Sektorkopplung & Energieeffizienz: Durch die Energiewende steigt der Energieverbrauch

Mehr Energieeffizienz soll die Energiewende retten. Gibt es “magische” Verbrauchssenkungen durch Sektorkopplung wirklich?

Gibt es Effizienzsteigerungen durch das Elektro-Auto?

Um Effizienzsteigerungen zu begründen, wird gerne das Elektro-Auto als Musterbeispiel für die komplette Elektrifizierung angeführt, siehe z.B.:

• Graslutscher: Wo soll denn die ganze Energie herkommen?
• Energiewende Rocken: doppelt soviel Strom aber eine gigantischer Energieeinsparung
• Enertrag: Wirkungsgrade in der Mobilität
• TAZ Grünes Wachstum ist nicht möglich
• Wieso eigentlich Kampf um die Effizienz-Exzellenz
• Spiegel Kolumne Abschied vom Feuer

“Ein Benziner verbraucht 60 kWh und ein Elektroauto nur 20 kWh.”

heißt es zum Beispiel.

Das stimmt zwar, aber hier wird die thermische Energie des Verbrenners mit der elektrischen Energie des Elektromotors gleichgesetzt. Elektrische Energie ist aber schwerer zu erzeugen und ein Vielfaches so viel wert wie thermische Energie.

Stell dir vor, ein Freund behauptet fast drei mal so sparsam zu sein, weil er nur noch mit Fünfzigern statt mit Zwanzigern bezahlt. Er benötigt nur noch gut ein Drittel so viele Geldscheine. Aber die ausgegebene Geldsumme bleibt die gleiche.

Auch bei der Elektromobilität bleibt die verbrauchte Energiesumme etwa die gleiche, egal ob Verbrenner oder E-Auto. Elektrische Energie ist nämlich rund 2,5 mal so schwer zu erzeugen und entsprechend rund 2,5 mal so viel wert wie thermische.

Es verbleiben zwischen dem Faktor 3 beim E-Auto und dem Faktor 2,5 beim fossilen auto kleine Effizienzvorteile für das Elektroauto, die aber von der Saisonspeicherung und Überproduktion aufgefressen werden.

Gibt es Effizienzgewinne durch die Wärmepumpe?

Das zweite Effizienz-Musterbeispiel ist das der Wärmepumpe mit ihrer Jahresarbeitszahl von etwa 3 in der Praxis.¹

“Eine Wärmepumpe hat einen Wirkungsgrad von 300% und eine Gasheizung nur einen Wirkungsgrad von 90%.”

heißt es zum Beispiel.

Das stimmt zwar, aber hier wird wieder die hochwertige elektrische Energie der Wärmepumpe mit der einfach verfügbaren thermischen Energie der fossilen Heizung gleichgesetzt. Kilowattstunde_el ist nicht gleich Kilowattstunde_th.

An der Wärmepumpe lässt sich das Prinzip gut erklären:

1. Eine Wärmepumpe nimmt eine kWh elektrisch und erzeugt daraus drei kWh thermisch (bei JAZ 3). Dazu muss man die elektrische Energie zum Heizen nutzen, statt sie für andere Stromverbraucher im Netz zu lassen.
2. Ein Kohlekraftwerk nimmt drei kWh thermisch und erzeugt daraus eine kWh elektrisch (bei Wirkungsgrad 33%). Dazu muss man die Wärme in die Turbinenhalle zur Stromerzeugung schicken, statt sie zum Heizen per Fernwärme zu nutzen.

In beiden Fällen hast du die Wahl zwischen einer Kilowattstunde elektrisch oder drei Kilowattstunden thermisch. Das ist heute im größtenteils fossilen Energiesystem so und wird auch im vollständig elektrifizierten Energiesystem wieder so sein.

Das liegt am Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine bzw. umgekehrt am Wirkungsgrad einer Kraftwärmemaschine. Diese Wirkungsgrade werden bestimmt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Mit physikalischen Gesetzen lässt sich nicht verhandeln.

Energieverbrauch steigt durch Transport, Prozesswärme & Saisonspeicher

Es gibt also keine “magischen” Energieeinsparungen durch Sektorkopplung. Im Gegenteil, bei anderen Anwendungen als Elektromotor und Wärmepumpe nehmen wir teilweise hohe Energieverluste durch die vollständige Elektrifizierung in Kauf.

Der Primärenergieverbrauch durch Elektrifizierung steigt rund:

• 4x beim Flugverkehr (Synthfuel)
• 4x beim Schiffsverkehr (Ammoniak)
• 3x beim Frachtverkehr mit LKW (Wasserstoff)
• 3x bei Saisonspeichern (Wasserstoff)
• 3x bei der Prozesswärme (Lichtbogenofen)

Über alle Bereiche der Sektorkopplung zusammen steigt der Primärenergieverbrauch durch Elektrifizierung auf rund 170% des heutigen Niveaus. Die genaue Berechnung findet sich am Ende des Artikels.

Das ist aber nur der Energieverbrauch, wenn es zu keinen zusätzlichen Effizienzsteigerungen kommt. Berücksichtigen müssen wir Effizienzvorteile, zum Beispiel durch Modernisierung.

Energieverbrauch senken: Energieeffizienz vs Energiesuffizienz

Weil sich durch eine vollständige Elektrifizierung vieles ändert, sind andererseits signifikante Effizienzsteigerungen möglich.

Die Energieeffizienz lässt sich zum Beispiel steigern durch:

• Weniger Verluste
  z.B. Haussanierung mit besserer Dämmung oder Nutzung von Abwärme
• Effizientere Verbraucher
  z.B. ein neuer Kühlschrank oder ein neuer Stahlofen
• Effizienteres Verhalten
  z.B. Wäscheständer statt Wäschetrockner oder ÖPNV statt Auto

Diese Effizienz-Maßnahmen sind aber nicht geschenkt, sondern gehen mit Verhaltensänderungen oder Investitionen einher.

Ebenfalls kann der Energieverbrauch durch Genügsamkeit gesenkt werden, z.B. indem man im Winter weniger heizt oder an der Ostsee Urlaub macht statt in Thailand. Das hat aber mit Energieeffizienz nichts zu tun. Verzicht ist Energiesuffizienz.

Die Gefahr bei steigender Energieeffizienz ist allerdings ein Rebound-Effekt. Während die Stromverbrauchsintensität in kWh pro € BIP real von 2000 bis 2019 um 21% gesunken ist, ist sie in kWh pro Kopf nur um 3% gesunken. Strom wird deutlich effizienter eingesetzt, aber wir verbrauchen immer noch fast die gleiche Menge. Das nennt man Jevons Paradoxon.

1,1% Stromeffizienz-Steigerung durch Modernisierung

Die Energieeffizienz im Stromsektor steigt seit Jahren. Von 2000 bis 2019 ist die Stromverbrauchsintensität in kWh pro € BIP real auf 79% gesunken. Das entspricht einer Effizienssteigerung von 1,1% pro Jahr. ² Wenn dieser Trend fortgeführt wird, wird der Energieverbrauch bis 2050 um rund 39% sinken (bis dahin alles Strom).

Bei 1,1% Effizienzsteigerung pro Jahr würde der Anstieg auf 170% des Primärenergieverbrauchs durch vollständige Elektrifizierung also fast komplett ausgeglichen.

Aber wie gesagt, diese Modernisierung ist nicht geschenkt. Eine vollständige Elektrifizierung erfordert signifikante Investitionen, die sich nicht selbst amortisieren, das sogenannte Green Premium.

Diese höheren Kosten führen zur Inflation in bestimmten Sektoren. Um eine sogenannte “Greenflation” zu vermeiden, will die Ampel-Regierung Differenzkosten für Umrüstungen durch CfDs aus Steuergeldern subventionieren. ³

Energiewende-Prognosen zu gleichbleibendem Energieverbrauch

Energiewende-Studien gehen trotz vollständiger Elektrifizierung von einem nur leicht steigendem Primärenergieverbrauch durch Modernisierung gegenüber heute aus. Es gibt wohl keine seriöse Quelle, die “magische” Effizienzsteigerungen erwartet.

Agora Energiewende im Szenario “Klimaneutrales Deutschland 2045/2050” zum Beispiel erwartet etwa 14.000 PJ Primärenergieverbrauch, wenn man Wasserstoff- und E-Fuel-Importe mit einberechnet. ⁴ Das ist nur etwas mehr als das Niveau des Primärenergieverbrauchs vor Corona von rund 13.000 PJ.

Agora Energiewende geht von einer Netto-Stromerzeugung von 962 TWh pro Jahr aus. Dazu kommen Importe von 164 TWh Synthfuels und 184 TWh Wasserstoff. Diese Importe entsprechen unter Berücksichtigung der Wirkungsgrade weiteren rund 599 TWh Stromerzeugung. Es geht nicht darum ob diese Importe möglich sind oder nicht. Ohne Berücksichtigung der Importe wird aber die Primärenergiebilanz verfälscht.

Zusammen beträgt die für die Vollversorgung von Deutschland nötige Stromerzeugung laut Agora also 1.561 TWh. Das ist äquivalent zu 14.049 PJ Primärenergie bei 40% fossilem Wirkungsgrad.

Ohne Modernisierung müssten wir in einem voll elektrifizierten System hingegen hingegen rund 2.523 TWh Elektrizität pro Jahr erzeugen. Agora setzt also eine Effizienzsteigerung von 39% voraus, oder 1,1% pro Jahr bis 2050.

Andere Studien zu Systemen mit 100% Erneuerbaren kommen zu ähnlichen Prognosen des Energieverbrauchs in einem vollständig elektrifizierten System – egal ob Fraunhofer, EWG oder DIW.

Zum Nachrechnen: Warum steigt der Energieverbrauch durch Elektrifizierung?

Du willst wissen wie ich auf eine Steigerung des Primärenergieverbrauchs von 170% komme? Hier ist die Berechnung verständlich vereinfacht.

Wir haben ganz grob gesagt mit fossilen Brennstoffen folgende durchschnittliche Gesamtwirkungsgrade:

• 35% Gesamtwirkungsgrad Stromsektor
• 35% Gesamtwirkungsgrad Transportsektor
• 85% Gesamtwirkungsgrad Wärmesektor

Durch eine vollständige Elektrifizierung sinken die durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrade folgendermaßen:

• 35% Gesamtwirkungsgrad Stromsektor (same same)
• 15% Gesamtwirkungsgrad Transportsektor (insbesondere durch Schiffe & Flugzeuge
• 55% Gesamtwirkungsgrad Wärmesektor (insbesondere durch Prozesswärme)

Gesamtwirkungsgrad meint in diesem Artikel die Multiplikation einzelner Wirkungsgrade ausgehend von thermischer Energie. Alternativ könnten wir auch elektrische Gesamtwirkungsgrade verwenden, also ausgehend von elektrischer Energie. Dadurch ändert sich nichts, außer dass die Zahlen auf beiden Seiten der Gleichung um den gleichen Faktor kleiner werden.

Wir dürfen aber nicht den Anfängerfehler machen und beim fossilen Szenario von thermischer Energie ausgehen und beim elektrifizierten Szenario von elektrischer Energie oder umgekehrt. Kilowattstunde_el ist nicht gleich Kilowattstunde_th.

Wenn du jetzt für jeden Sektor einen Dreisatz aufstellst, kommst du auf folgenden Energieverbrauch im Vergleich zu vorher (100%):

• 100% Energieverbrauch Stromsektor
• 233% Energieverbrauch Transportsektor
• 170% Energieverbrauch Wärmesektor

Sagen wir zur Vereinfachung, dass jeder Sektor ungefähr einen Anteil von einem Drittel am Primärenergieverbrauch ausmacht. (Das stimmt für Deutschland ungefähr)

Im Schnitt steigt der Primärenergieverbrauch also auf 168% des heutigen Wertes durch Elektrifizierung.

Pi mal Daumen reicht dir nicht? Im Rest dieses Artikels folgt die exakte Berechnung mit praxisnahen Annahmen, die zu dem gleichen Ergebnis führt.

Thermischer Wirkungsgrad: Dieselmotor, Elektromotor, Kohlekraftwerk, Elektrolyse

Alle Annahmen sowie der Rechenweg für Endenergie, Nutzenergie und Primärenergie sind in diesem Google Docs transparent zusammengefasst. Es werden in der Berechnung neben den unten angegebenen reinen Wirkungsgraden zusätzlich auch Transport- und Speicherverluste berücksichtigt.

Annahmen zum thermischen Wirkungsgrad von fossilen Brennstoffen:

Die folgenden Wirkungsgrade stammen wenn nicht anders angegeben aus der sehr hilfreichen Aufstellung von Transport and Environment ⁵

• 90% Heizung & Prozesswärme mit Kohle, Öl & Gas
• 51% Schiff mit Schiffsdiesel
• 42% LKW mit Diesel
• 39% Flugzeug mit Kerosin
• 33% PKW, Bahn & Nutzfahrzeuge mit 50% Diesel/50% Benzin

Annahmen zum elektrischen Wirkungsgrad von Verbrauchern:

Als Umrechnungsfaktor zwischen thermischen und elektrischen Wirkungsgrad wird 2,5 verwendet. (entspricht 40% Wirkungsgrad thermisch – elektrisch/mechanisch) ⁶

• 300% Wärmepumpe mit Elektrizität
• 90% Lichtbogenofen mit Elektrizität ⁷
• 78% PKW & Bahn mit Elektrizität
• 36% LKW mit Wasserstoff
• 33% Schiff mit Ammoniak
• 22% Flugzeug mit Synthfuel

Die Verwendung von Wasserstoff für LKWs und zur saisonalen Speicherung ist optimistisch. Vermutlich muss man hier wegen der Probleme bei Speicherung und Transport von Wasserstoff ebenfalls auf Ammoniak oder Methanol setzen mit rund einem Viertel niedrigerem Wirkungsgrad.

Annahmen zu Transport, Speicherung:

Die Wirkungsgrade zur Speicherung stammen aus einer aktuellen Studie für die deutsche Energiewirtschaft der Hertie School Berlin. ⁸

• 95% Transport- und Umwandlungsverluste Elektrizität
• 90% Batteriespeicher
• 80% Pumpspeicher
• 39% P2G2P Saisonspeicher mit Wasserstoff

Sektorkopplung: Primärenergie-Anteil von Strom, Verkehr, Wärme & Prozesswärme

Neben dem Wirkungsgrad muss man natürlich die Anteile der jeweiligen Energieverbraucher am Primärenergiemix kennen. Diese stammen aus einer Übersicht des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Energieeffizienz in Zahlen BMWI (2019).

Der Verkehrssektor ist beim BMWI leider nicht einzeln aufgeschlüsselt. Die Anteile im Verkehrssektor sind deshalb der Berichterstattung über CO2-Emissionen bei Eurostat entnommen. Für den internationalen Schiffsverkehr wurde der deutsche Anteil am Schiffsverkehr der EU berücksichtigt, wegen der in der Praxis stattfindenden Bunkerung in Rotterdam/Antwerpen statt in Hamburg. ⁹

• 34% Elektrizität
• 22% Raumwärme, Warmwasser
• 14% Prozesswärme
• 12% PKW, Bahn, Nutz-KFZ
• 8% nicht-energetischer Verbrauch
• 5% Frachtverkehr LKW
• 3% Schifffahrt
• 3% Flugverkehr

Achtung, das BMWI rechnet bei der Primärenergie mit einem Umrechnungsfaktor von 2,4 statt den geläufigeren 2,5. Das macht aber keinen signifikanten Unterschied.

Vereinfachend wird davon ausgegangen, dass unsere heutige Energiewirtschaft noch zu 100% bio-fossil ist, obwohl sie das nur zu 82% ist. Im Stromsektor ist das egal und die geringen Mengen bereits vorhandener Wärmepumpen und Elektroautos sollten das Ergebnis kaum verzerren. Auch KWK- und GuD-Kraftwerke mit besseren Wirkungsgraden sind für eine grobe Abschätzung unbedeutend.

Beim nicht-energetischen Verbrauch wird davon ausgegangen, dass der weiterhin aus fossilen Quellen stammt. Sollten Kunststoffe, Dünger und Reduktionsmittel in Zukunft ebenfalls klimaneutral gewonnen werden, muss zusätzlich dieser recht hohe Energiebedarf bedient werden.

Die Annahmen für Speicherung und Abregelung stammen wieder aus dem Paper der Hertie School Berlin:

• 12% Abregelung Überproduktion an Gesamterzeugung
• 8% Saisonale Speicherung P2G2P an Gesamterzeugung
• 3% Pufferung Pumpspeicher an Gesamterzeugung
• 1% Pufferung Batterie an Gesamterzeugung

Diese Werte zu Speicherung und Überproduktion sind nicht ganz zutreffend, da sie nur den heutigen Stromverbrauch berücksichtigen. Mit fortschreitender Sektorkopplung steigen die Anteile von Solar und Wind gegenüber Wasserkraft, Biomasse und Pumpspeichern, wodurch mehr abgeregelt werden muss, sowie mit Batterien und P2G gespeichert werden muss. Andererseits haben wir durch die Sektorkopplung mehr flexible Lasten. Im Großen und Ganzen sollten sich diese Effekte etwa ausgleichen.

Wie gesagt, schau gerne in das diesen Artikel begleitende Google Docs um die Berechnung nachvollziehen zu können. Du berechnest zuerst die Nutzenergie aufgrund der heutigen Primärenergie und den heutigen Wirkungsgraden. (oben nach rechts) Dann berechnest du die künftige Primärenergie anhand der Nutzenergie und den Wirkungsgraden in einem elektrifizierten System. (unten nach links)

Updates:

• 13.09.2021: Erstmals veröffentlicht.
• 12.12.2021: Update mit weiteren Erklärungen zur Primärenergie
• 25.02.2021: Komplette Überarbeitung wegen weitreichenden Verständnisproblemen bei Lesern insbesondere in punkto Primärenergie und Gesamtwirkungsgrad. Primärenergie wird nur noch am Rande betrachtet. Wirkungsgrade werden kaum noch erwähnt. Kommentare sind zurückgesetzt, da eigentlich alle Kommentare von diesen Verständnisproblemen handeln.
  Falsche Unterstellung Agora Energiewende würde sinkenden Primärenergieverbrauch prognostizieren, obwohl laut Szenario “Klimaneutrales Deutschland” der Energieverbrauch leicht steigt.

1. Energieeffizienz elektrisch angetriebener Wärmepumpen. Praxisergebnisse aus dem Monitoring Fraunhofer (2017)
2. Effizienzindikatoren AG Energiebilanzen (2020)
3. Koalitionsvertrag zwischen SPD, Bündnis 90/Die Grünen und FDP Bundesregierung (2021)
4. Klimaneutrales Deutschland 2045 Agora Energiewende (2021)
5. Electrofuels? Yes, we can … if we’re efficient Transport and Environment (2020)
6. Methodology Statistical Review BP (2021)
7. Energieeffizienz bei Lichtbogenöfen BD Guss (2005)
8. Storage requirements in a 100% renewable electricity system: Extreme events and inter-annual variability Ruhnau & Qvist (2021)
9. Greenhouse gas emissions by source sector Eurostat (2021)