Wirkungsgrad der Energiewende: Energieeffizienz sinkt durch Sektorkopplung

Energieeffizienz soll die Energiewende retten. Leider steigt der Energieverbrauch aber durch die Sektorkopplung deutlich wegen schlechterer Wirkungsgrade.

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Immer wieder heißt es, dass der Energieverbrauch in Zukunft sinken soll, durch die vollständige Elektrifizierung der Energiewirtschaft.

Das Problem dabei ist, dass es durch die Elektrifizierung auch deutliche Verluste bei der Energieeffizienz gibt.

Einige Anwendungsbereiche lassen sich nämlich nicht direkt elektrifizieren, zum Beispiel Flugzeuge, Schiffe oder LKWs im Transportsektor.

Im Wärmesektor ist trotz direkter Elektrifizierung ein höherer Verbrauch zu erwarten. Bei der Prozesswärme sinkt der Wirkungsgrad nämlich deutlich.

Noch dazu steigen die Gesamtverluste durch saisonale Speicherung und die Verklappung der Überproduktion aus Wind- und Solarstrom.

Insgesamt steigt der Energieverbrauch deutlich in einem vollständig elektrifizierten System ohne jegliche fossile Brennstoffe.

Die Elektrifizierung macht die Energiewende also schwerer, nicht einfacher.

Ist der Anteil von Wind & Solar am Primärenergiemix aussagekräftig?

Primaerenergieverbrauch in Deutschland 2020 - Wirkungsgrad der Energiewende: Energieeffizienz sinkt durch Sektorkopplung

Das Hauptproblem des heutigen Standes der Energiewende ist, dass wir nach 20 Jahren immer noch ganz am Anfang stehen mit nur:

  • 3,5% Solar
  • 9,0% Wind

Das sind zusammen 12,5% Anteil an der Primärenergie. Und das war im Corona-Jahr 2020 mit niedrigerer Energienachfrage dank Lockdown. Aus den klimaschädlichen fossilen Brennstoffen Kohle, Gas, Öl sowie der Biomasse gewinnen wir nach wie vor 82% unserer Energie.

Wir wollen mit Wind und Solar aber bei 90% landen. Wenn wir so weitermachen, wie seit 2000, dauert es also noch bis zum Jahr 2144, bis wir mit der Energiewende fertig sind. Und wir können nicht weiter machen wie bisher, weil die Energiewende immer schwieriger und teurer wird. Die niedrig hängenden Äpfel sind schon geerntet.

Auf solche Kritik wird oft entgegnet, dass Effizienzsteigerungen die Energiewende retten werden. Von Energiewende -Befürwortern ist sogar von einer Halbierung des Primärenergieverbrauchs die Rede.

Tatsächlich steigt der Primärenergieverbrauch in Deutschland durch die Elektrifizierung aber auf etwa 170%. Der Gesamtwirkungsgrad verschlechtert sich also.

Gibt es Effizienzsteigerungen durch das Elektro-Auto?

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

“Ein Benzin-Auto hat einen Wirkungsgrad von nur 30% und ein Elektroauto hat einen Wirkungsgrad von 80%.” heißt es zum Beispiel.

Das stimmt zwar, aber hier wird der thermische Wirkungsgrad des Verbrenners mit dem elektrischen Wirkungsgrad des Elektromotors verglichen. Das ist unzulässig. Entweder man vergleicht jeweils den thermischen Wirkungsgrad oder jeweils den elektrischen, aber nicht Äpfel mit Birnen.

Das ist so als ob man einen Schwimmer gegen einen Läufer am Beckenrand antreten lässt. Selbst wenn der Schwimmer Michael Phelbs heißt, wird der Läufer gewinnen. Das heißt aber nicht, dass der Läufer schneller schwimmen kann.

Der thermische Wirkungsgrad eines Elektromotors liegt nur bei 31%, also vergleichbar mit dem Benzinmotor-Wirkungsgrad von 30%. Dieselmotoren haben mit 36% sogar etwas höhere thermische Wirkungsgrade als Benzinmotoren und Elektromotoren.

Wenn jetzt noch elektrische Verluste und die saisonale Stromspeicherung durch Power to Gas hinzukommen, sinkt der thermische Wirkungsgrad des E-Autos auf 30%. Durch Elektromobilität gibt es also keinen Effizienzgewinn. Im Gegenteil, der Primärenergieverbrauch steigt sogar leicht gegenüber einem 50/50-Mix aus Diesel und Benzin.

Gibt es Effizienzgewinne durch die Wärmepumpe?

Das zweite Beispiel zur Verteidigung der Energieeffizienz-Hypothese ist das der Wärmepumpe mit ihrer Jahresarbeitszahl von etwa 3. Das heißt eine Wärmepumpe kann aus einer kWh elektrisch rund 3 kWh thermisch gewinnen.

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

Das stimmt zwar, aber hier wird wieder der elektrische Wirkungsgrad der Wärmepumpe mit dem thermischen Wirkungsgrad der Gasheizung verglichen.

Der thermische Wirkungsgrad einer Wärmepumpe liegt bei 113%. Mit saisonaler Stromspeicherung sind es nur noch 108% Wirkungsgrad.

Ja, 108% Wirkungsgrad sind effizienter als 90% Wirkungsgrad. Aber mit einigen Prozentpunkten mehr Energieeffizienz bei Raumwärme und Warmwasser rettet man keine Energiewende.

In allen anderen Sektoren haben wir nämlich ordentliche Energieverluste durch die teilweise deutlich schlechteren Wirkungsgrade nach der vollständigen Elektrifizierung.

Schlechte Wirkungsgrade bei Transport, Prozesswärme & Saisonspeicher

Primaerenergie Energieeffizienz Elektrisierung Sankey Nutzenergie Endenergie - Wirkungsgrad der Energiewende: Energieeffizienz sinkt durch Sektorkopplung

Elektromotor und Wärmepumpe sind die beiden Musterbeispiele der Energiewende. Bewusst nicht erwähnt werden in solchen Betrachtungen deutlich schlechtere Elektrifizierungs-Wirkungsgrade bei anderen Anwendungen.

Der Primärenergieverbrauch durch Elektrifizierung steigt zum Beispiel auf:

  • 415% Flugverkehr (Synthfuel)
  • 367% Schiffsverkehr (Ammoniak)
  • 279% Frachtverkehr mit LKW (Wasserstoff)
  • 256% Saisonspeicher (Wasserstoff)
  • 249% Prozesswärme (Lichtbogenofen)

Über alle Bereiche der Sektorkopplung zusammen steigt der Energieverbrauch durch Elektrifizierung auf rund 170% der heutigen Primärenergie.

Das ist ein krasser Effizienzverlust durch die Elektrisierung. Mit unseren mageren Fortschritten bei der Energiewende müssen wir in Zukunft auch noch diesen erhöhten Verbrauch ausgleichen.

Prognosen zu sinkendem Energieverbrauch sind fragwürdig

Obwohl der Primärenergieverbrauch durch die Elektrifizierung steigt, gehen viele Energiewende-Studien von einem sinkenden Verbrauch aus.

Agora Energiewende zum Beispiel im Szenario “Klimaneutrales Deutschland 2045/2050” erwartet etwa eine Halbierung des heutigen Primärenergieverbrauchs!1

Um den heutigen Primärenergieverbrauch komplett zu elektrifizieren müsste man rund 2.395 TWh Elektrizität pro Jahr erzeugen. Agora Energiewende will aber die Netto-Stromerzeugung bis 2045 auf nur 962 TWh pro Jahr ausbauen. Dazu kommen Importe von 164 TWh Synthfuels und 184 TWh Wasserstoff. Durch diese Importe lassen sich rund 599 TWh Stromerzeugung vermeiden.

Für diese Stromerzeugungs-Bilanz von zusammen 1.561 TWh müssten wir den heutigen Energieverbrauch auf 65% senken. Das ginge aber vermutlich nicht ohne einen spürbaren Wohlstandsverlust und eine teilweise Deindustrialisierung Deutschlands.

Erschwerend wird es noch, wenn man die anfallende graue Energie berücksichtigt um das Energiesystem überhaupt erst komplett umzubauen und instand zu halten. Solarmodule importieren wir zwar, aber E-Autos, Wärmepumpen und Windräder sowie Energie-Infrastruktur wird auch in Deutschland gefertigt. (noch)

Das soll übrigens kein Bashing von Agora Energiewende sein. Alle anderen Studien zu Systemen mit 100% Erneuerbaren basieren auf ähnlich optimistischen Prognosen des Energieverbrauchs in einem vollständig elektrifizierten System – egal ob Fraunhofer, Dena oder Jülich.

Eignet sich die Primärenergie als Fortschrittsmesser der Energiewende?

Zurück zur ursprünglichen Frage: Lässt sich aus dem Anteil der Erzeuger am Primärenergieverbrauch der Fortschritt der Energiewende ablesen?

Wind und Solar kommen im Primärenergiemix zusammen nur auf 12,5 Prozentpunkte, sollen aber irgendwann einmal 90 Prozentpunkte liefern. Der Ausbau mit Wind und Solar wäre also nach Primärenergieanteil heute zu 14% fertig.

Wenn uns aber in Zukunft durch die Sektorkopplung auch noch eine Erhöhung des Primärenergieverbrauchs auf 170% ins Haus steht, dann muss auch diese Energie vollständig mit Wind und Solar erzeugt werden.

Wir sind also mit dem für die Energiewende nötigen Ausbau von Solar und Wind erst zu 8% fertig!

Wenn man zusätzlich die erhöhte Schwierigkeit der Sektorkopplung und der saisonalen Speicherung im Vergleich zum Stromsektor berücksichtigt, kann man die 14% auch gleich halbieren für eine realistische Fortschrittsanzeige.

Der Primärenergieverbrauch unterschätzt also die Herausforderung der Energiewende um einen Faktor von etwa 2. Eine besser geeignete “Fortschrittsanzeige” scheint die Endenergie zu sein. Die bleibt nach der Elektrifizierung auf ungefähr dem gleichen Niveau wie heute.

Das liegt aber vor allem daran, dass bei der Endenergie irreführenderweise Abwärmeverluste von Verbrennungsmotoren mitgezählt werden. Der Transportsektor bei der Endenergie wird also unverhältnismäßig aufgebläht und Fortschritte werden verzerrt.

Die Nutzenergie wäre wiederum ein perfekter Fortschrittsmesser. Sie wird aber in Deutschland meines Wissens nicht offiziell ausgewiesen – schon gar nicht anteilig nach Energiequelle. Die Endenergie wird in Deutschland zwar ausgewiesen, aber international nur selten.

An der Primärenergie als Fortschrittsanzeige führt also trotz ihrer Mängel kein Weg vorbei. Die großen Effizienzverluste durch Speicherung und Sektorkopplung stehen uns aber noch bevor.

Primärenergie Definition: Substitutionsprinzip oder Wirkungsgradprinzip?

Der grobe Fehler den thermischen Wirkungsgrad mit dem elektrischen Wirkungsgrad gleichzusetzen hat System. Es gibt sogar eine Berechnungsmethode für den Primärenergieverbrauch, die so vorgeht.

Beim sogenannten Wirkungsgradprinzip wird definiert, dass Strom aus Photovoltaik, Windkraft und Wasserkraft einen Wirkungsgrad von 100% hat. Das wäre also ein idealer elektrischer Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad von fossilen Brennstoffen, Biomasse und Kernkraft wird hingegen als 33% oder 35% definiert. Das entspricht ungefähr dem thermischen Wirkungsgrad der Erzeugung von Strom aus Wärme.2

Nach dieser Methode steigt also der Primärenergieverbrauch auf das Dreifache, wenn ich eine kWh Elektrizität aus Wasserkraft durch eine kWh Elektrizität aus Biomasse ersetze.

Dieses Ergebnis ist natürlich absurd. Eine durch Wasserkraft erzeugte Kilowattstunde Elektrizität unterscheidet sich nicht von einer durch Biogas oder jede andere Energiequelle erzeugten Kilowattstunde Elektrizität. Strom ist Strom, der hat keine Farbe.

Durch diese Sonderbehandlung von Wasserkraft, Windkraft und Photovoltaik kommt es zu Rechenartefakten. Es sieht dann so aus, als ob der Primärenergiebedarf durch den Zubau von Wind, Solar und Wasser sinken würde. Das hat aber mit Energieeffizienz nichts zu tun. Das ist reine Definitionssache.

Um solche Rechenartefakte zu vermeiden, wird in seriösen Studien das Substitutionsprinzip verwendet. Auch die oben erwähnte Studie von Agora Energiewende macht das. Hier wird der Primärenergieverbrauch jeder Art elektrischer Energie gleich bewertet mit dem gleichen thermischen Wirkungsgrad.

Es macht schließlich keinen Unterschied, aus welcher Energiequelle eine Kilowattstunde Strom stammt. Das gilt besonders dann, wenn man Kennzahlen wie CO2-Emissionen, Sicherheit oder Kosten sowieso auf eine kWh elektrisch normt. Die Abwärme ist dabei schon berücksichtigt.

Jede Quelle, die das Substitutionsprinzip nicht verwendet, hat ein Plausibilitätsproblem. Das Wirkungsgradprinzip wird übrigens auch von Erneuerbaren-Gegnern gerne verwendet, weil es den Beitrag von Wind, Solar und Wasser künstlich klein rechnet.

Der Primärenergiefaktor/Abwärmefaktor basiert auf einer Carnot-Schwelle

Bei jeder Umwandlung von thermischer in elektromechanische Energie spricht man von einer Carnot-Schwelle. Es gibt hier Verluste mit dem Carnot-Wirkungsgrad als Begrenzung.

Der Carnot-Wirkungsgrad hängt von der Temperatur im Vergleich zur Umgebungstemperatur ab:3

  • 21% bei 100° Wärmesenke und 200° Wärmequelle
  • 66% bei 100° Wärmesenke und 800° Wärmequelle

Der Carnot-Wirkungsgrad kann nie überschritten werden und wird bei Umwandlungsprozessen in der Praxis nicht einmal annähernd erreicht. Es sind also weiterhin kleine Verbesserungen der Energieeffizienz Richtung Carnot-Wirkungsgrad möglich, aber keine Quantensprünge.

Wir können also die Energieeffizienz in Zukunft durch Modernisierung verbessern, wie das ja auch schon in der Vergangenheit passiert ist. Es wäre sogar denkbar, dass durch Modernisierung die Verluste durch Sektorkopplung und Speicherung einigermaßen ausgeglichen werden können.

Aus dem Carnot-Kreisprozess ergibt sich umgekehrt der sehr gute Wirkungsgrad von Wärmepumpen bei der Rückwandlung von elektromechanischer Energie in thermische Energie.

Der Carnot-Wirkungsgrad ist also der Grund, warum bei der Primärenergiebetrachtung ein Umrechnungsfaktor zwischen thermischer Energie und mechanischer bzw. elektrischer Energie Sinn macht und immer Sinn machen wird. Die Höhe dieses Primärenergiefaktors ändert sich langsam über die Zeit durch Modernisierung.

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 über den Daumen gepeilt.

Wir haben ganz grob gesagt folgende durchschnittliche thermische Wirkungsgrade:

  • 35% Wirkungsgrad Stromsektor
  • 35% Wirkungsgrad Transportsektor
  • 85% Wirkungsgrad Wärmesektor

Durch eine vollständige Elektrifizierung sinken die durchschnittlichen thermischen Wirkungsgrade:

  • 35% Wirkungsgrad Stromsektor
  • 15% Wirkungsgrad Transportsektor
  • 55% Wirkungsgrad Wärmesektor

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 des Artikels folgt die exakte Berechnung mit dem gleichen Ergebnis.

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 4

  • 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 – elektromechanisch) 5

  • 300% Wärmepumpe mit Elektrizität 6
  • 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 in dem Report mit einem Primärenergiefaktor von 2,4 statt 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.

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 Verklappung stammen wieder aus dem Paper der Hertie School Berlin:

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

Diese Werte zu Speicherung und Verklappung sind optimistisch, da sie nur den heutigen Stromverbrauch berücksichtigen. Mit fortschreitender Sektorkopplung steigen die Anteile von Solar und Wind gegenüber Wasserkraft, Biomasse und Pumpspeichern, wodurch mehr verklappt werden muss, sowie mit Batterien und P2G gespeichert werden muss.

Quellen

  1. Klimaneutrales Deutschland 2045 Agora Energiewende (2021)
  2. Global Energy Outlook Comparison Methods Newell & Raimi (2020)
  3. Carnot-Wirkungsgrad Geogebra (2021)
  4. Electrofuels? Yes, we can … if we’re efficient Transport and Environment (2020)
  5. Methodology Statistical Review BP (2021)
  6. Energieeffizienz elektrisch angetriebener Wärmepumpen. Praxisergebnisse aus dem Monitoring Fraunhofer (2017)
  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)

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