Von der Energieeffizienz zur Energiequalität – Teil 2 der Serie Energieeffizienz einfach erklärt

Im ersten Teil dieser Beitragsreihe zum Thema „Energieeffizienz einfach erklärt“ haben wir uns mit der „Bedeutung der Energieeffizienz“ befasst. Nun schauen wir uns das Thema „Bedeutung der Energiequalität“ näher an. Nachdem deutlich wurde, dass sich das „Energieproblem“ nicht alleine mit der Suche nach neuen (weniger gefährlichen und weniger umweltbelastenden) Energiequellen lösen lässt und die Energieeffizienz als weitere „Energiequelle“ (Energie, die man nicht verbraucht, muss auch nicht erzeugt werden) entdeckt wurde, wurden Energiemanagementsysteme politisch gefördert, um dieses Potenzial zu heben. Dabei ist es wichtig, Energie nicht nur quantitativ (Energiemenge), sondern auch qualitativ zu betrachten. In diesem Beitrag werden die Konzepte der Energieentwertung und der Exergie erläutert.

Weitere Beiträge aus unserer Serie Energieeffizienz einfach erklärt:

Teil 1: Dies ist die Bedeutung der Energieeffizienz
Teil 2: Von der Energieeffizienz zur Energiequalität
Teil 3: Was ist Entropie und wie steht diese im Zusammenhang mit Energie?
Teil 4: Was ist Energie und welche Bedeutung hat sie?
Teil 5: Energieverbrauch in Deutschland – relevante Einsparpotenziale in Wirtschaft und Industrie
Teil 6: Die Prozesswärme in der Industrie als größter Energieverbraucher
Teil 7: Abwärmenutzung in der Industrie – Ermitteln Sie Ihre Potenziale mit der Pinch Analyse
Teil 8: Raumwärme und Warmwasser als Energieträger – So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz
Teil 9: So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz bei der Nutzung von Prozesskälte und Klimakälte
Teil 10: Energieeffiziente Elektromotoren und Pumpen als Querschnittstechnologien
Teil 11: So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz durch energieeffiziente Beleuchtung am Arbeitsplatz
Teil 12: Energieeffizienz in der Informations- und Kommunikationstechnik
Teil 13: Energieeffizienz im Verkehr

Die Entdeckung der Energieeffizienz

Als im Jahr 1980 das Freiburger Öko-Institut die Studie „Energiewende“ veröffentlichte, basierte die Vorstellung von der künftigen Energieversorgung auf den Erfahrungen der Vergangenheit, vor allem der Nachkriegszeit: Mit dem Wachstum der Wirtschaft war ein ebenso starkes Wachstum des Energieverbrauchs einhergegangen und die gängigen Prognosen, auf denen die Planungen der Regierungen beruhten, schrieben diesen Trend in die Zukunft fort. Wirtschaftswachstum, so schien es, musste zwangsläufig mit steigendem Energieverbrauch einhergehen; und bei aller ökologischen Kritik am Wirtschaftswachstum (Grenzen des Wachstums von 1972 etc.) stellte kaum jemand den Wachstumskurs ernsthaft in Frage. Auch das Öko-Institut, das diesem Kurs durchaus kritisch gegenüberstand, traute sich nicht, seine Überlegungen zur Energiewende mit der Forderung zu verknüpfen, auf künftiges Wirtschaftswachstum zu verzichten, behauptete aber, Wirtschaftswachstum sei auch bei sinkendem Energieverbrauch möglich: Es verwies auf das Konzept der „Energiedienstleistung“, das auf Amory Lovins‘ „Sanfte Energie“ von 1979 zurückging: zentral für den Wohlstand einer Gesellschaft sei die Energiedienstleistung, also das, was die Energie für uns tut. Niemand will Öl verbrauchen, sondern nimmt dies in Kauf, um eine warme Wohnung zu haben oder an andere Orte zu gelangen. Der Energieverbrauch sei aber nicht direkt von den erbrachten Energiedienstleistungen abhängig, sondern auch vom spezifischen Energieverbrauch und der hängt von der Nutzungstechnik ab.

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Der richtige Energieträger für verbesserte Energieeffizienz und verringertem Energieverbrauch

Ein kleines Einfamilienhaus mit 100 m² Nutzfläche warm zu halten, könnte z.B. 3.700 Liter Heizöl im Jahr brauchen (das damalige Durchschnittshaus mit Ölheizung), oder aber nur 900 Liter, wenn es etwa nach dem damaligen schwedischen Standard für Neubauten gedämmt wäre. Eine bessere Energienutzung wurde daher (neben dem Strukturwandel) zu einem Grundpfeiler der Energiewende-Studie: Verbesserte Nutzungstechnik war für die Autoren die größte Energiequelle überhaupt. Dabei war es ihnen wichtig, nicht nur den klassischen Wirkungsgrad, sondern das gesamte System der Energienutzung zu betrachten: Es nützt wenig, wenn eine hocheffiziente Ölheizung ein schlecht gedämmtes Haus erwärmen soll, weshalb die Kernfrage ist, mit welchem System aus Erzeugung und Nutzung die gewünschte Energiedienstleistung am besten zu erbringen ist. Diese Frage betrifft nicht nur den Endenergienutzer, sondern auch die vorgelagerte Erzeugungskette von der Primärbis zur Endenergie: so ist etwa die Stromerzeugung in Wärmekraftwerken prinzipiell mit erheblichen Verlusten behaftet, die den Energieverbrauch ansteigen lassen. Um dieses zu verstehen, müssen wir noch einen Blick auf eine zweite (neben der im Verbrauch gemessenen Menge) wichtige Eigenschaft der Energie werfen: ihre Qualität. Hochwertige Energieträger für Zwecke zu verwenden, für die auch niederwertige Energieträger ausreichen, ist nämlich ebenfalls eine Form der Verschwendung und zudem teuer: in der Regel kosten Energieträger umso mehr, je hochwertiger sie sind. (Leider hilft diese Tatsache allein nicht, die Verwendung adäquater Energieträger sicherzustellen, wie die immer noch verbreitete Raumheizung mit Strom zeigt: Entweder wird eine echte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung gar nicht erst durchgeführt, oder aber die Energiekosten werden nicht von dem gezahlt, der über die Technik entscheidet [das sog. „Mieterdilemma“ – der Vermieter entscheidet über die Nutzungstechnik, der Mieter zahlt die Energiekosten]).

Energieeffizienz und Energiequalität

Auch wenn wir von Energieverbrauch sprechen: Energie kann nicht verloren gehen, sondern ihre Menge bleibt immer gleich (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Das ist natürlich kein Trost, wenn unser Auto nicht mehr fährt, weil der Tank leer ist – aber tatsächlich ist die (chemische) Energie, die einst im Benzin gesteckt hat, nicht verloren, sondern sie ist in Wärme umgewandelt worden; in der Summe hat sie die Umgebung leicht erwärmt. Die Menge in kWh ist dabei gleichgeblieben, allerdings – und darum reden wir von „Energieverbrauch“ – können wir mit der Wärme kein Auto mehr fahren. Benzin ist also „hochwertiger“ als Wärme (niedriger Temperatur), weil sich mit Benzin praktisch mehr Dinge tun lassen. Je vielseitiger ein Energieträger ist, desto „hochwertiger“ ist er; eine Energiemenge von 10 kWh kann also einen sehr unterschiedlichen „Wert“ haben. Besonders hochwertig ist elektrischer Strom, der praktisch extrem vielseitig ist: so hat er etwa den Computer, auf dem dieser Text geschrieben worden ist, mit Energie versorgt (mit Benzin wäre es nicht gegangen). Als Maß für die Energiequalität eines Energieträgers wird der Anteil der Energie, der maximal zur Verrichtung einer Arbeit genutzt werden kann, herangezogen. In der Technik wird er als Exergie bezeichnet, ihr steht der nicht zur Verrichtung einer Arbeit nutzbare Anteil (der jedoch immer in Wärme umgewandelt werden kann) gegenüber, die Anergie. Der Exergieanteil einer Energieform errechnet sich Exergie/Energie; im Falle von Strom beträgt er 1: das heißt, Strom kann zu 100 % zur Verrichtung einer Arbeit genutzt werden. Der Exergieanteil von Brennstoffen ist ebenfalls hoch, der von Wärme hängt von der Differenz zur Umgebungstemperatur ab: bei 500 °C beträgt er bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C 0,66, bei 100 °C 0,21, und bei 20 °C 0 (die Wärme ist also überhaupt nicht zur Verrichtung einer Arbeit nutzbar).

Energieentwertung als „Mitläufer“ des Energieverbrauchs

Man könnte den „Energieverbrauch“ auch als „Energieentwertung“ beschreiben, wird dabei doch eine hochwertige Energieform in eine weniger hochwertige Energieform umgewandelt; sie ist anschließend nicht mehr (oder nur noch eingeschränkt) für den ursprünglichen Verwendungszweck geeignet. Eine solche „Entwertung“, bei der Energie in eine weniger nützliche Form überführt wird, läuft selbsttätig ab. Zum „Verbrauch“ in unserer Alltagswahrnehmung wird diese Entwertung dadurch, dass sie unumkehrbar („irreversibel“) ist: von alleine geht sie nicht andersherum (aus niedriger Wärme wird niemals wieder Benzin). Wenn man einen Energieverbrauch rückgängig machen will (was nur eingeschränkt möglich ist: so kann man aus Wärme kein Benzin mehr machen, aber etwa eine abgekühlte Tasse Tee wieder erwärmen), muss man Energie zufügen. Die Umkehr eines solchen selbsttätigen Prozesses ist nur möglich, wenn auf der „Gegenseite“ ein anderer selbsttätiger Prozess abläuft, bei dem Energie entwertet wird: es gibt also keine Aufwertung ohne parallel ablaufende Entwertung (bei dem erwärmten Tee ist dieses mit „Energieentwertung“ auf Seiten der Wärmequelle erkauft). Der Prozess, der einen anderen entgegen der natürlichen Richtung ablaufen lässt, ist dabei immer mit einer im Vergleich zur Energieaufwertung größeren Energieentwertung verbunden (wäre dem nicht so, wäre der Vorgang umkehrbar, und ein „Perpetuum mobile“ wäre denkbar). Mit anderen Worten: Bei Energieumwandlungen kann in der Summe Exergie immer nur verloren gehen, nicht aber zunehmen. (Beim Abkühlen des Tees nimmt die Exergie ab, da seine Temperatur absinkt, wird er wieder erwärmt, muss bei der Erwärmung mehr Exergie verloren gehen, als dem Tee wieder zugeführt wird.) Damit die Energiemenge bei diesem Vorgang erhalten bleibt, muss die Umwelt mit betrachtet werden: in der Summe wird ihr bei der Umwandlung von Energie immer Energie (in der Form von Abwärme) zugeführt.

Energieentwertung durch Verluste in Wärmekraftwerken

Entscheidend für die Energieeffizienz in klassischen Wärmekraftwerken (die Kohle, Gas, Öl, aber auch Biomasse oder Abfälle verbrennen) ist der Umweg über einen Dampfkessel: der Brennstoff wird verbrannt, die im Brennstoff chemisch gebundene Energiemenge wird (mit einem sehr hohen Wirkungsgrad) auf Wasser übertragen, das dabei verdampft und die bei der Verbrennung entstandene Wärme findet sich danach im Wasser-Dampf-Kreislauf wieder. Der Exergie-Anteil hängt, siehe oben, von der Temperaturdifferenz zwischen der Dampftemperatur und der Umgebungstemperatur ab, weshalb man im Kraftwerksbau möglichst hohe Dampftemperaturen anstrebt. Mit diesen steigt allerdings auch der Dampfdruck an, und die Grenzen werden durch die Materialfestigkeit bei hohen Temperaturen vorgegeben. Andererseits lässt sich die Umgebungstemperatur nicht auf den absoluten Nullpunkt absenken (-273,15 °C), so dass immer ein Anteil von Anergie, also nicht in physikalische Arbeit umwandelbare Energie im Wasserdampf steckt. Die Wärme aus dem Dampf, der im Wärmekraftwerk eine Dampfturbine in eine Drehbewegung versetzt, die auf den Generator übertragen wird und dort Strom erzeugt kann also nur zum Teil (nämlich dem Exergieanteil) in elektrische Energie umgewandelt werden (dass es unmöglich ist, Wärme vollständig in mechanische Energie umzuwandeln, hatte schon im 19 Jh. Max Planck entdeckt). Das eigentliche Maß für die technische Güte eines Wärmekraftwerks ist daher der Wirkungsgrad des Exergieanteils; aber ein erheblicher Energieverlust (der nicht nutzbarer Anergie) ist unvermeidlich, weshalb der Gesamtwirkungsgrad eines Wärmekraftwerks immer unter dem Exergieanteil liegen muss; selbst modernste Gaskraftwerke mit Gas- und Dampfturbine erreichen nur einen Gesamtwirkungsgrad von fast 60%.

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In der Konsequenz folgt die Berücksichtigung beim Energieeinsatz

Diese Betrachtung zeigt auch, warum die Qualität einer Endenergieform möglichst gut an die Anforderung angepasst sein sollte: Wenn man den Umweg über ein Wärmekraftwerk nimmt, um Strom zu erzeugen, der dann für einen Zweck verwendet wird, den man ebenso gut mit dem Brennstoff direkt erreicht hätte (wie die Heizung eines Raumes), verursacht man vermeidbare Energieverluste (die Anergie in der Wärme lässt sich ja zur Heizung nutzen). Auch wenn etwa in einem Energiemanagementsystem nach ISO 50001 die Betrachtung solcher Zusammenhänge nicht zwingend gefordert ist: da man diesen Aufwand bezahlt, kostet eine kWh Strom aus einem Wärmekraftwerk deutlich mehr als eine kWh Wärme aus der Verbrennung von Brennstoffen. Noch teurer wird es, wenn man den teuren Strom dann weiter veredelt, also zum Beispiel Druckluft erzeugt – auch deshalb sollte man Druckluft nur dort einsetzen, wo es aus technischen oder Sicherheitsgründen nicht anders geht, aber keinesfalls nur aus Bequemlichkeit. Anders sieht die Betrachtung dann aus, wenn der Strom aus direkt erzeugenden (also nicht den Umweg über Wärme gehenden) Kraftwerken wie Fotovoltaik, Wind- oder Wasserkraft kommt: auch hier wird die Energie der „Primärenergieträger“ Sonne, Wind und Wasser nur teilweise genutzt, aber die Nutzung ist weder mit Rohstoffverbräuchen noch mit Emissionen verbunden, sodass diese „Verschwendung“ zu verkraften ist, weshalb sie (zu Recht) bei der Definition des Wirkungsgrades auch nicht betrachtet wird.

Ich wünsche Ihnen viel Erfolg.
Ihr Jürgen Paeger

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