Energiemessung: Verluste und Effizienzgewinne – und ein Silberstreif am Stromhorizont

Die US Energy Information Administration definiert Energie so: „Wissenschaftler definieren Energie als Leistungsfähigkeit. Die moderne Zivilisation ist möglich, weil Menschen gelernt haben, Energie umzuwandeln und für ihre Arbeit zu nutzen. Menschen verbrauchen Energie für ganz verschiedene Dinge, wie laufen, Fahrrad fahren, Autos auf Straßen und Boote auf dem Wasser bewegen, auf Öfen kochen, Eis in Gefrierschränken herstellen, Wohnungen und Büros beleuchten, Produkte herstellen und Astronauten ins All schicken.“¹

Mit anderen Worten: Energie bringt uns Licht, Wärme und Bewegung. 

Und Energie steht ganz oben auf der Agenda der Politik und der Gesellschaft. Alle Wirtschaftsakteure und Investoren müssen „grüner“ werden, sodass wir erheblich mehr erneuerbare Energie benötigen. Immer mehr Innovationen in Technik und Technologie tragen dazu bei, die globalen Klimaziele zu erreichen, wodurch wiederum immer mehr langfristige Investmentchancen entstehen.

Abbildung 1 veranschaulicht das gesamte Energiesystem und seine praktische Bedeutung für unseren Alltag.

Abbildung 1: Wärme und Leistung im globalen Energiesystem

Quelle: From using heat to using work: reconceptualising the zero carbon energy transition, Nick Eyre, Energy Efficiency, September 2021

Auffallend ist, wie ineffizient das Energiesystem noch immer ist. Die meiste Energie bleibt ungenutzt. Beispielsweise wird in den USA nur ein Drittel der zur Verfügung gestellten Energie tatsächlich genutzt, etwa zur Fortbewegung, zum Kochen oder zum Betrieb einer Fabrik. 

Abbildung 2: Energieströme in den USA 2022

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Quelle: Energy Flow Charts | Flowcharts (llnl.gov). In Energieeinheiten (Quads).

Lücke zwischen Angebot und Verbrauch 

Grundsätzlich kommt der größte Teil (79%) unserer Energie noch immer aus fossilen Brennstoffen.²   Wenn Kohle, Rohöl und Erdgas in etwas Nützliches umgewandelt werden, beispielsweise in Strom, Treibstoff oder Wärme, und wenn Maschinen und Motoren laufen, entweicht die meiste Energie als Wärme oder durch Leckagen – oder geht durch Reibung verloren.

Bei einem üblichen Kohlekraftwerk beläuft sich die Energieausbeute auf etwa 35%. Das heißt, dass 65% der Energie des eingesetzten Rohstoffs, also der Kohle, ungenutzt bleiben. Bei einem modernen Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk beträgt der Verlust „nur“ etwa 55%, bei den besten unter ihnen unter 40%.³

Um dies besser zu verstehen, geben wir im Folgenden einige Definitionen: 

Angebot

• Primärenergie (Total Energy Supply, kurz TES): Alle Energieprodukte, die nicht umgewandelt und direkt genutzt werden. Dazu zählen vor allem Rohöl, Erdgas, Kohle, Biomasse, Sonnen-, Wasser- und Windkraft, geothermische Energie sowie Energie aus der Kernschmelze.
• Sekundärenergie: Alle Energie, die durch die Umwandlung von Primärenergie in eine transportable Form entsteht. Dazu zählen vor allem Strom aus fossilen Brennstoffen und Uran, Flüssigtreibstoffe wie Benzin oder Diesel sowie Wärme.

Verbrauch

• Endverbrauch (Total Final Consumption, kurz TFC): die Energie, die der Endverbraucher kauft und erhält, wie Strom zu Hause oder Benzin an der Tankstelle
• Nützliche Energie oder Energiedienstleistungen: Die Energie, die Endverbrauchern zur Verfügung steht, um ihren Bedarf zu decken, also die bereitgestellte Energie. Sie ist ein Teil des Endverbrauchs. Beispielsweise ist dies die Bewegung eines Autos, LKW oder Flugzeugs beziehungsweise die Wärme, die ein Gasboiler produziert.

Die Internationale Energieagentur (IEA) stellt detaillierte Energiedaten zur Verfügung, die Auskunft über die Entwicklung des Angebots (TES) und den Verbrauch (TFC) sowie deren Differenz geben. In der folgenden Abbildung sehen Sie genau, wo und wie Energie verloren geht.

Abbildung 3: Vom Angebot zum Verbrauch 

Quelle: IEA, World Energy Balances Highlights, September 2023 (in Exajoule).
CHP: Combined Heat & Power

Die Abbildung zeigt es deutlich:

• Ein erheblicher Teil des Energieangebots geht bei der Umwandlung verloren.
• Über 60% der Verluste entstehen bei der Produktion von Strom und Wärme.

Zu den Verlusten zwischen Primärenergie und Endverbrauch kommen weitere zwischen Endverbrauch und der tatsächlichen Nutzung hinzu. Denken Sie zum Beispiel an Benzin, das einen Automotor anheizt (für sich genommen nutzlos) und das Auto bewegt (nützlich). Dies zeigt Abbildung 4. Am Ende gehen etwa zwei Drittel der Primärenergie verloren und haben keinerlei Nutzen für den Menschen.

Abbildung 4: Von Primärenergie zur nützlichen Energie

Quellen: IEA, EIA, Lawrence Livermore National Laboratory

Streben nach Effizienz

Es stellt sich natürlich die Frage, wie man das ändern kann. Wie können wir den Anteil der nützlichen Energie zulasten der verschwendeten erhöhen? Die physikalischen Gesetze lassen sich nicht ändern, aber es gibt Verbesserungsmöglichkeiten – durch zwei miteinander verbundene Aspekte: Effizienz und Elektrifizierung.

Es ist kein Zufall, dass auf der UN-Klimakonferenz COP28 im letzten Jahr unter anderem „eine Verdreifachung der globalen erneuerbaren Energiekapazitäten und eine Verdopplung der durchschnittlichen jährlichen Energieeffizienzverbesserungen bis 2030“ beschlossen wurden.⁴

Bei Effizienz geht es darum, dieselbe Leistung mit einem geringeren Energieverbrauch oder mehr Leistung mit demselben Energieverbrauch zu erzielen. Nach Angaben der IEA ist die Energieeffizienz in den letzten 20 Jahren um jährlich etwas mehr als 1% gestiegen,⁵  in den letzten Jahren noch etwas mehr. Tatsächlich sieht die COP28-Vereinbarung, die auch eine spezielle Zusage zur Effizienz umfasst, jährliche Effizienzsteigerungen von 4% vor.⁶

Dazu braucht es Richtlinien, die effizientere Lösungen fördern, beispielsweise eine bessere Gebäudedämmung, besseren Zugang zu den noch immer teuren Elektroautos oder öffentliche Verkehrsmittel. Auch sollten die Richtlinien die Elektrifizierung auf breiterer Front unterstützen. Sinnvoll wäre, der Industrie und den Menschen Anreize zu bieten, auf Strom umzustellen, weil strombetriebene Maschinen und Geräte immer effizienter sind als solche, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden.

Abbildung 5 vergleicht die Energieeffizienz elektrischer und fossiler Energieträger für verschiedene Produkte und Geräte. Die Daten beziehen sich darauf, wo der Verbrauch stattfindet, und berücksichtigen keine Verluste und Ineffizienzen (wie Leistungsverluste im Stromnetz oder den Energieverbrauch für die Umwandlung von Rohöl in raffinierte Produkte).

Abbildung 5: Energieeffizienz oder Energieleistung im Vergleich zum Energieinput

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Quellen: US EPA, IEA, US DOE

*Einschließlich 22% aus regenerativem Bremsen (Nutzbremse).

Nach Einschätzung der US Environmental Protection Agency⁷  werden bei einem Auto mit Benzinmotor nicht mehr als 16% bis 25% der Energie für den Antrieb des Fahrzeugs aufgewendet. Bei einem reinen Elektrofahrzeug sind es 87% bis 91%, bei einem Fahrzeug ohne regeneratives Bremsen 65% bis 69%.

Alles in allem vermeidet die Elektrifizierung Wärmeverluste und Leckagen in der Energiewertschöpfungskette – oder verringert sie stark.

Wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt, also nicht auf fossilen Brennstoffen basiert, entfallen außerdem die Umwandlungsverluste von Primär- in Sekundärenergie. Es ist jedoch nicht alles „grün“, denn Solar- und Windparks haben einen geringeren Kapazitätsfaktor.

Deshalb meinen wir, dass Elektrifizierung und Effizienzsteigerungen Hand in Hand gehen müssen.

Demnach würde ein guter Weg für die Energiewende so aussehen:

• Elektrifizierung, wo immer dies möglich ist: Transport leichter und mittelschwerer Güter, teilweise auch Schwerlastverkehr; Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlagen; Triebwerke und Motoren; Industrie, die niedrige und mittlere Temperaturen benötigt
• Dekarbonisierung der Stromerzeugung
• Bereiche angehen, bei denen Strom keine Lösung ist: Industrie, die hohe Temperaturen benötigt (über 850 °C); Luftfahrt; Langstreckentransport; bestimmter Schwerlasttransport und geländegängige Fahrzeuge wie Baumaschinen
  Die wichtigsten Lösungen sind Bioenergie, Wasserstoff oder E-Fuels (synthetische Treibstoffe).

Aus Investorensicht steigt die Zahl der Chancen mit Anlagen in Unternehmen, die für mehr Energieeffizienz sorgen, und in eine umfassende Elektrifizierung zunehmend. Das alles sind keine neuen Trends, aber sie sind strukturell und langfristig prognostizierbar.