CO2 pro kWh: Welche ist die klimafreundlichste Energiequelle?

Unsere CO2-Emissionen stammen vor allem aus dem Energiesektor. Aber welche Energiequellen sind am klimafreundlichsten?

Es gibt leider keine CO2-neutralen Energiequellen. Aber es gibt große Unterschiede bei der Höhe der CO2-Emissionen.

Gaskraftwerke stoßen 21 mal mehr CO2 aus als Wasserkraftwerke um eine Kilowattstunde Strom zu erzeugen.

Der CO2 Ausstoß pro kWh ist bei einem Braunkohlekraftwerk sogar rund 100 mal so hoch wie bei einem Atomkraftwerk.

Die Kernkraft ist in Deutschland der klimafreundlichste Energieträger. Aber auch Wasserkraft, Geothermie sowie Wind und Solar haben niedrige Emissionen.

Fossile Energieträger mit hohen CO2-Emissionen sind nicht nur klimaschädlich, sondern auch umweltschädlich. Die Luftverschmutzung durch fossile Brennstoffe und Biomasse tötet rund 10.000 Menschen am Tag.

Mehr dazu bei den Todesfällen pro Energiequelle.

Treibhausgase nach Energiequelle - CO2 pro kWh: Welche ist die klimafreundlichste Energiequelle?

CO2 Emissionen nach Energieträgern pro kWh Strom

Dies sind die CO2-Emissionen nach Energieträger in Gramm CO2-Äquivalent pro kWh Strom (GTP100):

  • 12 Kernkraft
  • 24 Wasserkraft
  • 38 Geothermie
  • 86 Wind mit Backup
  • 143 Solar mit Backup
  • 230 Biogas (nur indirekte Emissionen)
  • 447 Gas und Dampf
  • 798 Steinkohle
  • 819 offene Gasturbine
  • 1150 Braunkohle

Die Werte stammen vom Weltklimarat 1. Die genauen Zahlen 2 und weitere Erklärungen 3 helfen beim Nachvollziehen.

Die Zahlen berücksichtigen den kompletten Lebenszyklus inklusive Transport, Bau, Abbau sowie Brennstoff-Beschaffung und -Entsorgung.

Die globalen Zahlen vom IPCC sind, wo sinnvoll, angepasst an deutsche Standortfaktoren, zum Beispiel Sonnenstunden.

Ebenfalls berücksichtigt sind Backup-Emissionen der volatilen Energiequellen Wind und Solar für eine bessere Vergleichbarkeit.

Ist Kernkraft klimafreundlich?

Kernkraft ist laut Weltklimarat zusammen mit Windkraft die klimafreundlichste Energiequelle. Und im Gegensatz zu Wind braucht Kernkraft keine Backup-Kraftwerke für Flauten.

Ein Kernkraftwerk stößt im Betrieb keine Treibhausgase aus. Die Emissionen kommen etwa zur Hälfte durch Bau, Abbau und Entsorgung zustande. Die zweite Hälfte der Emissionen entsteht durch die Gewinnung und Verarbeitung von Uran.

  • 12 Gramm pro kWh Kernkraft in Deutschland

Die CO2-Emissionen beziehen sich auf eine Lebensdauer von 40 Jahren. Das stimmt zwar für deutsche AKWs, aber nur wegen dem vorzeitigen Abschalten durch den geplanten Atomausstieg. Noch ist es nicht zu spät den voreiligen Atomausstieg zu verhindern: #SaveGER6

In anderen Ländern laufen Kernkraftwerke 80 Jahre oder länger. Dort sind die CO2-Emissionen für Bau, Abbau und Entsorgung also nur halb so hoch pro kWh. Damit liegen die gesamten CO2-Emissionen von Kernkraft bei rund 9 Gramm pro kWh. Klimafreundlicher wird es nicht.

Neue Reaktoren der 4. Generation können auch Atommüll und abgereichertes Uran 238 als Brennstoff verwenden. Dadurch lassen sich auch die CO2-Emissionen durch Uran-Abbau und -Verarbeitung deutlich minimieren.

Ist Windkraft klimafreundlich?

Windkraft hat laut Weltklimarat zusammen mit Kernkraft die niedrigsten CO2-Emissionen mit 11 Gramm pro kWh für Windräder an Land und 12 Gramm pro kWh für Windräder im Meer (offshore).

Der Weltklimarat geht von einem Kapazitätsfaktor von 30% an Land aus. In Deutschland haben wir aber nur 19% im 10-jährigen Mittel.4 Dadurch steigen die CO2-Emissionen pro kWh auf 17 Gramm an Land.

Offshore Windräder haben eine bessere Auslastung und kommen auch in Deutschland auf bis zu 40% Kapazitätsfaktor. Die kaum niedrigeren Emissionen liegen daran, dass sie schneller verschleißen, der Ressourcenbedarf höher ist und auch die Anbindung an das Stromnetz aufwendiger.

Die meisten Treibhausgas-Emissionen durch Windkraft entstehen allerdings durch die fossilen Backup-Kraftwerke. Weil oft wenig oder gar kein Wind weht müssen Kohle- und Gaskraftwerke einspringen.

Beim aktuellen Strommix in Deutschland mit viel Kohlekraft liegen diese Backup-Emissionen bei rund 70 Gramm pro kWh.5 Dadurch steigen die Emissionen von Wind auf das Sechsfache:

  • 87 Gramm pro kWh Onshore Windkraft
  • 82 Gramm pro kWh Offshore Windkraft

Diese Zahlen berücksichtigen nur das Backup und keine anderen Systemkosten. Es wird also davon ausgegangen, dass selbst bei Überproduktion die komplette Strommenge genutzt werden kann. Ebenfalls nicht berücksichtigt sind die Netzausbaukosten, insbesondere für Offshore. In der Praxis sind die Werte also höher.

Im deutschen Mix wird rund 20% des Stroms durch Offshore Wind erzeugt. Das ergibt:

  • 86 Gramm pro kWh Windkraft im deutschen Mix Offshore/Onshore

Die CO2-Emissionen für das Gas-Backup können in Zukunft um einige Gramm fallen, wenn der Anteil von nachhaltig erzeugtem Wasserstoff im Gasnetz steigt. Im Moment ist das leider noch Zukunftsmusik.

Ist Wasserkraft klimafreundlich?

Wasserkraft ist klimafreundlich, da sind sich alle einig, oder? Leider nein! Es gibt sogar Stimmen, die behaupten Wasserkraft wäre deutlich klimaschädlicher als Kohle mit bis zu 2.200 Gramm pro kWh.6

Natürlich gibt es wie bei Wind-, Solar- und Kernkraft keine direkten Emissionen. Aber in dem stehenden Wasser der Stauseen entstehen durch Verkeimung offenbar viele Treibhausgase wie CO2, Methan und Distickoxid.

Wasserkraft soll sogar ganze 1,5% des globalen Treibhausgases emittieren.7 Das ist halb so viel wie der globale Flugverkehr. Dafür wurden Treibhausgase an gut 250 Staudämmen weltweit gemessen. In Deutschland wurden mehrere Staustufen der Saar gemessen:

  • 9336 gCO2eq/m²/Jahr: Serrig
  • 2485 gCO2eq/m²/Jahr: Lisdorf
  • 1086 gCO2eq/m²/Jahr: Mettlach
  • 733 gCO2eq/m²/Jahr: Rehlingen
  • 70 gCO2eq/m²/Jahr: Saarbrücken

Bei der größten deutschen Fluss-Staustufe Serrig sind das bei 2.548m² Beckengröße 24 Tonnen CO2-Äquivalent pro Jahr. Demgegenüber stehen 12 MW elektrische Leistung. Das sind bei 60% Kapazitätsfaktor rund 0,38 Gramm pro kWh CO2-Äquivalente. Das ist vernachlässigbar.

Eine Staustufe in einem Fluss ist aber kein Stausee. Bei größeren Becken oder höherer Intensität können die Emissionen viel höher liegen. Der Weltklimarat erwartet im Schnitt 46 Gramm CO2-Äquivalente (GTP100) pro kWh an Methanemissionen an.

In den Gesamtemissionen für Wasserkraft fehlen die biogenen Methan-Emissionen aus Stauseen dann aber. Der Weltklimarat zählt nur CO2-Emissionen beim Bau des Staudamms:

  • 24 Gramm pro kWh Wasserkraft in Deutschland

Das scheint zumindest der Realität in Deutschland zu entsprechen, siehe Staustufe Serrig.

Ist Solarenergie klimafreundlich?

Die mittleren CO2-Emissionen für Photovoltaik sind mit 48 Gramm pro kWh für Solarparks und 41 Gramm pro kWh für Dachsolar niedrig. Allerdings sind das die Zahlen für das sonnige Südeuropa mit 1700 kwh/m²/a Sonneneinstrahlung. In Deutschland sind es rund 1000 kwh/m²/a. 8

Die gleiche Photovoltaik-Anlage liefert in Deutschland also nur 58 Prozent des Stroms. Das lässt die CO2-Emissionen über die Lebenszeit auf 170% Prozent steigen. In Deutschland liegen die CO2-Emissionen also bei 82 Gramm pro kWh für Solarparks und 70 Gramm pro kWh für Dachsolar.

Wie bei Windkraft kommen noch die CO2-Emissionen für fossile Backup-Kraftwerke dazu. Bei schlechtem Wetter und Nachts liefern Solaranlagen keinen Strom. Auch an sonnigen Tagen sorgen Wolken für Leistungstäler.

Es scheint keine Studie zu geben, welche die CO2-Emissionen für solares Backup in Mitteleuropa errechnet hat. Nehmen wir also die gleichen Zahlen wie für Wind, obwohl das Backup für Solarstrom doppelt so aufwendig ist. 9

Die gepufferten CO2-Emissionen für Photovoltaik mit deutschen Sonnenstunden sind also:

  • 140 Gramm pro kWh Dachsolar
  • 152 Gramm pro kWh Solarpark

Außer dem Backup werden keine weiteren Systemkosten berücksichtigt, insbesondere nicht die Überproduktion und der Netzausbau. In der Praxis sind die Werte also höher.

Der deutsche Solarmix besteht zu drei Vierteln aus den klimafreundlicheren Dachanlagen. 10 Das bedeutet:

  • 143 Gramm pro kWh für den deutschen Solarmix

Das deutsche Klima ist denkbar schlecht für Solarenergie geeignet. Trotzdem ist Photovoltaik immer noch deutlich klimafreundlicher als konventionelle fossile Energie. Verglichen mit Kernkraft, Wasserkraft und Geothermie sind die Zahlen aber sehr hoch.

Ist Biomasse klimafreundlich?

Es gibt viele Diskussionen darüber wie klimafreundlich Biomasse ist. Die meisten Bedenken gibt es bei der Holznutzung. Ein Baum braucht zwischen 44 und 104 Jahren um wieder nachzuwachsen. 11 Das ist nicht nachhaltig, wenn wir innerhalb der nächsten Jahrzehnte klimaneutral werden wollen.

Deutlich nachhaltiger sind schnell wachsende Energiepflanzen wie Raps zur Gewinnung von Biogas. Der Weltklimarat berücksichtigt deshalb beim Biogas zur Stromerzeugung keine direkten CO2-Emissionen. Die direkten CO2-Emissionen sind zwar so hoch wie bei Erdgas. Aber sie wurden beim Wachsen der Energiepflanzen kurz vorher aus der Atmosphäre gebunden.

Die indirekten CO2-Emissionen entstehen vor allem durch Forst- und Landwirtschaft:

  • 230 Gramm pro kWh für Stromerzeugung aus Biogas

Selbst die indirekten Emissionen sind schon zu hoch um Biogas als klimafreundlich einzustufen. Für Elektrizität haben wir klimafreundlichere Alternativen.

Biogas macht jedoch als Brückentechnologie bei der Prozesswärme deutlich mehr Sinn als bei der Stromerzeugung. Im Wärmesektor ist auch der Wirkungsgrad viel höher.

Ist fossiles Erdgas klimafreundlich?

Fossiles Erdgas soll in Deutschland im Laufe der Energiewende Kohlekraftwerke und Kernkraftwerke ersetzen. 12

Dazu werden gerade ein gutes Duzend Gaskraftwerke neu gebaut und mehrere Duzend weitere müssen bis zum Kohleausstieg folgen.

Aber ist fossiles Erdgas wirklich so klimafreundlich? Bei den CO2-Emissionen spart man mit Gaskraftwerken laut Weltklimarat immerhin fast die Hälfte im Vergleich zu Kohlekraftwerken.

Die Zahlen sind allerdings die für besonders effiziente Gas-und-Dampf-Kraftwerke (GUD). 18% des deutschen Bestandes sind aber wenig effiziente offene Gasturbinen mit fast doppelt so hohen Emissionen: 13

  • 447 Gramm pro kWh für GUD-Kraftwerke mit 55% Wirkungsgrad
  • 819 Gramm pro kWh für offene Gasturbinen mit 30% Wirkungsgrad
  • 14

    GUD-Kraftwerke machen in Deutschland mit 19 GW von 23 GW einen Großteil der installierten Kapazität aus:

    • 515 Gramm pro kWh für den deutschen Mix aus GUD und Gasturbinen

    Das ist zugegeben naiv gerechnet. Offene Gasturbinen laufen wegen der höheren Kosten seltener. Andererseits werden sie immer häufiger als schnelle Regelenergie zum Ausgleichen von Leistungsrampen bei Wind und Solar benötigt.

    Sowieso gelten die CO2-Emissionen vom Weltklimarat nur für den Dauerbetrieb bei Volllast. Bei Teillast sowie beim Hoch- und Runterfahren sind die Emissionen deutlich höher. Weil Gaskraftwerke oft in Lastfolge eingesetzt werden dürften die realen Emissionen höher liegen. Es scheint dazu aber keine belastbaren Zahlen zur Situation in Deutschland zu geben.

    Ein weiteres Problem sind Methanlecks. Fossiles Erdgas besteht zum größten Teil aus Methan. Bei Förderung und Transport von Erdgas kommt es zu Lecks. Das Methan gelangt in die Atmosphäre. Der Weltklimarat bezieht eine Methan-Leckage von rund 2% mit ein. Es gibt allerdings Studien mit deutlich größeren Methan-Leckagen.

    Ist Kohle klimafreundlich?

    Kohle ist die mit Abstand klimaschädlichste Energiequelle, da sind sich alle einig.

    Die Werte vom Weltklimarat beziehen sich allerdings auf Steinkohle. In Deutschland wird überwiegend Braunkohle eingesetzt, mit rund 140% der Emissionen von Steinkohle: 15 16

    • 798 Gramm pro kWh für Steinkohle
    • 1150 Gramm pro kWh für Braunkohle

    13,0% der deutschen Bruttostromerzeugung stammt aktuell aus Steinkohle und 22,8% aus Braunkohle. 17 Die deutschen Kohle-Emissionen liegen also bei rund:

    • 925 Gramm pro kWh für den deutschen Mix Braunkohle/Steinkohle

    Zukünftig fallende Emissionen durch Dekarbonisierung

    Direkte Emissionen durch das Verbrennen von Kohle, Öl, Gas und Biomasse sinken durch bessere Effizienz. Dabei kratzen wir schon an den Grenzen des Machbaren..

    Indirekte Emissionen durch Ressourcen, Transport, Bau und Rückbau sinken automatisch, je weiter die Energiewirtschaft bereits dekarbonisiert ist.

    Je mehr klimafreundliche Energiequellen wir also zubauen, desto klimafreundlicher werden diese Energiequellen.

    Wenn wir den 2°C-Pfad des Weltklimarates einhalten, werden im Jahr 2050 die CO2-Emissionen von klimafreundlichen Energiequellen auf diese Werte sinken: 18

    • 109 Gramm pro kWh für Steinkohle mit CCS
    • 98 Gramm pro kWh für Biomasse
    • 97 Gramm pro kWh für Wasserkraft
    • 78 Gramm pro kWh für GUD mit CCS
    • 6 Gramm pro kWh für Solar (ohne Backup)
    • 4,4 Gramm pro kWh für Wind (ohne Backup)
    • 3,5 Gramm pro kWh für Kernkraft

    109 g/kWh für Kohle und 78 g/kWh dank Carbon Capture and Storage (CCS) klingen klimafreundlich. Im Jahr 2050 sind aber selbst diese CO2-Emissionen viel zu hoch.

    In Zukunft sollten wir unsere Energie hauptsächlich aus Kernkraft, Windkraft und Photovoltaik gewinnen.

    Mehr dazu in diesem Carbonbrief.

    Quellen

    1. Fünfter Sachstandsbericht AR5 IPCC (2014)
    2. AR5 Annex III IPCC (2014)
    3. AR5 Annex II IPCC (2014)
    4. Windmonitor Fraunhofer (2018)
    5. Consequential environmental system analysis of expected offshore wind electricity production in Germany Pehnt et al (2008)
    6. Addressing Biogenic Greenhouse Gas Emissions from Hydropower in LCA Hertwich (2013)
    7. Greenhouse Gas Emissions from Reservoir Water Surfaces: A New Global Synthesis Deemer et al (2016)
    8. Life Cycle Greenhouse Gas Emissions of Crystalline Silicon Photovoltaic Electricity Generation Hsu et al (2012)
    9. System Effects in Low-carbon Electricity Systems Cometto et al (2012)
    10. Anteil Freiflächenenlagen an der installierten Solarleistung Agentur für Erneuerbare Energien (2017)
    11. Does replacing coal with wood lower CO2 emissions? Dynamic lifecycle analysis of wood bioenergy Sterman et al (2018)
    12. Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem Fraunhofer (2020)
    13. Kraftwerke in Deutschland Umweltbundesamt (2020)
    14. eigene Berechnung anhand des Wirkungsgrades
    15. Carbon dioxide (CO₂) emissions from lignite power plants in Germany Energy Charts (2018)
    16. Annual net electricity generation in Germany Energy Charts (2018)
    17. Bruttostromerzeugung AG Energiebilanzen (2019)
    18. Understanding future emissions from low-carbon power systems by integration of life-cycle assessment and integrated energy modelling Pehl et al (2017)

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