Marginalstrom: Wie sauber ist der deutsche Strommix?

Deutschland ist EU-Meister in der fossilen Stromerzeugung. Ist der deutsche Strommix trotzdem sauber genug für E-Autos und Wärmepumpen?

10 Marginalbier bitte: Beispiel für Grenzkosten

Stell dir vor, ein neuer Club eröffnet in der Stadt mit einem unschlagbaren Lockangebot:

5 Freibier im Eintritt inklusive!

Du bist durstig und trinkst nach den 5 Freibier noch 5 weitere Bier für jeweils 6€.

Es ist bald 2 Uhr nachts, aber eins geht noch! Was kostet das elfte Bier?

• 3€: Du hast bisher im Schnitt 3€ pro Bier bezahlt
• 6€: das elfte Bier kostet den Normalpreis, weil kein Freibier mehr übrig ist

Zugegeben, mit 10 Bier im Blut bist du dir nicht mehr ganz so sicher, welcher Preis stimmt.

Während du noch darüber grübelst, verlangt der Barkeeper 6€ von dir. Stimmt, jedes Bier nach den ersten 5 kostet 6€.

In Wirtschaftsdeutsch sagt man, die Grenzkosten steigen beim 6. Bier von 0€ auf 6€.

Was für Bier gilt, gilt auch für das Stomnetz.

Marginalstrom: saubere Energie statt Freibier

Stell dir vor, es ist gerade 50% sauberer Strom im Netz, so wie zum Beispiel am 16.8.2024 um 16:00 Uhr.

Es bekommen quasi 50% der Stromverbraucher saubere Energie mit 50 gCO2/kWh und 50% der Stromverbraucher fossile Energie mit 750 gCO2/kWh.

Die CO2-Intensität des gesamten deutschen Stromverbrauchs ist im Durchschnitt also bei 400 gCO2/kWh.

Wie CO2-intensiv ist jede Kilowattstunde an zusätzlichem Strom, wenn sich der Stromverbrauch um 10% erhöht?

• 400g CO2/kWh: damit wurde der bisherige Verbrauch im Schnitt gedeckt
• 750g CO2/kWh: der zusätzliche Verbrauch wird fossil gedeckt, weil keine saubere Energie mehr übrig ist

Wieder ist die 2. Antwort richtig, mit der gleichen Begründung wie im Freibier-Club.

So wie die 5 Freibier nicht für den kompletten Durst reichen, reichen auch 50% saubere Energie nicht für 110% Stromverbrauch.

Für jedes weitere Bier im Beispiel musst du den Normalpreis zahlen und für jede weitere Kilowattstunde die fossile CO2-Intensität bilanzieren.

Doppelzählung: Durchschnittsstrom bei Verbrauchsänderung

Ökonomen nennen dieses Prinzip Grenzkosten oder Marginalkosten in Abgrenzung zu den Durchschnittskosten.

Bei einer Verbrauchserhöhung musst du immer die gleiche Frage stellen:

• Was kostet die nächste Einheit? (Grenzkosten)

Du fragst nicht:

• Was haben alle bisherigen Einheiten gekostet? (Durchschnittskosten)

Wenn du die Durchschnittskosten trotzdem ansetzt, dann setzt du voraus, dass es mehr günstige Erzeugungskapazität gibt. Die gibt es aber nicht.

Die günstigen Erzeuger sind nämlich im Marktgleichgewicht als Erstes erschöpft. Für zusätzlichen Bedarf stehen nur teurere Erzeuger zur Verfügung, die noch nicht zum Zug kamen.

Auch im Strommarkt sind die sauberen Erzeuger dank Einspeisevorrang als Erstes erschöpft. Für zusätzlichen Bedarf ist dann keine grüne Energie mehr übrig, siehe Schaubild oben.

Wenn du also die durchschnittliche CO2-Intensität ansetzt, dann zählst du bereits bilanzierte saubere Energie doppelt.

Saubere Energie kann heute und in absehbarer Zukunft in den meisten Stunden des Jahres nur einen Teil des Bedarfs decken.

Noch einfacher? Die lecke Badewanne

Bevor wir zu den Marginalstrom-Zahlen kommen, hier eine zweite Analogie, falls dich das Freibier nicht überzeugt hat.

Stell dir vor, das Stromnetz ist wie eine lecke Badewanne, die nicht leer laufen soll, aber auch nicht überlaufen soll.

Jeder weitere elektrische Verbraucher wie eAuto oder Wärmepumpe schlägt ein weiteres Leck und erhöht den Ablauf.

Der Zulauf durch Erneuerbare ist in den meisten Stunden im Jahr bereits voll aufgedreht, denn die haben Einspeisevorrang.

Um den neuen Ablauf zu decken musst du also die fossile Energie aufdrehen.

Diese Analogie stammt von Andreas Luczak, Professor für Regenerative Energien aus einem Youtube-Interview bei Tim Gabel.

Marginalstrom CO2-Intensität: Wie sauber ist deutscher Strom?

Die CO2-Intensitäten 750 gCO2/kWh und 50 gCO2/kWh im obigen Beispiel sind aus der Luft gegriffen, nicht anders als der Bierpreis von 6€.

Aktuelle Literaturwerte für den Emissionsfaktor des Marginalstroms sind aber tatsächlich um die 800 gCO2/kWh angesiedelt, z.B.:

• 704 gCO2/kWh: Emissionsvermeidung AKW Streckbetrieb 2023¹²
• 775 gCO2/kWh: E-Auto Ladestrom je nach Bezugsjahr 2017-2022³
• 781 gCO2/kWh: Emissionsvermeidung verschiedener Erneuerbarer Energien 2013-2021⁴
• 786 gCO2/kWh: Prognose Marginalstrommix für 2025 ⁵
• 795 gCO2/kWh: H2-Erzeugungsmix Netzbezug ⁶
• 1.038 gCO2/kWh: Emissionsvermeidung AKW Laufzeitverlängerung 2021⁷⁸

Zum Vergleich: Der durchschnittliche CO2-Emissionsfaktor für Deutschlands Stromsektor lag in 2023 bei genau 400 gCO2/kWh und in den Vorjahren zwischen 400 und 500 gCO2/kWh.⁹

Literatur-Werte für die deutsche Marginalstrom-CO2-Intensität sind von der Größenordnung also rund doppelt so hoch, wie die für die Durchschnittsstrom-CO2-Intensität.

Marginalstrom in Zukunft: Wann wird Deutschlands Strom sauber?

Aber es gibt doch enorme finanziellen Anstrengungen und Subventionen um Erneuerbaren in den nächsten Jahrzehnten auszubauen. Wird der Marginalstrom also schon bald sauberer?

Ja, schon 2030 dürfte es bei aktuellen Ausbauzielen deutlich mehr Abregelung von Wind und Solar geben und damit einen besseren Marginalstrommix.

Für 2040 dürfte der bis dahin geplante Kohleausstieg den Marginalstrommix nochmals sauberer machen. Das dreckigste Grenzkraftwerk ist dann eine Gasturbine.

Der Marginalstrom wird also in Zukunft sauberer, aber es dauert eben einige Jahrzehnte. Hier sind die Zahlen aus einer Prognose des deutschen Marginalstrommix bis 2050¹⁰:

• 2015 : 897 gCO2/kWh
• 2020 : 853 gCO2/kWh
• 2025 : 786 gCO2/kWh
• 2030 : 643 gCO2/kWh
• 2035 : 628 gCO2/kWh
• 2040 : 528 gCO2/kWh
• 2045 : 488 gCO2/kWh
• 2050 : 425 gCO2/kWh

Laut dieser Analyse wird der deutsche Marginalstrommix erst im Jahr 2050 so klimafreundlich sein, wie die Zahlen mit denen E-Auto-Freunde schon für 2020 rechnen!

Und das sind die Zahlen aus dem „Climate-Action-Plan“-Szenario der Studie. Es werden dabei 95% Treibhausgasreduktion bis 2050 modelliert. Das ist eine extrem optimistische Zielsetzung und es ist unsicher, ob es so kommt.

Das ist übrigens die einzige solche Modellierung des zukünftigen deutschen Marginalstrommix, die ich gefunden habe. Marginalstrom-Prognosen scheinen ein überraschend wenig erforschtes Feld zu sein.

5 Beispiele: Marginalstrom vs Durchschnittsstrom

Die Klimafreundlichkeit einiger Alltags-Verbraucher bei richtiger Bilanzierung der Verbrauchsänderung mit Marginalstrom:

(CO2-Emissionen im Betrieb nach Ampelfarben
grün: besonders klimafreundlich , rot: besonders klimaschädlich )

Mit Marginalstrom ist die LED der einzige elektrische Verbraucher, der signifikant klimafreundlicher ist als die fossile Alternative. Selbst ein Kohle-Bügeleisen aus dem vorletzten Jahrhundert ist nur unwesentlich klimaschädlicher als ein modernes Elektro-Bügeleisen mit Marginalstrom!

Hier sind die gleichen Beispiele bei falscher Bilanzierung der Verbrauchsänderung mit Durchschnitssstrom:

Bei falscher Bilanzierung mit Durchschnittsstrom stehen plötzlich alle elektrischen Verbraucher besser da als ihre fossile Alternative.

In der Energiewende-Debatte werden vor allem Wärmepumpen und E-Autos mit solchen falschen Klima-Bilanzen schöngerechnet.

Fazit: CO2-Emissionen werden oft schöngerechnet

Wie das Freibier-Beispiel zeigt, sind Grenzkosten sehr einfach zu verstehen.

Wenn du den Freibier-Club nachvollziehen kannst, durchblickst du die Bilanzierung von Zusatzstrom bereits besser als die allermeisten Menschen.

Durchschnittsstrom ist für Jahresbilanzen geeignet, aber nicht um Verbrauchsänderungen durch Wärmepumpen, E-Autos und andere Verbraucher zu erfassen.

Das Bilanzieren von Verbrauchsänderungen mit Durchschnittsstrom wird als unwissenschaftlich gesehen, wie in diesem offenen Brief mit 500+ Unterzeichnern aus Wissenschaft und Forschung.

Die Marginalstrom-Bilanzierung von Verbrauchsänderungen ist ein weitreichender wissenschaftlicher Konsens.

Marginalstrom ist etwa doppelt so dreckig wie Durchschnittsstrom. Das ist ein großer Unterschied in einer Debatte, in der sonst jedes Gramm CO2 zählt.

Tech for Future plädiert auch hier für ehrliche Zahlen und weniger Schönrechnen in der Energiewende-Diskussion.

Die falsche Bilanzierung von Verbrauchsänderungen mit Durchschnittsstrom führt zu Fehlanreizen und Ineffizienzen. Für den Klimaschutz ist das ein Bärendienst.

1. Mythos: Verbraucher-Diskriminierung mit Marginalstrom?

Der wohl hartnäckigste Marginalstrom-Mythos ist die Unterstellung einer Verbraucher-Diskriminierung:

„Es ist unfair einigen Verbrauchern Marginalstrom zuzuweisen, aber anderen nicht.“

Tatsächlich „erhält“ kein einziger Verbraucher Marginalstrom. Der Marginalstrommix wird Verbrauchsänderungen zugewiesen.

Das Grenzkraftwerk „weiß“ schließlich nicht, welcher Verbraucher zusätzlich ans Netz geht oder vom Netz getrennt wird.

Es spielt auch keine Rolle, wie „alt“ ein Verbraucher ist oder vor wie langer Zeit er zuletzt an- oder ausgeschaltet wurde.

Auch die Reihenfolge, in der Verbraucher in der Vergangenheit zugeschaltet wurden, interessiert nicht. Das Netz hat kein „Gedächtnis“.

Jede Änderung im Stromverbrauch wird gleich behandelt. Und alle Verbraucher werden gleich behandelt, egal ob E-Herd oder E-Auto.

2. Mythos: Marginalstrom ist 100% (Braun-)Kohlestrom

Wenn die Bilanzierung mit Marginalstrom angesprochen wird, fällt oft der Kohle-Strohmann:

Es ist absurd Marginalstrom immer mit dem dreckigsten Braunkohlekraftwerk zu bilanzieren.

Richtig und das fordert auch niemand. Braunkohle ist nur ein Teil des Marginalstrommixes und dominiert nur in einigen Stunden im Jahr.

Der Marginalstrommix enthält über ein Jahr Erdgas, Braun- und Steinkohle, aber auch Wind- & Solarstrom aus der Abregelungsmenge.

Braunkohlestrom hat eine CO2-Intensität von 1200 gCO2/kWh, der Jahres-Marginalstrommix liegt hingegen bei rund 800 gCO2/kWh.

Zu Zeitpunkten zu denen abgeregelt wird, ist der Marginalstrommix sogar sauberer als der Durchschnittsstrommix.

Klimaanlagen nutzen zum Beispiel in unseren Breiten hauptsächlich Ökostrom. An heißen Sommermittagen, wenn die Klimaanlage läuft, wird Solarstrom eh abgeregelt.

4 weitere Mythen zum Marginalstrommix

Der Youtuber Gewaltig Nachhaltig hat weitere Marginalstrom-Mythen zusammengetragen:

1. Eine eigene Solaranlage umgeht den Marginalstrom
   Nein. Die Solaranlage hat den größten Klimaschutz-Effekt, wenn sie Marginalstrom aus dem Netz verdrängt. Dieser entgangene Nutzen muss gegengerechnet werden. (Opportunitätskosten)
2. Eine Inselanlage umgeht den Marginalstrom
   Nein. Bei einer Inselanlage bezieht man zwar garantiert nur aus lokaler Erzeugung. Es wäre aber klimafreundlicher sie einfach anzuschließen. (Opportunitätskosten)
3. Die Jahres-Abregelung muss man bilanziell gegenrechnen
   Nein. Die Jahres-Abregelung von Wind und Solar kann nur in kleinen Mengen genutzt werden. Die verwendbare Abregelungsmenge ist Teil des Marginalstrommix.
4. Auch fossile Brennstoffe müssen marginal bilanziert werden
   Jein. Auch beim Erdgas für Heizungen und beim Erdöl für Verbrenner muss natürlich die marginale Quelle verwendet werden. Der Effekt ist hier aber deutlich kleiner.

Marginalöl ist wohl bei geringen Abnahmeänderungen etwa 125% so klimaschädlich wie Durchschnittsöl, wenn man von einem Kartelverhalten (OPEC) ausgeht.¹¹

Auch Marginalgas in Form von LNG-Gas ist rund 120%-130% so klimaschädlich wie das hauptsächlich in Deutschland bezogene Pipelinegas aus Norwegen.¹²

Der deutsche Marginalstrom ist allerdings rund 200% so klimaschädlich wie der Durchschnittsstrom. Bei Elektrizität ist der Marginaleffekt also um den Faktor 4 größer als bei Erdöl und Erdgas.

Es gibt noch zig weitere Mythen zum Marginalstrom. Aber die allermeisten davon lassen sich schon mit dem Freibier-Beispiel entkräften.

Danke an den Twitterer @Dominik58643054 für die tolle Freibier-Analogie.

Updates:

• 22.08.2024: Erstmals veröffentlicht
• 30.10.2024: Die Analogie der lecken Badewanne ergänzt

1. 2. Stresstest zum Stromsystem Übertragungsnetzbetreiber (2022)
2. spezifische CO2-Emissionen in gCO2/kWh Braunkohle: 1.215, Steinkohle: 935, Erdgas: 572
3. Ökobilanz-Studie zu verschiedenen Antriebssystemen Verein Deutscher Ingenieure e.V. (2023)
4. Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger 2022 Umweltbundesamt (2023)
5. Dynamic Prospective Average and Marginal GHG Emission Factors—Scenario-Based Method for the German Power System until 2050 Seckinger & Radgen (2021)
6. Flexible green hydrogen: The effect of relaxing simultaneity requirements on project design, economics, and power sector emissions Ruhnau & Schiele (2023)
7. DIW Wochenbericht 18 / 2024 Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung (2024)
8. spezifische CO2-Emissionen in gCO2/kWh Braunkohle: 1.215, Steinkohle: 935, Erdgas: 572
9. Yearly Data Zone DE Electricitymaps (2024)
10. Dynamic Prospective Average and Marginal GHG Emission Factors—Scenario-Based Method for the German Power System until 2050 Seckinger & Radgen (2021)
11. Carbon implications of marginal oils from market-derived demand shocks Masnadi et al (2021)
12. Analyse der Treibhausgasintensitäten von LNG-Importen nach Deutschland Institut für Energie- und Umweltforschung (2023)