer zu glauben, dass diesbezüglich in den nächsten Jahren nennenswerte Fortschritte zu erreichen sind. Offensichtlich sind deutsche Alleingänge nicht zielführend. Zudem kritisieren Sie den Bau von (Windkraft)Kleinstanlagen (in Deutschland). Was also schlagen Sie alternativ vor?

Antwort vom Autor:

Deutschlands Vorreiterrolle überschätzen Sie m. E. ganz erheblich. Bei uns sitzen die Gegner der Windkraft nicht nur in Bürgerinitiativen u. ä., die teils verdeckt mit Geldern und Lügenpropaganda aus der fossilen Energiewirtschaft herangezüchtet werden, sondern auch in der Bundesregierung. Deren “Erfolg” der letzten Jahre besteht ja darin, den Zubau der Windenergieanlagen massiv heruntergebremst zu haben, übrigens verbunden mit dem Verlust einer großen Zahl von Arbeitsplätzen – wie vorher bereits bei der Solarwirtschaft.

Grundsätzlich orientiere ich mich immer am Ziel, katastrophale Veränderung des Klimas abzuwenden. Einfach aufzugeben, nur weil andere nicht genug tun, kommt nicht infrage. Sonst ist das Scheitern garantiert. Und andere Länder können wir natürlich viel eher mitziehen, wenn wir mit gutem Beispiel vorangehen, anstatt beispielsweise zugunsten unserer Autoindustrie die unumgängliche Transformation europaweit zu behindern, wie in den letzten Jahren geschehen.

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