Nicht regenerative Energieträger sind erschöpflich: Kohle, Erdöl und Erdgas (fossil) sowie Uran. Fossile Träger setzen beim Verbrennen CO₂ frei. Regenerative Träger erneuern sich im menschlichen Zeitmaß: Sonne, Wind, Wasser, Biomasse, Erdwärme. Wind und Sonne liefern wetterabhängig (fluktuierend). Biomasse, Speicherwasserkraft und Erdwärme lassen sich besser regeln. Strom und Wasserstoff sind keine Quellen, sondern Sekundärenergie, die aus Primärenergie entsteht.

Der Verbrauch im Netz schwankt im Tages- und Jahreslauf. Die Residuallast ist die Last nach Abzug der Einspeisung von Wind und Sonne: $P_{\text{Rest}} = P_{\text{Last}} - P_{\text{Wind}} - P_{\text{PV}}$. Regelbare Kraftwerke und Speicher decken sie. Kraftwerke fahren je nach Regelbarkeit und Kosten in drei Bändern:

Bei viel Wind und Sonne sinkt die Residuallast, träge Kraftwerke lassen sich schlecht drosseln. Gefragt ist Flexibilität: schnell regelbare Kraftwerke, Speicher und verschiebbare Verbraucher.

Für die Systemanalyse legt man eine Systemgrenze um das Kraftwerk und bilanziert die Leistungen: Zugeführt wird die Brennstoffleistung $P_{\text{zu}}$, abgegeben die elektrische Leistung $P_{\text{el}}$, der Rest geht als Abwärme, Abgas und Eigenbedarf verloren. Der Wirkungsgrad ist $\eta = P_{\text{el}} / P_{\text{zu}}$. Richtwerte: Kernkraftwerk 33 bis 37 %, Kohlekraftwerk 40 bis 45 %, Gas-und-Dampf-Kraftwerk bis etwa 60 %, Wasserkraft etwa 90 %. Nutzt man auch die Abwärme (Kraft-Wärme-Kopplung), zählt man beide Nutzleistungen: $\eta_{\text{ges}} = (P_{\text{el}} + P_{\text{th}}) / P_{\text{zu}}$.

Ein Synchrongenerator wandelt Bewegungsenergie durch Induktion in Wechselspannung: Ein mit Gleichstrom erregter Elektromagnet (Läufer) dreht sich im Ständer mit seinen Wicklungen. Die Frequenz ist $f = p \cdot n$ mit Polpaarzahl $p$ und Drehzahl $n$ in 1/s. Mit $p = 1$ braucht das 50-Hz-Netz $n = 50$ 1/s = 3000 1/min, mit $p = 3$ nur 1000 1/min. Der Generator verbindet Turbine und Netz, vom Dampfkraftwerk bis zur Windkraftanlage.

Ein Solarmodul besteht aus in Reihe geschalteten Siliziumzellen. Licht erzeugt in jeder Zelle eine Spannung von etwa 0,6 V, ein Modul mit 60 Zellen hat im Leerlauf etwa 36 V. Es liefert Gleichstrom mit $P = \eta \cdot A \cdot E$ (Wirkungsgrad, Fläche, Bestrahlungsstärke). Die Nennleistung in Wp (Watt peak) gilt bei $E = 1000$ W/m². Ein Wechselrichter oder Laderegler hält den Arbeitspunkt mit der größten Leistung (MPP-Tracking). Verschattet man eine Zelle, sinkt der Strom der ganzen Reihe, Bypass-Dioden umgehen dann Zellgruppen.

Anwendungen sind Dachanlagen mit Batteriespeicher, Balkonkraftwerke, Freiflächenanlagen und Inselanlagen. Sicherheit: Ein Modul liefert bei Licht immer Spannung. Arbeiten an Anlagen gehören in die Hand von Elektrofachkräften.

Die Energiedichte (Wh/kg) sagt, wie viel Energie ein Speicher je kg fasst. Die Leistungsdichte (W/kg) sagt, wie schnell er sie je kg abgeben kann. Beide sind unabhängig voneinander.

Ein Akkumulator speichert chemisch: Eine Lithium-Ionen-Zelle hat etwa 3,6 V und die Energie $E = U \cdot Q$ (Ladung in Ah). Die Energiedichte liegt bei etwa 150 bis 250 Wh/kg, die Leistungsdichte ist mäßig, und der Akku altert mit den Zyklen. Ein Kondensator speichert im elektrischen Feld: $E = \frac{1}{2} C U^2$. Ein Superkondensator hat nur etwa 5 Wh/kg, gibt die Energie aber in Sekunden ab und hält sehr viele Zyklen. Er fängt Lastspitzen und Bremsenergie auf.

Ein Pumpspeicherkraftwerk pumpt Wasser in ein hohes Becken und lässt es später durch Turbinen zurückfließen. Die Energie je kg ist $g \cdot h$, bei 300 m nur etwa 0,8 Wh/kg, darum braucht man viel Wasser. Von Strom zu Strom kommen etwa 75 bis 80 % zurück, die Anlage reagiert in Sekunden bis Minuten.

Power to Gas zerlegt mit überschüssigem Strom Wasser per Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff (33 kWh je kg) lässt sich in Tanks und unterirdischen Hohlräumen (Kavernen) über Monate speichern und in Gaskraftwerken oder Brennstoffzellen verstromen. Die Kette ist verlustreich: Elektrolyse etwa 70 %, Rückverstromung etwa 55 %, zusammen $0{,}70 \cdot 0{,}55 \approx 0{,}39$, also etwa 40 %.

Module, Akkus, LEDs und Elektronik arbeiten mit Gleichstrom. Ein Gleichstromnetz (zum Beispiel 12 V im Wohnmobil) spart Umwandlungen. Bei kleiner Spannung fließen große Ströme, und die Leitungsverluste $P_V = I^2 R$ wachsen: 600 W sind bei 12 V ein Strom von 50 A, bei 230 V nur 2,6 A. Große Leistungen überträgt man deshalb mit hoher Spannung.

Eine Inselanlage hängt nicht am öffentlichen Netz (Berghütte, Gartenhaus, Boot). Sie besteht aus Solarmodul, Laderegler, Akku und Verbrauchern, bei Bedarf mit Wechselrichter für 230 V. Der Akku überbrückt Nacht und Schlechtwetter.

Das Netz hat Netzebenen: Höchstspannung (220 und 380 kV) für große Strecken, Hochspannung (110 kV), Mittelspannung (10 bis 30 kV) und Niederspannung (400/230 V) bis zum Haushalt. Transformatoren verbinden die Ebenen. Ein intelligentes Netz (Smart Grid) misst Erzeugung und Verbrauch laufend und steuert beides: Smart Meter (digitale Zähler mit Datenverbindung), steuerbare Verbraucher (Wärmepumpe, Ladesäule), Speicher und viele kleine Erzeuger als „virtuelles Kraftwerk“.

An der Strombörse bietet jeder Kraftwerksbetreiber zu seinen Grenzkosten an, den Kosten für eine weitere kWh (vor allem Brennstoff und CO₂-Preis). Die Gebote werden nach steigenden Grenzkosten gereiht (Merit-Order) und von links genommen, bis die Nachfrage gedeckt ist. Das letzte nötige Kraftwerk bestimmt den Marktpreis für alle. Wind und Sonne haben Grenzkosten nahe null. Mehr Wind und Sonne schieben das letzte nötige Kraftwerk zu einem billigeren, etwa von Gas zu Steinkohle, und senken den Preis: der Merit-Order-Effekt. Die EEG-Umlage finanzierte über den Strompreis die festen Vergütungen für Strom aus erneuerbaren Anlagen. Seit Juli 2022 zahlt der Bund diese Förderung aus dem Haushalt.