Insbesondere die Primärenergie wird oft falsch verwendet. Das liegt aber auch an einer in Deutschland gängigen fehlerbehafteten Berechnungsmethode.
Dieser Artikel soll einen Überblick geben über gängige Energiebilanzen mit Beispielen wann eine Verwendung Sinn macht und wann nicht.
Es ist außerdem ein Beitrag zur Debatte warum in Deutschland die Primärenergie von Wind-, Solar- und Wasserkraft um den Faktor 3 unterbewertet wird. 1
Wie misst man Energie? Die 3 Formen der Energiebilanzierung
Energie hat die Fähigkeit Arbeit zu verrichten, etwas zu erwärmen, oder Strahlung zu erzeugen.
Definition: Energie ist das Potential, physikalisch etwas zu bewirken.
Man unterscheidet bei der Energiebilanzierung nach drei Formen:
Primärenergie In der Natur vorkommende Primärenergieträger, z.B. Erdöl, Erdgas, Wind oder Sonnenlicht.
Sekundärenergie / Endenergie In Geräten für Verbraucher einsetzbare Sekundärenergieträger, z.B. Diesel, Erdgas oder Strom.
Tertiärenergie / Nutzenergie Energie, wie wir sie letztendlich nutzen, z.B. mechanische Energie, Wärmeenergie oder Licht.
Nicht immer ist eine eindeutige Zuordnung anhand des Energieträgers möglich. Erdgas im Beispiel wird zwischen Primärenergie und Endenergie nicht umgewandelt, sondern direkt in seiner natürlichen Form verfeuert.
Wärmeenergie kann sogar alle drei Formen annehmen. Sie kann als Geothermie Primärenergie sein, als Fernwärme Sekundärenergie und als Heizwärme Nutzenergie. Es ist sogar möglich wie in Island, Geothermie direkt als Heizwärme zu nutzen – ohne jede Umwandlung.
Obwohl elektrischer Strom weniger als ein Viertel der Endenergie ausmacht, denken viele Menschen Elektrizität würde den Energiesektor dominieren oder wäre sogar alle Energie. Dadurch werden Zahlen oft absichtlich verzerrt. 20% Anteil an elektrischer Energie klingt besser als 5% Anteil an der Primärenergie.
Energie-Einheiten und Umrechnungsfaktoren
Das Joule ist die Maßeinheit für Energie nach dem Internationalen Einheitensystem (SI-Einheit). Ein Joule entspricht einer Wattsekunde (Ws) oder einem Newtonmeter (Nm).
Es gibt wie bei jeder Einheit Vorsatzzeichen, die die Zehnerpotenz ändern:
Kilo (k) Tausend
Mega (M) Millionen
Giga (G) Milliarden
Tera (T) Billionen
Peta (P) Billiarden
Zwei Kilojoule (kJ) sind also zweitausend Joule.
Es gibt außerdem weitere Energie-Einheiten:
1 kWh – 3.600 kJ – Kilowattstunde
1 kcal – 4,1868 kJ – Kilokalorie
1 m³ Gas – 31.736 kJ – Kubikmeter Erdgas
1 kg SKE – 29.308 kJ – Steinkohleeinheit
1 kg RÖE – 41.868 kJ – Rohöleinheit
Die Kilowattstunde wird in der Energiewirtschaft sogar häufiger benutzt als das Joule, egal ob für Heizwert oder elektrischen Strom.
Energieflüsse: Von Primärenergie über Endenergie zur Nutzenergie
Physikalisch gesehen ist es nicht richtig von Energieverbrauch oder -erzeugung zu sprechen. Energie kann immer nur umgewandelt werden. Diese Umwandlungen beschreibt man als Energiefluss, dessen Leistung messbar ist.
Zum Beispiel sind folgende Energieflüsse mit dem Primärenergieträger Rohöl denkbar:
Umwandlung in den Sekundärenergieträger Heizöl und schließlich Umwandlung zur Nutzenergie Wärme in einer Ölheizung
Umwandlung in den Sekundärenergieträger Benzin und schließlich Umwandlung zur Nutzenergie mechanische Energie im Verbrennungsmotor
Umwandlung in den Sekundärenergieträger Diesel, weitere Umwandlung in den Sekundärenergieträger Elektrizität und schließlich Umwandlung in die Nutzenergie Licht in einer Lampe
Nach dem Energieerhaltungssatz kann bei diesen Umwandlungen keine Energie verloren gehen. Es entstehen aber Energieformen, die nicht für uns nutzbar sind, insbesondere als Abwärme. Das Verhältnis von nutzbarer zu eingesetzter Energie ist der Wirkungsgrad.
Bei mehreren Umwandlungen muss man die einzelnen Wirkungsgrade multiplizieren um den Gesamtwirkungsgrad zu erhalten.
Nutzenergie: Definition & Beispiele
In einer perfekten Welt, würden wir nur von Nutzenergie reden. Das ist die Energie, die beim Verbraucher wirklich genutzt wird, ohne die vielen Verluste auf dem Weg dorthin.
Definition: Nutzenergie ist die Energie, die vom Verbraucher direkt benötigt wird.
Beispiele für Nutzenergie sind:
Niedertemperaturwärme, z.B. mittels einer Heizung oder einem Wasserboiler
Prozesswärme, z.B. mittels einer Herdplatte oder einem Hochofen
Licht, z.B. mittels einer Lampe oder einer Ampel
Mechanische Arbeit, z.B. mittels einem Elektro- oder Verbrennungsmotor
Information und Kommunikation, z.B. mittels eines Computers oder eines Smartphones
Achtung, die Nutzenergie ist nicht gleich dem Nutzen. Es ist uns egal, wie man auf eine angenehme Raumtemperatur kommt, ob durch Dämmung oder Energieaufwand. Der Nutzen, also die Energiedienstleistung lässt sich aber nicht in Joule messen.
Auch die Nutzenergie lässt sich auf nationaler Ebene schon nicht mehr messen. Es ist zum Beispiel nicht möglich zu wissen wofür jede kWh elektrischer Strom verwendet wird und wie effizient. Energiebilanzen beschränken sich daher auf Primärenergie und Endenergie.
Sekundärenergie: Definition & Beispiele
Mit Erdöl direkt aus dem Bohrloch fährt kein Auto und heizt keine Ölheizung. Aus dem Rohöl muss erst in der Ölraffinerie Benzin, Heizöl oder Schweröl für den Endverbrauch erzeugt werden.
Definition: Sekundärenergie ist Energie, die aus einer anderen Energieform umgewandelt wurde.
Beispiele für solche Sekundärenergieträger sind:
Benzin
Diesel
Heizöl
Elektrizität
Fernwärme
Holzpellets
Kohlebriketts
Biokraftstoffe
synthetische Kraftstoffe
Wasserstoff
Bei der Umwandlung zu Sekundärenergieträgern geht nutzbare Energie verloren. Diese Umwandlung kann trotzdem zweckmäßig sein: Sekundärenergie ist besser in Nutzenergie umzusetzen, leichter zu speichern oder leichter zu transportieren.
Teilweise muss man in mehrere Sekundärenergieträger umwandeln, wegen jeweils einer dieser drei Eigenschaften. Elektrizität zum Beispiel ist einfach zu nutzen, aber schwer zu speichern oder über lange Strecken zu transportieren.
Nur das letzte Glied einer solchen Kette vor der Umsetzung in Nutzenergie beim Verbraucher bezeichnet man als Endenergie. Besonders lang und ineffizient können solche Umwandlungsketten in der Wasserstoffwirtschaft werden.
Endenergie: Definition & Beispiele
Man betrachtet bei der Endenergie nur die Energieträger kurz vor der Nutzung beim Verbraucher abzüglich aller Transport- und Umwandlungsverluste bis dahin.
Definition: Endenergie ist die Sekundärenergie, die direkt vom Verbraucher in Nutzenergie umgesetzt wird.
Die Endenergie wird in Deutschland nach Anteilen der Verbrauchssektoren ausgewiesen:2
Industrie
Verkehr
Private Haushalte
Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
Ebenfalls ausgewiesen wird die Endenergie nach Anwendungsbereich:3
Raumwärme
Warmwasser
Prozesswärme
Mechanische Energie
Information & Kommunikation
Klimakälte
Prozesskälte
Beleuchtung
Man muss aber berücksichtigen, dass die Endenergiebetrachtung die Anteile am Energiemix gegenüber Primärenergie und Nutzenergie verzerrt. Endenergie ist über Sektoren hinweg nicht direkt vergleichbar.
Der Verkehrssektor zum Beispiel spielt eine unverhältnismäßig große Rolle. Ein Großteil der Umwandlungsverluste von Diesel oder Benzin zu mechanischer Energie fallen nämlich erst nach der Endenergiebetrachtung an.
Beim elektrischen Strom hingegen fallen ein Großteil der Verluste vor der Endenergiebetrachtung an. Deshalb spielt Elektrizität bei der Endenergie eine überproportional kleine Rolle.
Die Endenergie verwendet man aufgrund dieser Verzerrungen als verbrauchsseitige Betrachtung, nicht als erzeugerseitige. Es macht keinen Sinn Primärenergieträger-Anteile an der Endenergie zu berechnen.
Endenergie ist eine Kennzahl, die existiert weil man sie messen kann – nicht weil es Sinn macht sie zu messen.
Primärenergie: Definition & Beispiele
Unter Primärenergie versteht man die Energie, die in natürlichen Quellen vorkommt und direkt oder durch Umwandlung nutzbar ist
Definition: Primärenergie ist der Energiegehalt von Quellen in der Natur.
Primärenergieträger sind zum Beispiel:
Steinkohle
Braunkohle
Erdgas
Erdöl
Holz
Energiepflanzen
Sonnenenergie
Windenergie
Wasserkraft
Uran
Erdwärme
Der Energiegehalt all dieser Energieträger stammt ursprünglich aus Sonnenenergie, mit Ausnahme der Kernkraft des Uran und der Erdwärme, die zu einem großen Teil aus Kernkraft gewonnen wird.
Eigentlich müsste man beim Primärenergieverbrauch auch Energie aus Nahrungsmitteln zählen, insbesondere für Arbeitstiere, aber auch für Fuß- oder Fahrradpendler. Das wird aber nicht gemacht. Ebenso fehlt in vielen Primärenergiebilanzen die traditionelle Biomasse, also Holz, Dung oder Pflanzenreste.
In Industrieländern machen diese Faktoren fast keinen Unterschied, aber in vielen Ländern im globalen Süden dominieren Energien von Arbeitstieren und traditioneller Biomasse nach wie vor.
In der Praxis zählt auch niemand Sonnenstrahlen, potentielle Energie von Regenwasser oder Uran-Atome. Diese Zahlen wären aufgrund der höchst unterschiedlichen Wirkungsgrade der jeweiligen Energiewandler nicht vergleichbar. Es gibt pragmatischere Ansätze zur Berechnung der Primärenergie.
Vergleich globaler Primärenergie Wirkungsgradprinzip (oben) vs Substitutionsprinzip (unten) – von Hannah Ritchie (CC-BY)
Primärenergie nach Substitutionsprinzip: Äquivalente Erzeugung nach Heizwert
Eine Energiebilanz macht nur Sinn, wenn Energieträger vergleichbar sind. Deshalb zählen wir bei der Substitutionsmethode nicht die eigentlich vorhandene Primärenergie, sondern den Heizwert eines Primärenergieträgers.
Definition: Ein Joule Primärenergie nach Substitutionsprinzip ist die Energie, die man braucht um ein Joule Heizwert zu ersetzen.
Energieträger ohne Brennstoffe haben keinen Heizwert. Wasserkraft, Kernkraft, Windkraft und Sonnenenergie müssen wir daher umrechnen. Wer das nicht tut, zählt die Verluste von fossiler Energie und Biomasse mit.
Durch dieses Substitutionsprinzip werden alle Energieträger additierbar und direkt miteinander vergleichbar, egal ob Windkraft, Kohlekraft oder Kernkraft. Der Löwenanteil der Energieträger sind sowieso fossile Brennstoffe oder Biomasse. Die muss man nicht umrechnen.
Um die Primärenergie von Windstrom, Solarstrom oder Atomstrom zu berechnen, teilt man den Energiegehalt der erzeugten Elektrizität durch den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen. Diese Wandler von thermischer in elektrische Energie schaffen heute rund 40% Wirkungsgrad und steigend.
Statt durch 0,4 zu teilen kann man auch mit 2,5 multiplizieren. Dieser Faktor der Substitutionsmethode basiert auf dem Carnot-Wirkungsgrad und damit auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, siehe Exkurs am Textende.
International wird die Primärenergie nach Substitutionsprinzip hauptsächlich verwendet, mit der bemerkenswerten Ausnahme der internationalen Energieagentur (IEA). In der EU allerdings verwenden wir in Energiebilanzen mehrheitlich eine andere Definition, nämlich Primärenergie nach Wirkungsgradprinzip.
Beim Wirkungsgradprinzip (links) werden Verluste als nutzbare Energie gezählt – von Hannah Ritchie (CC-BY)
Primärenergie nach Wirkungsgradprinzip: Abwärmeverluste als nutzbare Energie
Seit 1995 wird in Deutschland die Primärenegie nicht mehr nach Substitutionsprinzip ausgewiesen, sondern nach Wirkungsgradprinzip.4
Definition: Ein Joule Primärenergie nach Wirkungsgradprinzip ist die Energie, die man braucht um ein Joule Elektrizität zu erzeugen multipliziert mit einem Bewertungsfaktor des jeweiligen Energieträgers.
Statt dem Heizwert betrachtet man hier den elektrischen Strom, den man erzeugen könnte – egal ob man Elektrizität auch wirklich erzeugt. Das macht Sinn, weil viele Kennzahlen wie CO2-Emissionen oder Kosten auf eine kWh Elektrizität normiert sind. Was allerdings keinen Sinn macht, ist die zusätzliche Bewertung.
Die Bewertungsfaktoren werden willkürlich für jeden Energieträger definiert. Wasserkraft, Windkraft und Solarenergie werden mit 100%, also Faktor 1 bewertet. Kernkraft, fossile Energien, Abfallverbrennung und Biomasse werden mit 33%, also Faktor 3 bewertet. Die Bewertungen von Solarthermie und Geothermie schwanken je nach Quelle zwischen 10% und 100%, also Faktor 1 bis 10. 5
Diese Bewertungen werden Wirkungsgrade genannt, obwohl sie nicht den tatsächlichen Wirkungsgraden bei der Umwandlung aus Primärenergie entsprechen. Der Wirkungsgrad von Photovoltaik liegt zum Beispiel bei rund 20%, nicht 100%. Durch die Betrachtung von elektrischem Strom sind Wirkungsgrade sowieso schon berücksichtigt.
Die verwendeten Bewertungen machen den Versuch Abwärmeverluste von chemisch gespeicherter Energie in Brennstoffen als nutzbare Energie mit zu zählen.6 Die Abwärme wird in der Praxis aber nicht genutzt. Sie ist auch gar nicht vollständig nutzbar nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.
Jede Quelle, die das Wirkungsgradprinzip verwendet, hat ein Plausibilitätsproblem, weil sie nicht nutzbare Verluste als nutzbare Energie zählt.
Warum wird klimafreundliche Energie in Deutschland unterbewertet?
Die willkürlichen Bewertungen des Wirkungsgradprinzips zerstören die Gleichbehandlung von Energieträgern. Um Zahlen addieren oder vergleichen zu können, muss man zuerst durch den willkürlichen Bewertungsfaktor teilen.
Wasserkraft, Windkraft und Solarenergie werden nur zu einem Drittel gezählt. Das heißt Kohlestrom ist im Wirkungsgradprinzip drei Mal so viel wert wie Windstrom.7 Das ist physikalisch Unsinn. Elektrischer Strom unterscheidet sich nicht, egal aus welcher Energiequelle er stammt.
Warum hat man die Wirkungsgradmethode in der EU überhaupt eingeführt? Wind und Solar spielten 1995 noch keine Rolle. Es war wohl nicht abzusehen, dass einmal signifikante statistische Fehler aus der Wirkungsgradmethode folgen würden.
Heute hält man vermutlich an der fehlerhaften Methode fest um Statistiken schönzurechnen. Die Zahlen suggerieren, dass der Primärenergiebedarf durch den Zubau von Wind, Solar und Wasser sinkt. 8Tatsächlich steigt natürlich die Energieeffizienz nicht, wenn man Kohlestrom durch Windstrom ersetzt. Das ist ein Rechenartefakt durch die willkürliche Bewertung beim Wirkungsgradprinzip.
Hier auf Tech for Future verwende ich ausschließlich das Substitutionsprinzip. Das bildet die physikalischen Gegebenheiten ab und ist für Berechnungen geeignet. Auch in wissenschaftlichen Arbeiten wird hauptsächlich die Substitutionsmethode verwendet. Schade, dass die EU und Deutschland eine Variante einsetzen, mit der man ohne Korrektur nicht arbeiten kann.
Exkurs: Umrechnungsfaktor beim Substitutionsprinzip basiert auf dem Carnot-Wirkungsgrad
Bei jeder Umwandlung von thermischer in elektrische/mechanische Energie kommt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik zum Tragen. Es gibt bei Wärmekraftmaschinen Verluste mit dem Carnot-Wirkungsgrad als Begrenzung. Es bleibt nur die Exergie übrig.
Der Carnot-Wirkungsgrad hängt von der Temperatur im Vergleich zur Umgebungstemperatur ab:9
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.
Aus dem Carnot-Kreisprozess ergibt sich umgekehrt bei Kraftwärmemaschinen der sehr gute Wirkungsgrad von Wärmepumpen bei der Rückwandlung von elektrischer/mechanischer 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 kann langsam über die Zeit sinken durch Modernisierung. Der international am meisten genutzte BP Statistical Report zeigt die zeitliche Entwicklung:10
1965-2000 36 %
2004 37%
2008 38%
2013 39%
2017 40%
2023 41%
2030 42%
2036 43%
2043 44%
2050 45%
Mit dem Substitutionsprinzip wird elektrische Energie aktuell rund 2,5x so hoch bewertet wie thermische Energie. Das wird an den aktuellen Wirkungsgraden in der Praxis festgemacht.
Quellen
IEA underreports contribution solar and wind by a factor of three compared to fossil fuels Energy Post (2017)
Anteile der Sektoren am Endenergieverbrauch 1990, 2008 und 2016 BMWI (2017)
Energieverbrauch nach Anwendungsbereichen in Deutschland 2017 BMWI (2018)
Schade, dass die Betrachtung lediglich dazu dient, das eigene Denkmodell zu bekräftigen. Wohl daher tauchen die Begriffe Exergie und Anergie gar nicht erst auf.
Dafür wird munter zwischen Energie und Energieträgern hin- und herdefiniert und das Wirkungsgradprinzip falsch erläutert /dargestellt. Denn es geht nicht darum, dass PV derzeit nur ca. 20% der eingestrahlten Sonnenenergie in el. Energie umwandelt sondern darum, dass Photovoltaik diese el. Energie völlig ohne zu fördernde /zusätzliche bereitzustellende Primärenergieträger erzeugt. Denn die solare Strahlungsenergie ist ebenso wie die Windenergie oder die (potentielle /Lage-)Energie des Wassers in der Natur direkt verfügbar. Es braucht keine (mehrfachen) Umwandlungen und es werden keine (nach menschlichen Maßstäben) endlichen natürlichen Ressourcen verbraucht.
Der reale Gesamtwirkungsgrad vom Uranerz über die Herstellung des Kernbrennstoffes bis zum elektrischen Strom ist übrigens noch deutlich schlechter als die willkürlich angesetzten 33%! Bei bisherigen /historischen Betrachtungen ist man regelmäßig vom Bedarf an fossilen Energieträgern ausgegangen. Man rechnete in “Steinkohleeinheit” oder “Öleinheit” wenn es um Energieverbräuche /Energiebedarf ging. Das macht zukünftig wenig Sinn, wenn man immer stärker ohne diese Bezugsgrößen /Primärenergieträger auskommen will. Regenerativ erzeugte Energie in fossile Energieträger zurückzurechnen macht allenfalls Sinn, um die Einsparpotentiale an fossilen Energieträgern aufzuzeigen. Da ist es nun einmal so, dass man mit ca. 16-20kWh regenerativ erzeugter el. Energie im Elektroauto die Nutzenergie für etwa 100km Fahrstrecke erhält (inkl. Netz- und Ladeverluste). Für einen vergleichbares Kfz mit Verbrennungsmotor und gleiche Wegstrecke benötigt man dagegen bspw. 5l vom Sekundärenergieträger Diesel (chem. Energie) mit einem Energiegehalt von ca. 48kWh, zuzüglich Herstellungsaufwand vom Primärenergieträger Rohöl über die Raffinerie bis zur Tankstelle (ca. 7-8kWh, Tendenz steigend), also etwa 55kWh Primärenergie.
Dass man bei der bisherigen Verstromung fossiler Energieträger dagegen auch mit einem Elektroauto allenfalls nur ein wenig fossile Energieträger sparen kann, ist eine Binsenwahrheit. Zur Wahrheit gehört aber bspw. auch, dass man bei stationärer Verstromung fossiler Energieträger die Möglichkeit hat, einen Teil der im Kfz nutzlosen /nicht verwertbaren Abwärme bspw. für Heizzwecke zu nutzen (BHKW) und dadurch den Gesamtwirkungsgrad /Anteil an Nutzenergie bei stationärer Verstromung gegenüber einer mobilen Verbrennung im Kfz zu erhöhen.
Wenn du den Unterschied zwischen Exergie und Anergie sowieso schon kennst, dann brauchst du diesen Artikel nicht lesen. Hier geht’s ja letztendlich nur darum, dass man Exergie nicht mit Energie verwechseln darf.
Wenn du glaubst Fachbegriffe einzuführen hilft beim Verständnis, dann hast du noch nie einen komplexen Zusammenhang erklärt 😉
—
Was genau ist am Wirkungsgradprinzip falsch erläutert?
Moin. Ein paar Anmerkungen, jeweils direkt bezogen auf Zitate aus deinem Text: (1/3)
“Primärenergie nach Wirkungsgradprinzip: Abwärmeverluste als nutzbare Energie”
Man betrachtet bei der Primärenergie nicht nutzbare Energie sondern die insgesamt eingesetzte Energiemenge aus nutzbaren natürlichen Quellen. Da ist eben bei fossilen auch die in einer möglichen folgenden Umwandlung nicht genutzte Abwärme mit enthalten. Das gilt dort auch im Substitutionsprinzip. Bei den absoluten Mengen wird die Abwärme dort immer mitgezählt. — Bei Quelle 4 ist der Linkt tot. —- Du schreibst zum Wirkungsgradprinzip: “Statt dem Heizwert betrachtet man hier den elektrischen Strom, den man erzeugen könnte – egal ob man Elektrizität auch wirklich erzeugt.”
Kohlestrom ist überhaupt keine Primärenergie, sondern die zur Verstromung verwendete Kohle. —- “Die Bewertungsfaktoren werden willkürlich für jeden Energieträger definiert. Wasserkraft, Windkraft und Solarenergie werden mit 100%, also Faktor 1 bewertet. Kernkraft, fossile Energien, Abfallverbrennung und Biomasse werden mit 33%, also Faktor 3 bewertet.”
Fossile werden nicht willkürlich mit 33 % bewertet. Das steht auch nicht in der Quelle 5. Im Gegenteil. Die eingesetzte Brennstoffmenge kann man messen und die wird mit dem Heizwert multipliziert und der ist nicht willkürlich. Ich kenne hier also die real eingesetzte Primärenergie. Dadurch werden die realen Wirkungsgrade bei der Umwandlung zur Endenergie je nach Verwendung automatisch berücksichtigt. Auch das ist nicht willkürlich.
Es geht im Wirkungsgradprinzip auch nicht um eine (willkürliche) Bewertung sondern um die Wahl der Bilanzgrenze ab wann man Primärenergie zählt und wie man von gemessener Sekundärenergie darauf zurück rechnet (z. B. Strom -> Wärme bei Kernenergie). Warum man die Grenzen dort so wählt hat Joe teilweise schon erläutert. Eine willkürliche Bewertung habe ich eher im Substitutionsprinzip beim Strom mit dem Primärenergiefaktor.
“Die verwendeten Bewertungen machen den Versuch Abwärmeverluste von chemisch gespeicherter Energie in Brennstoffen als nutzbare Energie mit zu zählen.”
Nochmal. Die Abwärme wird dort bei der Primärenergie immer mitgezählt. Das ist auch gar nicht anders möglich. Denn die Abwärme tritt bei einer Umwandlung auf und nach einer Umwandlung ist es keine Primärenergie mehr. Dass die überall mitgezählt wird lässt sich auch daran erkennen, dass die absolute Menge der fossilen Energieträger beim Primärenergieverbrauch in Substitutions- und Wirkungsgradmethode etc. identisch ist. — “Hier auf Tech for Future verwende ich ausschließlich das Substitutionsprinzip. Das bildet die physikalischen Gegebenheiten ab und ist für Berechnungen geeignet.”
Eben nicht. Die Energiemengen beim nicht fossilen Strom sind hier nicht real, denn – z. B. deine eigene Quelle 7: “Bei der Substitutionsmethode wird berechnet, welche Menge an fossilem Brennstoff durch die Nutzung von erneuerbaren Energien und Kernenergie eingespart wurde.” Die werden weder so erzeugt noch können sie entsprechend physikalisch genutzt werden. Wenn man damit außerhalb der Primärenergiebetrachtung rechnet entsteht Unsinn wie bei deinen Effizienzbetrachtungen zum E-Auto etc.
“Energieträger ohne Brennstoffe haben keinen Heizwert. Wasserkraft, Kernkraft, Windkraft und Sonnenenergie müssen wir daher umrechnen.”
Auch nochmal. In der Primärenergiebetrachtung nach Substitutionsprinzip rechnest du nicht Energieträger oder -mengen ineinander um, du berechnest die substituierte Menge Primärenergie einer entsprechenden fossilen Stromerzeugung. Nicht mehr und nicht weniger. Das ist ein Unterschied! Pauschal Energie ineinander umrechnen geht nicht. — “Heute hält man vermutlich an der fehlerhaften Methode fest um Statistiken schönzurechnen. Die Zahlen suggerieren, dass der Primärenergiebedarf durch den Zubau von Wind, Solar und Wasser sinkt. Tatsächlich steigt natürlich die Energieeffizienz nicht, wenn man Kohlestrom durch Windstrom ersetzt. Das ist ein Rechenartefakt durch die willkürliche Bewertung beim Wirkungsgradprinzip.”
Man ersetzt eben nicht Kohlestrom durch Windstrom, sondern Primärenergie Kohle durch Primärenergie Windenergie. Und dadurch sinkt der Primärenergiebedarf. Außer im Substitutionsprinzip, weil man hier den Strom aus Windenergie betrachtet als wäre er fossil erzeugt worden. — “Jede Quelle, die das Wirkungsgradprinzip verwendet, hat ein Plausibilitätsproblem, weil sie nicht nutzbare Verluste als nutzbare Energie zählt.”
Man könnte auch sagen: Jede Quelle, die das Substitutionsprinzip nutzt, hat ein zunehmendes Plausibilitätsproblem, weil sie nicht nutzbare – weil nicht vorhandene – Verluste als Primärenergie zählt.
Übrigens, das bei our world in data links bzw. oben ist die direct equivalent method. Wirkungsgradmethode wäre physical (energy) content method. Zu erkennen auch daran, dass dort “nuclear or renewables” steht. Nuclear hätte im Input nach Wirkungsgradprinzip auch Abwärme. Der Anteil von nuclear würde im Vergleich auch nicht wie die renewables im Mix bei Wirkungsgrad- vs. Substitutionsmethode wachsen sondern leicht abnehmen. Die Grafiken sind also imho ungeeignet um den Artikel hier zu illustrieren. Falsch beschriftet sind sie so jedenfalls. Die vergleichen da eben direct equivalent mit substitution und nicht wie du Wirkungsgrad- und Substitutionsmethode.
Nuclear hat Abwärme, weil das in der Wirkungsgradmethode so definiert ist. Dass bei Wind, Solar und Wasser keine Abwärme definiert ist, ist reine Willkür und macht das Wirkungsgradprinzip letztendlich untauglich bei signifikanten Mengen Wind, Solar und Wasser im Energiemix.
Stell dir mal vor wir hätten eine Kennzahl namens Elektrizitätsäquivalent (EÄ), die beschreibt wieviel Strom man mit einem Energieträger erzeugen könnte nach Abzug von Wirkungsgradverlusten. EÄ wäre nach deiner Sicht die perfekte Kennzahl, weil sie die Abwärme komplett weglässt.
Genau diese Kennzahl EÄ haben wir schon in Form der Primärenergie nach Substitutionsprinzip. Ja, die Zahlen sind alle um den Primärenergiefaktor aufgebläht. Aber das ist ja eine sehr einfach vornehmbare Korrektur. Wegen mir können wir auch in EÄ rechnen. Ist halt unüblich.
P.S. Die Unterschiede zwischen “Direct Equivalent” und “Physical Energy Content” sind vernachlässigbar. Beide Methoden sind untauglich für den Vergleich von Energiebilanzen verschiedener Jahre, weil sie die Abwärme von fossilen Quellen als nutzbare Energie zählen.
“Dass bei Wind, Solar und Wasser keine Abwärme definiert ist, ist reine Willkür und macht das Wirkungsgradprinzip letztendlich untauglich bei signifikanten Mengen Wind, Solar und Wasser im Energiemix.”
Nein, das ist nicht Willkür sondern begründet sich daraus, dass die Abwärme dort physikalisch nicht existiert. Die Behauptung zur Untauglichkeit ist so auch falsch. Es ist eher genau anders rum, bei hohen Anteilen Erneuerbarer im Energiemix wird irgendwann kein Strom mehr fossil erzeugt werden. Der Primärenergiefaktor wird dann auch technisch komplett unsinnig weil nichts mehr mit dem Wirkungsgrad substituiert wird. Systeme mit hohem Anteil nicht fossiler Energie werden generell vom Substitutionsprinzip extrem schlecht repräsentiert. Die Wirkungsgrade in der Erzeugung bei Wind & Co. sind technisch für die Primärenergiebetrachtung unerheblich, da es hier keine Rückkopplung auf den Verbrauch der Primärenergie gibt wie bei den Fossilen. Daher zählt man hier im Wirkungsgradprinzip sinnvollerweise ab der Sekundärenergie bzw. setzt 100 % an. —
“Stell dir mal vor wir hätten eine Kennzahl namens Elektrizitätsäquivalent (EÄ), die beschreibt wieviel Strom man mit einem Energieträger erzeugen könnte nach Abzug von Wirkungsgradverlusten. EÄ wäre nach deiner Sicht die perfekte Kennzahl, weil sie die Abwärme komplett weglässt.”
Nein. Zum einen würde ich den Begriff nicht verwenden, weil es in der Physik keine Energieäquivalente gibt. Zum anderen will im Gegensatz zu dir auch niemand Abwärme weglassen wo sie physikalisch nun mal unvermeidbar auftritt. Zu berechnen, wieviel Strom man aus sämtlicher fossiler Primärenergie erzeugen könnte, wäre auch kompletter Unsinn, denn der Großteil der Fossilen wird schließlich überhaupt nicht verstromt. Das macht auch das Substitutionsprinzip nicht. Der Zubau der Erneuerbaren ersetzt zudem (insb. in Zukunft) bei weitem nicht nur fossile Stromproduktion. Daher ist das Substitutionsprinzip auch so willkürlich, weil der Primärenergiefaktor dies praktisch unterstellt. —
“Genau diese Kennzahl EÄ haben wir schon in Form der Primärenergie nach Substitutionsprinzip.”
Nochmal nein. Wenn du das denkst hast du das Substitutionsprinzip fundamental nicht verstanden. Falls du das aus dem Our World in Data Artikel ableitest, der ist didaktisch leider sehr ungünstig geraten. Was die in den Diagrammen da machen lässt sich so auf einen realen Primärenergiemix nicht problemlos übertragen.
Primärenergie nach Substitutionsprinzip ist in einer Welt mit 50% Fossilen genauso aussagekräftig, wie in einer Welt mit 100% Fossilen oder 0% Fossilen.
Genau das ist beim Wirkungsgradprinzip anders. Das macht nur Sinn in einer Welt mit 100% Fossilen oder 0% Fossilen. Alles dazwischen wird verzerrt, weil man Abwärme bei Fossilen als nutzbare Energie zählt.
—
“Systeme mit hohem Anteil nicht fossiler Energie werden generell vom Substitutionsprinzip extrem schlecht repräsentiert.” Es ist genau umgekehrt. Systeme mit hohem Anteil nicht fossiler Energie werden vom WIRKUNGSGRADPRINZIP schlecht repräsentiert. Das Substitutionsprinzip behandelt jeden Erzeuger gleich, egal ob fossil oder nicht. Es wird keine Abwärme als nutzbare Energie gezählt!
—
“Die Wirkungsgrade in der Erzeugung bei Wind & Co. sind technisch für die Primärenergiebetrachtung unerheblich, da es hier keine Rückkopplung auf den Verbrauch der Primärenergie gibt wie bei den Fossilen.”
Ausschließlich bei Wind, Solar und Hydro Sekundär- statt Primärenergie zu zählen und das dann trotzdem Primärenergie zu nennen ist pure Willkür und basiert weder auf physikalischen noch auf bilanziellen Argumenten.
Letztendlich geht es darum eine für den Vergleich verschiedener Energiequellen taugliche Kennzahl zu finden. Das ist das Wirkungsgradprinzip nicht, weil es Abwärme als nutzbare Energie zählt. Das Substitutionsprinzip aber schon, weil es alle Erzeuger gleich behandelt.
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“Zum anderen will im Gegensatz zu dir auch niemand Abwärme weglassen wo sie physikalisch nun mal unvermeidbar auftritt.”
Laut Carnot ist Abwärme niemals komplett vermeidbar! Abwärme als 100% Nutzenergie zu zählen, wie es im Wirkungsgradprinzip passiert, verzerrt die Energiebilanzen und macht verschiedene Energieträger unvergleichbar.
—
“Zu berechnen, wieviel Strom man aus sämtlicher fossiler Primärenergie erzeugen könnte, wäre auch kompletter Unsinn, denn der Großteil der Fossilen wird schließlich überhaupt nicht verstromt. Das macht auch das Substitutionsprinzip nicht.”
Genauso wenig werden alle Fossilen in Wärme umgesetzt. Es macht also keinen Sinn Abwärme als Nutzenergie zu zählen!
—
“Wenn du das denkst hast du das Substitutionsprinzip fundamental nicht verstanden.”
Ich glaube allerdings auch, dass es hier um ein Verständnisproblem gibt. Mir kommt es so vor, als ob du die beiden verwechselst und denkst ich würde hier das Wirkungsgradprinzip promoten.
Besonders verwirrend ist deine Aussage das Substitutionsprinzip würde nicht-fossile Erzeuger benachteiligen, obwohl es genau umgekehrt ist.
Bitte dazu einfach mal die Zahlen der beiden Methoden vergleichen, wie es in dem Our World in Data Artikel gemacht wird. Vielleicht wird es durch handfeste Beispiele klarer, dass man fossile Abwärme nicht als nutzbare Energie zählen sollte.
—
Wenn der Windanteil laut Substitutionsprinzip bei 9% liegt, laut Wirkungsgradprinzip aber nur bei 5%, wie kannst du dann behaupten das Substitutionsprinzip würde Wind benachteiligen?
Wenn der Solaranteil laut Substitutionsprinzip bei 3,5% liegt, laut Wirkungsgradprinzip aber bei unter 2%, wie kannst du dann behaupten das Substitutionsprinzip würde Solar benachteiligen?
Irgendwie habe ich hier Probleme mit den Kommentaren. Die meisten scheinen nach dem Posten im Nirwana zu verschwinden. Daher zunächst der dritte Versuch den 2. Teil zu posten, bevor ich auf deinen Beitrag antworte.
(2/2) Problematisch wird es insbesondere, wenn man aus dem Substitutionsprinzip ein falsches Verständnis von Energie ableitet. Der Primärenergiefaktor erlaubt es nicht, beliebig zwischen thermischer und elektrischer Energie umzurechnen. Das geht physikalisch nicht. Das kann man nicht oft genug betonen. — “Die Unterschiede zwischen “Direct Equivalent” und “Physical Energy Content” sind vernachlässigbar. Beide Methoden sind untauglich für den Vergleich von Energiebilanzen verschiedener Jahre, weil sie die Abwärme von fossilen Quellen als nutzbare Energie zählen.” Nochmal, alle Methoden zur Primärenergieermittlung zählen die komplette eingesetzte fossile Energie mit ihrem Heizwert. Die darin enthaltene downstream nicht nutzbare Abwärme (sofern vorhanden) verschwindet dort auch im Substitutionsprinzip nicht, nur weil man den EE Strom mit dem Primärenergiefaktor multipliziert. Wenn man das in realen Systemen andersrum machen würde wie Our World in Data in ihrem Beispiel erhält man zwar korrekte Anteile für den Mix, aber falsche Werte für die TPE bei den Fossilen. Das Vorgehen dort widerspricht auch der Definition des Substitutionsprinzips und ist spätestens in realen Systemen, in denen Fossile nicht nur zur Verstromung eingesetzt werden, physikalisch falsch. — Ich habe diese Punkte auch direkt per mail bei Our World in Data angemerkt und mir wurde bestätigt, dass ich mit der Kritik richtig liege und der Artikel voraussichtlich im Laufe des Jahres überarbeitet wird. Daher nochmal meine Empfehlung, diesen Artikel hier vorerst nicht weiter als Grundlage zu verwenden. Beim Substitutionsprinzip geht es wirklich nicht darum, bei den Fossilen die Abwärme rauszurechnen oder diese nicht mitzuzählen!
Sorry, deine Kommentare sind aus irgendeinem Grund im WordPress-Spamfilter gelandet. Ich vermute, wegen der Links. Ich schalte die, die du noch nicht wiederholt hast frei.
“Der Primärenergiefaktor erlaubt es nicht, beliebig zwischen thermischer und elektrischer Energie umzurechnen. Das geht physikalisch nicht.”
Umrechnen musst du das natürlich immer anlagenspezifisch, also nach Wirkungsgrad. Der Primärenergiefaktor ist immer nur eine Annäherung an die üblichen Umwandlungsverluste. Egal was du machst, du darfst niemals eine kWhth und eine kWhel gleichsetzen, wie es das Wirkungsgradprinzip macht.
—
“Die darin enthaltene downstream nicht nutzbare Abwärme (sofern vorhanden) verschwindet dort auch im Substitutionsprinzip nicht, nur weil man den EE Strom mit dem Primärenergiefaktor multipliziert.”
Wenn du 3 Zahlen x, y und z hast und nur x mit 3 multiplizierst, dann ist x überbewertet. Wenn du x und y mit 3 multiplizierst, dann ist z unterbewertet. Wenn du alle drei mit 3 multiplizierst, sind alle gleichbewertet.
Letzteres ist das Substitutionsprinzip, welches Abwärme bei allen Erzeugern mitzählt – also letztlich keine Abwärme mitzählt. Abwärme ist keine nutzbare Energie!
—
Our World in Data hat eine weiterführende Erklärung für die Details des Substitutionsprinzips. Das ist aber keine Grundlage für diesen Artikel. Meine Grundlage ist ausschließlich das BP Statistical Review, das mit großem Abstand am meisten genutzte Zahlenwerk zur Primärenergie.
Oh, hat wohl geklappt. Dann versuche ich es direkt mit der Antwort, auch auf die Gefahr hin mich einfach nur zu wiederholen. — “Es ist genau umgekehrt. Systeme mit hohem Anteil nicht fossiler Energie werden vom WIRKUNGSGRADPRINZIP schlecht repräsentiert.” Nein. IEA zur Substututionsmethode: https://www.iea.org/statistics-questionnaires-faq “This method has several shortcomings including the difficulty of choosing an appropriate generating efficiency and the fact that it is not relevant for countries with a high share of hydro electricity. For these reasons, the IEA, as most of the international organisations, has now stopped using this method and adopted the physical energy content method.”
Dieses Paper über die Substitutionsmethode: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032119302448 “(…)in energy system that are dominated by renewables, (e.g. hydro-electricity dominated countries such as Norway), this method gives a distorted view on the reality of the system as its representation is based on thermal generation (with relative low conversion efficiencies) while in reality the system is based on non-combustible sources.” — “Genauso wenig werden alle Fossilen in Wärme umgesetzt. Es macht also keinen Sinn Abwärme als Nutzenergie zu zählen!” Es geht bei den diskutierten Verfahren um Messung von Primärenergie. Nicht Nutzenergie. Um die Nutzenergie zu erhalten muss ich natürlich die Abwärme upstream mit in das System hinein geben. Bei der Primärenergie geht es nun mal darum alle in das System hineingegebene Energie zu zählen die nötig ist um die Nutzenergie letztendlich bereitzustellen. Bei den Fossilen zählen diese Primärenergie alle Verfahren an der selben Stelle. — “Laut Carnot ist Abwärme niemals komplett vermeidbar! Abwärme als 100% Nutzenergie zu zählen, wie es im Wirkungsgradprinzip passiert, verzerrt die Energiebilanzen und macht verschiedene Energieträger unvergleichbar.” Nochmal, wir betrachten hier Verfahren zum Zählen von Primärenergie und nicht von Nutzenergie! — “Ich glaube allerdings auch, dass es hier um ein Verständnisproblem gibt.” Ja. Die Definition des Substitutionsverfahrens ist sinngemäß, bei Strom aus Quellen ohne Heizwert diesen zu behandeln als wäre er fossil erzeugt worden und dann die dafür nötige angenommene Menge fossile Energie als Primärenergie zu zählen. Mehr nicht. Siehe IEA, BP, IPCC, sämtliche Literatur zu dem Thema. Beispielhaft nochmal die Definition aus dem Paper von oben: “With this method the primary energy equivalent for non-combustible energy sources that produce electricity, is defined by the hypothetical amount of energy it would require, on average, to produce an equivalent amount of electricity in a thermal power station using combustible resources.” — Aus der Definition des Substitutionsprinzips lässt sich NICHT ableiten, in dem Verfahren würde nicht Nutzbare Abwärme bei den Fossilen rausgerechnet oder sonstwie nicht mitgezählt! Das findest du in keiner Quelle. Wann immer das irgendwo behauptet wird, geht das auf Our World in Data zurück. Das funktioniert mathematisch zur Berechnung der Anteile im Mix zwar, aber dieses Vorgehen widerspricht eben der Definition des Prinzips. So berechnete absolute Werte für die Primärenergie bei den Fossilen sind schlicht falsch. Das Verfahren wird bei Our World in Data entsprechend falsch dargestellt. Das haben sie inzwischen auch selber eingesehen. Die Überarbeitung des Artikels folgt wie gesagt. — “Bitte dazu einfach mal die Zahlen der beiden Methoden vergleichen, wie es in dem Our World in Data Artikel gemacht wird. Vielleicht wird es durch handfeste Beispiele klarer, dass man fossile Abwärme nicht als nutzbare Energie zählen sollte.” Im Gegenteil. Siehe oben. Der Artikel und das Beispiel dort ist falsch! Bitte nicht mehr als Quelle verwenden, sondern Definition des Verfahrens verstehen. – “Besonders verwirrend ist deine Aussage das Substitutionsprinzip würde nicht-fossile Erzeuger benachteiligen, obwohl es genau umgekehrt ist.” Ich weiß jetzt echt nicht, woher du die Aussage bei mir nimmst. — Ich fürchte, wir kommen hier nicht weiter, so lange du an dem Irrtum festhältst, die Substitutionsmethode würde als einzige Methode bei der Primärenergie die Abwärme nicht mitzählen. Denn nochmal: Das entspricht nicht der Definition des Verfahrens. Der Our World in Data Artikel erweckt zwar den Anschein in dem Beispiel, er ist aber falsch, die wissen das auch und er wird in Zukunft korrigiert.
Warum sollte das Substitutionsprinzip ein Problem mit einem hohen Anteil von Wasserkraft haben? Gerade bei einem hohen Anteil von Wasserkraft ist das Substitutionsprinzip überlegen.
“Primärenergie nach Substitutionsprinzip ist in einer Welt mit 50% Fossilen genauso aussagekräftig, wie in einer Welt mit 100% Fossilen oder 0% Fossilen. Genau das ist beim Wirkungsgradprinzip anders”
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“Bei der Primärenergie geht es nun mal darum alle in das System hineingegebene Energie zu zählen die nötig ist um die Nutzenergie letztendlich bereitzustellen.”
Wenn es dein Ziel ist rein physikalisch die Primärenergie VOR Umwandlungsverlusten zu zählen, warum zählst du dann bei Wind, Solar und Wasser die Sekundärenergie NACH Umwandlungsverlusten?
Und was versprichst du dir von dieser rein physikalischen Messung der Primärenergie? Auch bei einer solchen Methode wären verschiedene Energiequellen nicht vergleichbar. Diese physikalisch motivierte Kennzahl wäre in der Praxis nutzlos, weil sie verschiedene Erzeuger unterschiedlich gewichtet.
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“Die Definition des Substitutionsverfahrens ist sinngemäß, bei Strom aus Quellen ohne Heizwert diesen zu behandeln als wäre er fossil erzeugt worden und dann die dafür nötige angenommene Menge fossile Energie als Primärenergie zu zählen. Mehr nicht.”
100% einverstanden mit dieser Definition. Durch dieses Verfahren können wir alle Energieerzeuger 1:1 vergleichen, egal wie sie funktionieren. Alle Erzeuger werden gleich gewichtet.
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“Aus der Definition des Substitutionsprinzips lässt sich NICHT ableiten, in dem Verfahren würde nicht Nutzbare Abwärme bei den Fossilen rausgerechnet oder sonstwie nicht mitgezählt! ”
Doch, genau das lässt sich ableiten. Wenn du x, y und z mit dem gleichen Faktor multiplizierst, kürzt sich dieser Faktor heraus. Es gibt keine unterschiedliche Gewichtung von Erzeugern.
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“So berechnete absolute Werte für die Primärenergie bei den Fossilen sind schlicht falsch. ”
Wie kann eine willkürlich definierten Kennzahl “falsch” sein?
Dazu ein passendes Zitat: „Im Prinzip sind alle Modelle falsch, aber manche sind nützlich“
—
Nachdem du die Fragen zu den Zahlen aus der Praxis in Deutschland geflissen ignoriert hast, stell ich sie nochmals:
“Wenn der Windanteil laut Substitutionsprinzip bei 9% liegt, laut Wirkungsgradprinzip aber nur bei 5%, wie kannst du dann behaupten das Substitutionsprinzip würde Wind benachteiligen?
Wenn der Solaranteil laut Substitutionsprinzip bei 3,5% liegt, laut Wirkungsgradprinzip aber bei unter 2%, wie kannst du dann behaupten das Substitutionsprinzip würde Solar benachteiligen?”
Danke für den Link zu dem Paper “The influence of the energy transition on the significance of key energy metrics”. Hab es eben interessiert durchgelesen.
Das bestärkt fast alles, was ich hier im Artikel gesagt habe. Radikal finde ich allerdings die Schlußfolgerung, dass man die Primärenergie komplett über Bord werfen soll, weil manche Definitionen von Primärenergie ungeeignet sind. Da schütttet man das Kind mit dem Badewasser aus.
Das würde ich nicht mitgehen, eine sinnvolle Definition von Primärenergie reicht.
Die Endenergie mag zwar eindeutiger definiert sein, aber hat durch die Überbewertung von fossilen Verbrennern ebenfalls ein enormes Problem mit Bilanz-Artefakten.
Leider versucht das Paper keine Bewertung der verschiedenen Definitionen von Primärenergie und listet nicht einmal die Vor- und Nachteile der Methoden.
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Bei dem Tricksen mit installierter Leistung, die auch in dem Paper angesprochen wird, kommt natürlich kein Widerspruch von mir. Solche bewusste Irreführungen sieht man ja mindestens einmal pro Tag auf Twitter.
Ich überlege tatsächlich gerade einen Artikel zu schreiben, wie man solches “Lügen mit Zahlen” erkennt. Wirkungsgradprinzip und installierte Leistung sind vielleicht die bekanntesten, aber nicht die einzigen Beispiele dafür. Ebenfalls sehr häufig ist z.B. die Gleichsetzung von Elektrizität mit Energie a la: “Wir haben schon 50% der Energiewende geschafft, siehe Strommix!”…
Da sind auch Zahlen zu Endenergie, Wirkungsgradmethode und Substitutionsmethode für Deutschland gegenübergestellt. Vielleicht verstehen wir uns anhand eines Beispiels besser. Ich glaube, dass wir grundsätzlich das Gleiche wollen.
Es ist außerdem ein Beitrag zur Debatte warum in Deutschland die Primärenergie von Wind-, Solar- und Wasserkraft um den Faktor 3 unterbewertet wird. 1
das habt ihr falsch interpretiert. Mit dem WKP wurde für den „Wärmewert“ von Strom aus der Windkraft oder Photovoltaik so verfahren, als wenn 1 kWh Endenergie äquivalent zu 3.600 Kilojoule/kg (3,6 MJ/kg) Wärme oder eben 1 kWh Primärenergieeinsatz sind. Hiernach gibt es also keine Umwandlungsverluste. Nach dem Wirkungsgradprinzip ergibt sich folglich bei der Erzeugung von Strom aus Kohle unter dem Ansatz eines (mittleren) Wirkungsgrades von 38 Prozent für 1 kWh Strom ein Primärenergieäquivalent (1/0,38) von 2,632 kWh. Hiernach führen 2,6 kWh Primärenergieeinsatz von Kohle zu 1 kWh Endenergie, wonach sich bilanzmäßig 1,6 kWh als Verlustleistung definieren. So ergibt sich allein rechnerisch nach der Bewertungsmethode, dass der Einsatz der Windenergie folglich 2,6mal „effizienter“ ist als der Einsatz fossiler Brennstoffe. Zugleich folgt, dass rechnerisch theoretisch auch rund 2,6mal weniger CO2 emittiert werden.
Genau das ist ja der Punkt, warum das Wirkungsgradprinzip nicht geeignet für Vergleiche verschiedener Energieträger ist. 1 kWh Elektrizität leistet genau das gleiche, egal ob sie aus z.B. Wasserkraft oder Kohlekraft stammt. Es gibt keinen Effizienzgewinn, wenn man 1kWh aus einem Kohlekraftwerk durch 1 kWh aus einem Wasserkraftwerk ersetzt. Wenn das Wirkungsgradprinzip einen solchen Effizienzgewinn suggeriert, dann ist offensichtlich die Metrik unbrauchbar.
Und mit CO2-Emissionen hat das überhaupt gar nichts zu tun.
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Schade, dass die Betrachtung lediglich dazu dient, das eigene Denkmodell zu bekräftigen.
Wohl daher tauchen die Begriffe Exergie und Anergie gar nicht erst auf.
Dafür wird munter zwischen Energie und Energieträgern hin- und herdefiniert und das Wirkungsgradprinzip falsch erläutert /dargestellt. Denn es geht nicht darum, dass PV derzeit nur ca. 20% der eingestrahlten Sonnenenergie in el. Energie umwandelt sondern darum, dass Photovoltaik diese el. Energie völlig ohne zu fördernde /zusätzliche bereitzustellende Primärenergieträger erzeugt.
Denn die solare Strahlungsenergie ist ebenso wie die Windenergie oder die (potentielle /Lage-)Energie des Wassers in der Natur direkt verfügbar. Es braucht keine (mehrfachen) Umwandlungen und es werden keine (nach menschlichen Maßstäben) endlichen natürlichen Ressourcen verbraucht.
Der reale Gesamtwirkungsgrad vom Uranerz über die Herstellung des Kernbrennstoffes bis zum elektrischen Strom ist übrigens noch deutlich schlechter als die willkürlich angesetzten 33%!
Bei bisherigen /historischen Betrachtungen ist man regelmäßig vom Bedarf an fossilen Energieträgern ausgegangen. Man rechnete in “Steinkohleeinheit” oder “Öleinheit” wenn es um Energieverbräuche /Energiebedarf ging.
Das macht zukünftig wenig Sinn, wenn man immer stärker ohne diese Bezugsgrößen /Primärenergieträger auskommen will.
Regenerativ erzeugte Energie in fossile Energieträger zurückzurechnen macht allenfalls Sinn, um die Einsparpotentiale an fossilen Energieträgern aufzuzeigen.
Da ist es nun einmal so, dass man mit ca. 16-20kWh regenerativ erzeugter el. Energie im Elektroauto die Nutzenergie für etwa 100km Fahrstrecke erhält (inkl. Netz- und Ladeverluste).
Für einen vergleichbares Kfz mit Verbrennungsmotor und gleiche Wegstrecke benötigt man dagegen bspw. 5l vom Sekundärenergieträger Diesel (chem. Energie) mit einem Energiegehalt von ca. 48kWh, zuzüglich Herstellungsaufwand vom Primärenergieträger Rohöl über die Raffinerie bis zur Tankstelle (ca. 7-8kWh, Tendenz steigend), also etwa 55kWh Primärenergie.
Dass man bei der bisherigen Verstromung fossiler Energieträger dagegen auch mit einem Elektroauto allenfalls nur ein wenig fossile Energieträger sparen kann, ist eine Binsenwahrheit. Zur Wahrheit gehört aber bspw. auch, dass man bei stationärer Verstromung fossiler Energieträger die Möglichkeit hat, einen Teil der im Kfz nutzlosen /nicht verwertbaren Abwärme bspw. für Heizzwecke zu nutzen (BHKW) und dadurch den Gesamtwirkungsgrad /Anteil an Nutzenergie bei stationärer Verstromung gegenüber einer mobilen Verbrennung im Kfz zu erhöhen.
Wenn du den Unterschied zwischen Exergie und Anergie sowieso schon kennst, dann brauchst du diesen Artikel nicht lesen. Hier geht’s ja letztendlich nur darum, dass man Exergie nicht mit Energie verwechseln darf.
Wenn du glaubst Fachbegriffe einzuführen hilft beim Verständnis, dann hast du noch nie einen komplexen Zusammenhang erklärt 😉
—
Was genau ist am Wirkungsgradprinzip falsch erläutert?
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Moin. Ein paar Anmerkungen, jeweils direkt bezogen auf Zitate aus deinem Text: (1/3)
“Primärenergie nach Wirkungsgradprinzip: Abwärmeverluste als nutzbare Energie”
Man betrachtet bei der Primärenergie nicht nutzbare Energie sondern die insgesamt eingesetzte Energiemenge aus nutzbaren natürlichen Quellen. Da ist eben bei fossilen auch die in einer möglichen folgenden Umwandlung nicht genutzte Abwärme mit enthalten. Das gilt dort auch im Substitutionsprinzip. Bei den absoluten Mengen wird die Abwärme dort immer mitgezählt.
—
Bei Quelle 4 ist der Linkt tot.
—-
Du schreibst zum Wirkungsgradprinzip:
“Statt dem Heizwert betrachtet man hier den elektrischen Strom, den man erzeugen könnte – egal ob man Elektrizität auch wirklich erzeugt.”
Auch beim Wirkungsgradprinzip gehen die fossilen jeweils mit ihrem Heizwert ein.
https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/primaerenergieverbrauch#definition-und-einflussfaktoren
—-
“Das heißt Kohlestrom ist im Wirkungsgradprinzip drei Mal so viel wert wie Windstrom.”
Kohlestrom ist überhaupt keine Primärenergie, sondern die zur Verstromung verwendete Kohle.
—-
“Die Bewertungsfaktoren werden willkürlich für jeden Energieträger definiert. Wasserkraft, Windkraft und Solarenergie werden mit 100%, also Faktor 1 bewertet. Kernkraft, fossile Energien, Abfallverbrennung und Biomasse werden mit 33%, also Faktor 3 bewertet.”
Fossile werden nicht willkürlich mit 33 % bewertet. Das steht auch nicht in der Quelle 5. Im Gegenteil. Die eingesetzte Brennstoffmenge kann man messen und die wird mit dem Heizwert multipliziert und der ist nicht willkürlich.
Ich kenne hier also die real eingesetzte Primärenergie. Dadurch werden die realen Wirkungsgrade bei der Umwandlung zur Endenergie je nach Verwendung automatisch berücksichtigt. Auch das ist nicht willkürlich.
Es geht im Wirkungsgradprinzip auch nicht um eine (willkürliche) Bewertung sondern um die Wahl der Bilanzgrenze ab wann man Primärenergie zählt und wie man von gemessener Sekundärenergie darauf zurück rechnet (z. B. Strom -> Wärme bei Kernenergie). Warum man die Grenzen dort so wählt hat Joe teilweise schon erläutert.
Eine willkürliche Bewertung habe ich eher im Substitutionsprinzip beim Strom mit dem Primärenergiefaktor.
und weiter (2/3)
“Die verwendeten Bewertungen machen den Versuch Abwärmeverluste von chemisch gespeicherter Energie in Brennstoffen als nutzbare Energie mit zu zählen.”
Nochmal. Die Abwärme wird dort bei der Primärenergie immer mitgezählt. Das ist auch gar nicht anders möglich. Denn die Abwärme tritt bei einer Umwandlung auf und nach einer Umwandlung ist es keine Primärenergie mehr.
Dass die überall mitgezählt wird lässt sich auch daran erkennen, dass die absolute Menge der fossilen Energieträger beim Primärenergieverbrauch in Substitutions- und Wirkungsgradmethode etc. identisch ist.
—
“Hier auf Tech for Future verwende ich ausschließlich das Substitutionsprinzip. Das bildet die physikalischen Gegebenheiten ab und ist für Berechnungen geeignet.”
Eben nicht. Die Energiemengen beim nicht fossilen Strom sind hier nicht real, denn – z. B. deine eigene Quelle 7:
“Bei der Substitutionsmethode wird berechnet, welche Menge an fossilem Brennstoff durch die Nutzung von erneuerbaren Energien und Kernenergie eingespart wurde.”
Die werden weder so erzeugt noch können sie entsprechend physikalisch genutzt werden.
Wenn man damit außerhalb der Primärenergiebetrachtung rechnet entsteht Unsinn wie bei deinen Effizienzbetrachtungen zum E-Auto etc.
und weiter (3/3)
“Energieträger ohne Brennstoffe haben keinen Heizwert. Wasserkraft, Kernkraft, Windkraft und Sonnenenergie müssen wir daher umrechnen.”
Auch nochmal. In der Primärenergiebetrachtung nach Substitutionsprinzip rechnest du nicht Energieträger oder -mengen ineinander um, du berechnest die substituierte Menge Primärenergie einer entsprechenden fossilen Stromerzeugung. Nicht mehr und nicht weniger. Das ist ein Unterschied!
Pauschal Energie ineinander umrechnen geht nicht.
—
“Heute hält man vermutlich an der fehlerhaften Methode fest um Statistiken schönzurechnen. Die Zahlen suggerieren, dass der Primärenergiebedarf durch den Zubau von Wind, Solar und Wasser sinkt. Tatsächlich steigt natürlich die Energieeffizienz nicht, wenn man Kohlestrom durch Windstrom ersetzt. Das ist ein Rechenartefakt durch die willkürliche Bewertung beim Wirkungsgradprinzip.”
Man ersetzt eben nicht Kohlestrom durch Windstrom, sondern Primärenergie Kohle durch Primärenergie Windenergie. Und dadurch sinkt der Primärenergiebedarf.
Außer im Substitutionsprinzip, weil man hier den Strom aus Windenergie betrachtet als wäre er fossil erzeugt worden.
—
“Jede Quelle, die das Wirkungsgradprinzip verwendet, hat ein Plausibilitätsproblem, weil sie nicht nutzbare Verluste als nutzbare Energie zählt.”
Man könnte auch sagen: Jede Quelle, die das Substitutionsprinzip nutzt, hat ein zunehmendes Plausibilitätsproblem, weil sie nicht nutzbare – weil nicht vorhandene – Verluste als Primärenergie zählt.
Übrigens, das bei our world in data links bzw. oben ist die direct equivalent method. Wirkungsgradmethode wäre physical (energy) content method.
Zu erkennen auch daran, dass dort “nuclear or renewables” steht. Nuclear hätte im Input nach Wirkungsgradprinzip auch Abwärme.
Der Anteil von nuclear würde im Vergleich auch nicht wie die renewables im Mix bei Wirkungsgrad- vs. Substitutionsmethode wachsen sondern leicht abnehmen.
Die Grafiken sind also imho ungeeignet um den Artikel hier zu illustrieren. Falsch beschriftet sind sie so jedenfalls.
Die vergleichen da eben direct equivalent mit substitution und nicht wie du Wirkungsgrad- und Substitutionsmethode.
Nuclear hat Abwärme, weil das in der Wirkungsgradmethode so definiert ist. Dass bei Wind, Solar und Wasser keine Abwärme definiert ist, ist reine Willkür und macht das Wirkungsgradprinzip letztendlich untauglich bei signifikanten Mengen Wind, Solar und Wasser im Energiemix.
Stell dir mal vor wir hätten eine Kennzahl namens Elektrizitätsäquivalent (EÄ), die beschreibt wieviel Strom man mit einem Energieträger erzeugen könnte nach Abzug von Wirkungsgradverlusten. EÄ wäre nach deiner Sicht die perfekte Kennzahl, weil sie die Abwärme komplett weglässt.
Genau diese Kennzahl EÄ haben wir schon in Form der Primärenergie nach Substitutionsprinzip. Ja, die Zahlen sind alle um den Primärenergiefaktor aufgebläht. Aber das ist ja eine sehr einfach vornehmbare Korrektur. Wegen mir können wir auch in EÄ rechnen. Ist halt unüblich.
P.S.
Die Unterschiede zwischen “Direct Equivalent” und “Physical Energy Content” sind vernachlässigbar. Beide Methoden sind untauglich für den Vergleich von Energiebilanzen verschiedener Jahre, weil sie die Abwärme von fossilen Quellen als nutzbare Energie zählen.
(1/2)
Nein, das ist nicht Willkür sondern begründet sich daraus, dass die Abwärme dort physikalisch nicht existiert.
Die Behauptung zur Untauglichkeit ist so auch falsch.
Es ist eher genau anders rum, bei hohen Anteilen Erneuerbarer im Energiemix wird irgendwann kein Strom mehr fossil erzeugt werden. Der Primärenergiefaktor wird dann auch technisch komplett unsinnig weil nichts mehr mit dem Wirkungsgrad substituiert wird.
Systeme mit hohem Anteil nicht fossiler Energie werden generell vom Substitutionsprinzip extrem schlecht repräsentiert.
Die Wirkungsgrade in der Erzeugung bei Wind & Co. sind technisch für die Primärenergiebetrachtung unerheblich, da es hier keine Rückkopplung auf den Verbrauch der Primärenergie gibt wie bei den Fossilen.
Daher zählt man hier im Wirkungsgradprinzip sinnvollerweise ab der Sekundärenergie bzw. setzt 100 % an.
—
Nein. Zum einen würde ich den Begriff nicht verwenden, weil es in der Physik keine Energieäquivalente gibt.
Zum anderen will im Gegensatz zu dir auch niemand Abwärme weglassen wo sie physikalisch nun mal unvermeidbar auftritt.
Zu berechnen, wieviel Strom man aus sämtlicher fossiler Primärenergie erzeugen könnte, wäre auch kompletter Unsinn, denn der Großteil der Fossilen wird schließlich überhaupt nicht verstromt. Das macht auch das Substitutionsprinzip nicht.
Der Zubau der Erneuerbaren ersetzt zudem (insb. in Zukunft) bei weitem nicht nur fossile Stromproduktion.
Daher ist das Substitutionsprinzip auch so willkürlich, weil der Primärenergiefaktor dies praktisch unterstellt.
—
Nochmal nein. Wenn du das denkst hast du das Substitutionsprinzip fundamental nicht verstanden.
Falls du das aus dem Our World in Data Artikel ableitest, der ist didaktisch leider sehr ungünstig geraten.
Was die in den Diagrammen da machen lässt sich so auf einen realen Primärenergiemix nicht problemlos übertragen.
Primärenergie nach Substitutionsprinzip ist in einer Welt mit 50% Fossilen genauso aussagekräftig, wie in einer Welt mit 100% Fossilen oder 0% Fossilen.
Genau das ist beim Wirkungsgradprinzip anders. Das macht nur Sinn in einer Welt mit 100% Fossilen oder 0% Fossilen. Alles dazwischen wird verzerrt, weil man Abwärme bei Fossilen als nutzbare Energie zählt.
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“Systeme mit hohem Anteil nicht fossiler Energie werden generell vom Substitutionsprinzip extrem schlecht repräsentiert.”
Es ist genau umgekehrt. Systeme mit hohem Anteil nicht fossiler Energie werden vom WIRKUNGSGRADPRINZIP schlecht repräsentiert. Das Substitutionsprinzip behandelt jeden Erzeuger gleich, egal ob fossil oder nicht. Es wird keine Abwärme als nutzbare Energie gezählt!
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“Die Wirkungsgrade in der Erzeugung bei Wind & Co. sind technisch für die Primärenergiebetrachtung unerheblich, da es hier keine Rückkopplung auf den Verbrauch der Primärenergie gibt wie bei den Fossilen.”
Ausschließlich bei Wind, Solar und Hydro Sekundär- statt Primärenergie zu zählen und das dann trotzdem Primärenergie zu nennen ist pure Willkür und basiert weder auf physikalischen noch auf bilanziellen Argumenten.
Letztendlich geht es darum eine für den Vergleich verschiedener Energiequellen taugliche Kennzahl zu finden. Das ist das Wirkungsgradprinzip nicht, weil es Abwärme als nutzbare Energie zählt. Das Substitutionsprinzip aber schon, weil es alle Erzeuger gleich behandelt.
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“Zum anderen will im Gegensatz zu dir auch niemand Abwärme weglassen wo sie physikalisch nun mal unvermeidbar auftritt.”
Laut Carnot ist Abwärme niemals komplett vermeidbar! Abwärme als 100% Nutzenergie zu zählen, wie es im Wirkungsgradprinzip passiert, verzerrt die Energiebilanzen und macht verschiedene Energieträger unvergleichbar.
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“Zu berechnen, wieviel Strom man aus sämtlicher fossiler Primärenergie erzeugen könnte, wäre auch kompletter Unsinn, denn der Großteil der Fossilen wird schließlich überhaupt nicht verstromt. Das macht auch das Substitutionsprinzip nicht.”
Genauso wenig werden alle Fossilen in Wärme umgesetzt. Es macht also keinen Sinn Abwärme als Nutzenergie zu zählen!
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“Wenn du das denkst hast du das Substitutionsprinzip fundamental nicht verstanden.”
Ich glaube allerdings auch, dass es hier um ein Verständnisproblem gibt. Mir kommt es so vor, als ob du die beiden verwechselst und denkst ich würde hier das Wirkungsgradprinzip promoten.
Besonders verwirrend ist deine Aussage das Substitutionsprinzip würde nicht-fossile Erzeuger benachteiligen, obwohl es genau umgekehrt ist.
Bitte dazu einfach mal die Zahlen der beiden Methoden vergleichen, wie es in dem Our World in Data Artikel gemacht wird. Vielleicht wird es durch handfeste Beispiele klarer, dass man fossile Abwärme nicht als nutzbare Energie zählen sollte.
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Wenn der Windanteil laut Substitutionsprinzip bei 9% liegt, laut Wirkungsgradprinzip aber nur bei 5%, wie kannst du dann behaupten das Substitutionsprinzip würde Wind benachteiligen?
Wenn der Solaranteil laut Substitutionsprinzip bei 3,5% liegt, laut Wirkungsgradprinzip aber bei unter 2%, wie kannst du dann behaupten das Substitutionsprinzip würde Solar benachteiligen?
Irgendwie habe ich hier Probleme mit den Kommentaren.
Die meisten scheinen nach dem Posten im Nirwana zu verschwinden.
Daher zunächst der dritte Versuch den 2. Teil zu posten, bevor ich auf deinen Beitrag antworte.
(2/2)
Problematisch wird es insbesondere, wenn man aus dem Substitutionsprinzip ein falsches Verständnis von Energie ableitet.
Der Primärenergiefaktor erlaubt es nicht, beliebig zwischen thermischer und elektrischer Energie umzurechnen. Das geht physikalisch nicht.
Das kann man nicht oft genug betonen.
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“Die Unterschiede zwischen “Direct Equivalent” und “Physical Energy Content” sind vernachlässigbar. Beide Methoden sind untauglich für den Vergleich von Energiebilanzen verschiedener Jahre, weil sie die Abwärme von fossilen Quellen als nutzbare Energie zählen.”
Nochmal, alle Methoden zur Primärenergieermittlung zählen die komplette eingesetzte fossile Energie mit ihrem Heizwert. Die darin enthaltene downstream nicht nutzbare Abwärme (sofern vorhanden) verschwindet dort auch im Substitutionsprinzip nicht, nur weil man den EE Strom mit dem Primärenergiefaktor multipliziert.
Wenn man das in realen Systemen andersrum machen würde wie Our World in Data in ihrem Beispiel erhält man zwar korrekte Anteile für den Mix, aber falsche Werte für die TPE bei den Fossilen.
Das Vorgehen dort widerspricht auch der Definition des Substitutionsprinzips und ist spätestens in realen Systemen, in denen Fossile nicht nur zur Verstromung eingesetzt werden, physikalisch falsch.
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Ich habe diese Punkte auch direkt per mail bei Our World in Data angemerkt und mir wurde bestätigt, dass ich mit der Kritik richtig liege und der Artikel voraussichtlich im Laufe des Jahres überarbeitet wird.
Daher nochmal meine Empfehlung, diesen Artikel hier vorerst nicht weiter als Grundlage zu verwenden.
Beim Substitutionsprinzip geht es wirklich nicht darum, bei den Fossilen die Abwärme rauszurechnen oder diese nicht mitzuzählen!
Sorry, deine Kommentare sind aus irgendeinem Grund im WordPress-Spamfilter gelandet. Ich vermute, wegen der Links. Ich schalte die, die du noch nicht wiederholt hast frei.
Danke!
“Der Primärenergiefaktor erlaubt es nicht, beliebig zwischen thermischer und elektrischer Energie umzurechnen. Das geht physikalisch nicht.”
Umrechnen musst du das natürlich immer anlagenspezifisch, also nach Wirkungsgrad. Der Primärenergiefaktor ist immer nur eine Annäherung an die üblichen Umwandlungsverluste. Egal was du machst, du darfst niemals eine kWhth und eine kWhel gleichsetzen, wie es das Wirkungsgradprinzip macht.
—
“Die darin enthaltene downstream nicht nutzbare Abwärme (sofern vorhanden) verschwindet dort auch im Substitutionsprinzip nicht, nur weil man den EE Strom mit dem Primärenergiefaktor multipliziert.”
Wenn du 3 Zahlen x, y und z hast und nur x mit 3 multiplizierst, dann ist x überbewertet.
Wenn du x und y mit 3 multiplizierst, dann ist z unterbewertet.
Wenn du alle drei mit 3 multiplizierst, sind alle gleichbewertet.
Letzteres ist das Substitutionsprinzip, welches Abwärme bei allen Erzeugern mitzählt – also letztlich keine Abwärme mitzählt. Abwärme ist keine nutzbare Energie!
—
Our World in Data hat eine weiterführende Erklärung für die Details des Substitutionsprinzips. Das ist aber keine Grundlage für diesen Artikel. Meine Grundlage ist ausschließlich das BP Statistical Review, das mit großem Abstand am meisten genutzte Zahlenwerk zur Primärenergie.
Oh, hat wohl geklappt.
Dann versuche ich es direkt mit der Antwort, auch auf die Gefahr hin mich einfach nur zu wiederholen.
—
“Es ist genau umgekehrt. Systeme mit hohem Anteil nicht fossiler Energie werden vom WIRKUNGSGRADPRINZIP schlecht repräsentiert.”
Nein.
IEA zur Substututionsmethode:
https://www.iea.org/statistics-questionnaires-faq
“This method has several shortcomings including the difficulty of choosing an appropriate generating efficiency and the fact that it is not relevant for countries with a high share of hydro electricity. For these reasons, the IEA, as most of the international organisations, has now stopped using this method and adopted the physical energy content method.”
Dieses Paper über die Substitutionsmethode:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032119302448
“(…)in energy system that are dominated by renewables, (e.g. hydro-electricity
dominated countries such as Norway), this method gives a distorted
view on the reality of the system as its representation is based on
thermal generation (with relative low conversion efficiencies) while in
reality the system is based on non-combustible sources.”
—
“Genauso wenig werden alle Fossilen in Wärme umgesetzt. Es macht also keinen Sinn Abwärme als Nutzenergie zu zählen!”
Es geht bei den diskutierten Verfahren um Messung von Primärenergie. Nicht Nutzenergie.
Um die Nutzenergie zu erhalten muss ich natürlich die Abwärme upstream mit in das System hinein geben.
Bei der Primärenergie geht es nun mal darum alle in das System hineingegebene Energie zu zählen die nötig ist um die Nutzenergie letztendlich bereitzustellen.
Bei den Fossilen zählen diese Primärenergie alle Verfahren an der selben Stelle.
—
“Laut Carnot ist Abwärme niemals komplett vermeidbar! Abwärme als 100% Nutzenergie zu zählen, wie es im Wirkungsgradprinzip passiert, verzerrt die Energiebilanzen und macht verschiedene Energieträger unvergleichbar.”
Nochmal, wir betrachten hier Verfahren zum Zählen von Primärenergie und nicht von Nutzenergie!
—
“Ich glaube allerdings auch, dass es hier um ein Verständnisproblem gibt.”
Ja. Die Definition des Substitutionsverfahrens ist sinngemäß, bei Strom aus Quellen ohne Heizwert diesen zu behandeln als wäre er fossil erzeugt worden und dann die dafür nötige angenommene Menge fossile Energie als Primärenergie zu zählen. Mehr nicht.
Siehe IEA, BP, IPCC, sämtliche Literatur zu dem Thema.
Beispielhaft nochmal die Definition aus dem Paper von oben:
“With this method the primary energy equivalent for non-combustible energy
sources that produce electricity, is defined by the hypothetical amount
of energy it would require, on average, to produce an equivalent
amount of electricity in a thermal power station using combustible
resources.”
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Aus der Definition des Substitutionsprinzips lässt sich NICHT ableiten, in dem Verfahren würde nicht Nutzbare Abwärme bei den Fossilen rausgerechnet oder sonstwie nicht mitgezählt! Das findest du in keiner Quelle. Wann immer das irgendwo behauptet wird, geht das auf Our World in Data zurück. Das funktioniert mathematisch zur Berechnung der Anteile im Mix zwar, aber dieses Vorgehen widerspricht eben der Definition des Prinzips. So berechnete absolute Werte für die Primärenergie bei den Fossilen sind schlicht falsch. Das Verfahren wird bei Our World in Data entsprechend falsch dargestellt. Das haben sie inzwischen auch selber eingesehen. Die Überarbeitung des Artikels folgt wie gesagt.
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“Bitte dazu einfach mal die Zahlen der beiden Methoden vergleichen, wie es in dem Our World in Data Artikel gemacht wird. Vielleicht wird es durch handfeste Beispiele klarer, dass man fossile Abwärme nicht als nutzbare Energie zählen sollte.”
Im Gegenteil. Siehe oben. Der Artikel und das Beispiel dort ist falsch! Bitte nicht mehr als Quelle verwenden, sondern Definition des Verfahrens verstehen.
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“Besonders verwirrend ist deine Aussage das Substitutionsprinzip würde nicht-fossile Erzeuger benachteiligen, obwohl es genau umgekehrt ist.”
Ich weiß jetzt echt nicht, woher du die Aussage bei mir nimmst.
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Ich fürchte, wir kommen hier nicht weiter, so lange du an dem Irrtum festhältst, die Substitutionsmethode würde als einzige Methode bei der Primärenergie die Abwärme nicht mitzählen.
Denn nochmal: Das entspricht nicht der Definition des Verfahrens. Der Our World in Data Artikel erweckt zwar den Anschein in dem Beispiel, er ist aber falsch, die wissen das auch und er wird in Zukunft korrigiert.
Warum sollte das Substitutionsprinzip ein Problem mit einem hohen Anteil von Wasserkraft haben? Gerade bei einem hohen Anteil von Wasserkraft ist das Substitutionsprinzip überlegen.
“Primärenergie nach Substitutionsprinzip ist in einer Welt mit 50% Fossilen genauso aussagekräftig, wie in einer Welt mit 100% Fossilen oder 0% Fossilen. Genau das ist beim Wirkungsgradprinzip anders”
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“Bei der Primärenergie geht es nun mal darum alle in das System hineingegebene Energie zu zählen die nötig ist um die Nutzenergie letztendlich bereitzustellen.”
Wenn es dein Ziel ist rein physikalisch die Primärenergie VOR Umwandlungsverlusten zu zählen, warum zählst du dann bei Wind, Solar und Wasser die Sekundärenergie NACH Umwandlungsverlusten?
Und was versprichst du dir von dieser rein physikalischen Messung der Primärenergie? Auch bei einer solchen Methode wären verschiedene Energiequellen nicht vergleichbar. Diese physikalisch motivierte Kennzahl wäre in der Praxis nutzlos, weil sie verschiedene Erzeuger unterschiedlich gewichtet.
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“Die Definition des Substitutionsverfahrens ist sinngemäß, bei Strom aus Quellen ohne Heizwert diesen zu behandeln als wäre er fossil erzeugt worden und dann die dafür nötige angenommene Menge fossile Energie als Primärenergie zu zählen. Mehr nicht.”
100% einverstanden mit dieser Definition. Durch dieses Verfahren können wir alle Energieerzeuger 1:1 vergleichen, egal wie sie funktionieren. Alle Erzeuger werden gleich gewichtet.
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“Aus der Definition des Substitutionsprinzips lässt sich NICHT ableiten, in dem Verfahren würde nicht Nutzbare Abwärme bei den Fossilen rausgerechnet oder sonstwie nicht mitgezählt! ”
Doch, genau das lässt sich ableiten. Wenn du x, y und z mit dem gleichen Faktor multiplizierst, kürzt sich dieser Faktor heraus. Es gibt keine unterschiedliche Gewichtung von Erzeugern.
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“So berechnete absolute Werte für die Primärenergie bei den Fossilen sind schlicht falsch. ”
Wie kann eine willkürlich definierten Kennzahl “falsch” sein?
Dazu ein passendes Zitat:
„Im Prinzip sind alle Modelle falsch, aber manche sind nützlich“
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Nachdem du die Fragen zu den Zahlen aus der Praxis in Deutschland geflissen ignoriert hast, stell ich sie nochmals:
“Wenn der Windanteil laut Substitutionsprinzip bei 9% liegt, laut Wirkungsgradprinzip aber nur bei 5%, wie kannst du dann behaupten das Substitutionsprinzip würde Wind benachteiligen?
Wenn der Solaranteil laut Substitutionsprinzip bei 3,5% liegt, laut Wirkungsgradprinzip aber bei unter 2%, wie kannst du dann behaupten das Substitutionsprinzip würde Solar benachteiligen?”
Danke für den Link zu dem Paper “The influence of the energy transition on the significance of key energy metrics”. Hab es eben interessiert durchgelesen.
Das bestärkt fast alles, was ich hier im Artikel gesagt habe. Radikal finde ich allerdings die Schlußfolgerung, dass man die Primärenergie komplett über Bord werfen soll, weil manche Definitionen von Primärenergie ungeeignet sind. Da schütttet man das Kind mit dem Badewasser aus.
Das würde ich nicht mitgehen, eine sinnvolle Definition von Primärenergie reicht.
Die Endenergie mag zwar eindeutiger definiert sein, aber hat durch die Überbewertung von fossilen Verbrennern ebenfalls ein enormes Problem mit Bilanz-Artefakten.
Leider versucht das Paper keine Bewertung der verschiedenen Definitionen von Primärenergie und listet nicht einmal die Vor- und Nachteile der Methoden.
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Bei dem Tricksen mit installierter Leistung, die auch in dem Paper angesprochen wird, kommt natürlich kein Widerspruch von mir. Solche bewusste Irreführungen sieht man ja mindestens einmal pro Tag auf Twitter.
Ich überlege tatsächlich gerade einen Artikel zu schreiben, wie man solches “Lügen mit Zahlen” erkennt. Wirkungsgradprinzip und installierte Leistung sind vielleicht die bekanntesten, aber nicht die einzigen Beispiele dafür. Ebenfalls sehr häufig ist z.B. die Gleichsetzung von Elektrizität mit Energie a la: “Wir haben schon 50% der Energiewende geschafft, siehe Strommix!”…
Der versprochene Artikel dazu ist fertig.
Da sind auch Zahlen zu Endenergie, Wirkungsgradmethode und Substitutionsmethode für Deutschland gegenübergestellt. Vielleicht verstehen wir uns anhand eines Beispiels besser. Ich glaube, dass wir grundsätzlich das Gleiche wollen.
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Es ist außerdem ein Beitrag zur Debatte warum in Deutschland die Primärenergie von Wind-, Solar- und Wasserkraft um den Faktor 3 unterbewertet wird. 1
das habt ihr falsch interpretiert.
Mit dem WKP wurde für den „Wärmewert“ von Strom aus der Windkraft oder Photovoltaik so verfahren, als wenn 1 kWh Endenergie äquivalent zu 3.600 Kilojoule/kg (3,6 MJ/kg) Wärme oder eben 1 kWh Primärenergieeinsatz sind. Hiernach gibt es also keine Umwandlungsverluste. Nach dem Wirkungsgradprinzip ergibt sich folglich bei der Erzeugung von Strom aus Kohle unter dem Ansatz eines (mittleren) Wirkungsgrades von 38 Prozent für 1 kWh Strom ein Primärenergieäquivalent (1/0,38) von 2,632 kWh. Hiernach führen 2,6 kWh Primärenergieeinsatz von Kohle zu 1 kWh Endenergie, wonach sich bilanzmäßig 1,6 kWh als Verlustleistung definieren. So ergibt sich allein rechnerisch nach der Bewertungsmethode, dass der Einsatz der Windenergie folglich 2,6mal „effizienter“ ist als der Einsatz fossiler Brennstoffe. Zugleich folgt, dass rechnerisch theoretisch auch rund 2,6mal weniger CO2 emittiert werden.
Genau das ist ja der Punkt, warum das Wirkungsgradprinzip nicht geeignet für Vergleiche verschiedener Energieträger ist.
1 kWh Elektrizität leistet genau das gleiche, egal ob sie aus z.B. Wasserkraft oder Kohlekraft stammt. Es gibt keinen Effizienzgewinn, wenn man 1kWh aus einem Kohlekraftwerk durch 1 kWh aus einem Wasserkraftwerk ersetzt. Wenn das Wirkungsgradprinzip einen solchen Effizienzgewinn suggeriert, dann ist offensichtlich die Metrik unbrauchbar.
Und mit CO2-Emissionen hat das überhaupt gar nichts zu tun.
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