Energiefluss in Deutschland

Der Fluss der Energie

Wozu brauchen wir Energie? - In unserem täglichen Leben wird die Fähigkeit der Energie Arbeit zu verrichten dazu benutzt, um sehr viele, unterschiedliche Dienstleistungen zur Verfügung zu stellen. Ein Beispiel ist der Transport von Personen und Gütern etwa durch Auto, Eisenbahn, Schiffe oder Flugzeuge.

Andere Beispiele sind die Beheizung und Beleuchtung unserer Häuser, die Arbeit von Motoren, Pumpen und sonstigen Anlagen in den Industriebetrieben, die Nutzung medizinischer Geräte in den Kliniken oder die gesamte moderne Kommunikation wie Internet, Telefon, Computer und Fernsehen. Aber nicht nur solche oder viele andere Dienstleistungen unseres täglichen Lebens benötigen Energie. Auch das Wachstum der Pflanzen und das Leben aller anderen Organismen wären ohne die ständige Zufuhr von Energie nicht möglich.

Wie kommt Energie dorthin, wo sie gebraucht wird?

Energie wird mit Hilfe so genannter Energieträger transportiert. Bei den Pflanzen ist es das Sonnenlicht, also Energiezufuhr durch elektromagnetische Strahlung von der Sonne zur Erde. Bei der Heizung unserer Wohnungen werden Öl, Gas, Kohle, Strom oder Fernwärme als Energieträger eingesetzt. Viele Geräte, die wir täglich benutzen, würden ohne elektrischen Strom ebenso wenig funktionieren wie das Verkehrsnetz der Deutschen Bahn oder Straßenbahnen. Andere Transportsysteme benötigen eine ständige Zufuhr von Treibstoffen wie Benzin, Diesel oder Kerosin für den Luftverkehr.

Die Energieträger Heizöl, Treibstoffe oder Strom müssen durch technische Prozesse erst erzeugt werden, denn sie kommen in der Natur nicht vor – im Gegensatz zu Sonnenlicht, Wind, Wasserkraft, Kohle, Erdöl oder Erdgas, die deshalb auch Primärenergien genannt werden. Sie sind die Quellen, die unser sehr komplexes Energiesystem speisen, an dessen Ende die vielfältigen Dienstleistungen stehen, die Wirtschaft, Verkehr, Handel und Gewerbe sowie Haushalte benötigen.

Von Umfang und spezifischer Energieintensität der vielfältigen Energiedienstleistungen, die wir im täglichen Leben brauchen, hängt es ab, wie viel Primärenergie benötigt wird, um unser gesamtes Energiesystem kontinuierlich am Laufen zu halten. Dabei hat das energetische Spektrum der Energiedienstleistungen, also wie viel für sie zum Beispiel an Strom oder Treibstoff jeweils benötigt werden, entscheidenden Einfluss auf das Spektrum der eingesetzten Primärenergien.

Dazu werden die Primärenergien mit Hilfe unterschiedlicher technischer Prozesse in Energieträger umgewandelt. Energieträger werden deshalb auch als Sekundärenergien bezeichnet. In einigen Fällen wie bei Kohle, Gas oder Sonnenlicht (als Lichtquelle) können Primärenergie und Energieträger identisch sein. Als zusätzliche Primärenergiequelle steht uns die Kernenergie zur Verfügung. Dazu wir die Energie genutzt, die bei Kernreaktionen schwerer chemischer Elemente erzeugt wird. Hierzu gehört vor allem das Uran, denn bei der Spaltung des Atomkerns von Uran-235 durch Einfang von thermischen Neutronen wird Energie in Form von Wärme freigesetzt. Die wird in Kernkraftwerken genutzt werden, um mit Hilfe von Dampfturbinen elektrischen Strom zu erzeugen, ganz ähnlich wie bei einem Kohle- oder Gaskraftwerk.

Als weiterer Energieträger könnte sich aller Voraussicht nach Wasserstoff für unser Energiesystem etablieren. Aber auch er muss aus Primärenergie über Umwandlungstechniken gewonnen werden. Er ist also selber keine Energiequelle sondern ein Medium, das sehr umweltfreundlich in Wärme oder Strom umgewandelt werden kann, weil hierbei nur Wasser entsteht.

Wirkungsgrade so hoch wie möglich

Die Grafik zeigt links den Einsatz von Primärenergie als roten Pfeil, der sich in Endenergie für Industrie, Verkehr, Haushalte, Handel und Gewerbe sowie Umwandlungsverluste und nicht energetischen Verbrauch aufspaltet. Die Endenergie wird in der Mitte wiederum aufgeteilt auf verschiedene Sektoren wie Antriebsenergie, Beleuchtung, Raumwärme und Kommunikation. Rechts sind die dazu passenden Energiedienstleistungen dargestellt, darunter temperierte Räume, Industrieprodukte, Mobilität und PC-Betrieb.
Energiefluss in Deutschland 2014

Beispiele für solche Umwandlungstechniken sind Kraftwerke, in denen etwa aus fossilen Energien wie Kohle oder Gas elektrischer Strom erzeugt wird oder Erdölraffinerien zur Gewinnung von Benzin, Diesel oder Heizöl. Solarzellen, Windrotoren oder Wasserkraftwerke wandeln dagegen erneuerbare Energien in Strom um.

Der Weg von der Primärenergie bis zum Endverbraucher ist mit unterschiedlich großen Umwandlungsverlusten verbunden. Sie hängen von den Wirkungsgraden der Umwandlungstechniken ab, die auf diesem Weg eingesetzt wurden. So nutzen etwa moderne, mit Steinkohle befeuerte Dampfkraftwerke im Durchschnitt nur etwa 47 Prozent der eingesetzten Primärenergie für die Erzeugung von elektrischer Energie, der Rest erscheint in Form von Wärme, die als Verlust über Kühlanlagen wie Kühltürme abgeführt werden muss. Bei einer elektrischen Widerstandsheizung wird jedoch praktisch die gesamte elektrische Energie in Heizwärme umgesetzt. Solch hohe Wirkungsgrade sind leider die Ausnahme. Ein Auto etwa verwendet nur einen kleinen Teil der im Treibstoff gespeicherten Energie für seine Bewegung.

Die Grafik zeigt die Energiebilanz in Deutschland im Jahr 2015. Der Primärenergieverbrauch liegt bei 50 Prozent, der Endenergieverbrauch bei 33 Prozent, der nichtenergetische Verbrauch bei vier Prozent und 13 Prozent machen Verbrauch und Verluste im Energiesektor sowie statistische Differenzen aus.
Energieverbrauch in Deutschland 2015

In der Sprache der Energietechnik wird die eingesetzte Primärenergie zum einen über die Endenergie (zum Beispiel Raumwärme, mechanische Energie oder Licht) in die so genannte Nutzenergie (zum Beispiel Anzahl der Quadratmeter an beheizten Wohnflächen oder die Anzahl der Kilometer beim Transport auf der Schiene) umgewandelt und geht zum anderen als Verlustenergie für die Nutzung verloren. Dieses Schema gilt allgemein für unser Energiesystem. In Zahlen ausgedrückt wurden 67,1 Prozent der Primärenergie im Jahr 2015 in Endenergie (13 258 Petajoule beziehungsweise 8898 Petajoule) umgesetzt. Die Umsetzung in Nutzenergie reduziert diese Zahl noch einmal, abhängig von den energetischen Wirkungsgraden der verwendeten Techniken, zum Beispiel in Waschmaschinen, Kühlschränke, Elektroherde, LKW, Klimaanlagen oder der Straßenbeleuchtung.

Die Ingenieurwissenschaften sind deshalb seit jeher bemüht, die Umwandlungsverluste unseres Energiesystems soweit wie möglich zu verringern, indem sie die Wirkungsgrade der Umwandlungsprozesse stetig verbessern. Hierbei spielt die genaue Kenntnis der zugrunde liegenden Physik oft eine sehr wichtige Rolle.

Insgesamt ist zu beobachten, dass nach Angaben des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie der Primärenergieverbrauch pro Einwohner in Deutschland von 1990 bis zum Jahr 2016 um 13,6 Prozent gesunken ist.

Wie viel Energie wird benötigt?

Die Grafik zeigt den steigenden Energiebedarf auf der Welt: 1971 lag er bei knapp 200 Exajoule, 1980 schon bei fast 300 Exajoule, 2005 bei etwa 450 Exajoule, 2008 bei etwa 480 Exajoule, 2009 bei etwa 470 Exajoule und 2011 überstieg er 500 Exajoule. Dargestellt ist auch, dass der Anteil von Kohle und Gas am Energiebedarf immer noch stärker gestiegen ist als der Anteil der erneuerbaren Energien, nur der Anteil von Öl sank sehr stark von 2008 auf 2009.
Weltenergiebedarf von 1971 bis 2015

Der Bedarf an Energie steigt weltweit immer weiter an. Er hat sich nach Angaben des Energieunternehmens BP (Juni 2017) seit 1971 von 207 Exajoule bis 2016 auf 556 Exajoule weit mehr als verdoppelt. Es dominieren nach wie vor die fossilen Energien Öl, Erdgas und Kohle, bei deren Verbrennung das klimaschädliche Kohlendioxid entsteht.

Erneuerbare Energien und die Kernenergie als nicht-fossile Energiequellen hingegen hatten 2016 mit zusammen 14,6 Prozent einen deutlich kleineren Anteil an der Deckung des Weltenergiebedarfs. Der deutsche Anteil am Weltprimärenergiebedarf betrug 2016 mit 13,4 Exajoule nur etwas mehr als zwei Prozent. Bei einer Wohnbevölkerung von 82,5 Millionen entsprach das einem Primärenergiebedarf pro Kopf von etwa 162 Gigajoule oder etwa 45 000 Kilowattstunden

Auch bei uns spielen die fossilen Energien bei der Primärenergieversorgung die tragende Rolle. So betrug nach Angaben der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Jahr 2016 allein der Anteil des Mineralöls vor allem für den Verkehr, aber auch für die Beheizung unserer Gebäude, etwa 34 Prozent des Gesamtbedarfs an Primärenergie. Die übrigen Beiträge kamen vom Erdgas, Braunkohle, Steinkohle, aus Kernenergie, sowie miteiner Steigerung von 11,5 Prozent in 2015 auf 12,6 Prozent von Wind und Wasserkraft und von Photovoltaik, Brennholz, Brenntorf, Klärschlamm, Müll oder sonstigen erneuerbaren Energien.

Primärenergiebedarf in Deutschland aufgeschlüsselt nach den verschiedenen Energiequellen von 2010 bis 2015. Im Einzelnen: Mineralöle etwa 4500 Petajoule, Erdgas knapp 3000 Petajoule, Steinkohle etwa 1500 Petajoule, Braunkohle ähnlich, Kernenergie fiel nach 2010 unter 1500 Petajoule, Wasserkraft und Windenergie nur etwa 200 Petajoule, Sonstige Erneuerbare zwischen 1000 und 1500 Petajoule, Sonstige etwa 200 Petajoule.
Primärenergiebedarf in Deutschland nach Energiequellen

Der relativ klein erscheinende Anteil der erneuerbaren Energien ist dadurch begründet, dass die Berechnung der Primärenergie nach der sogenannten Wirkungsgradmethode erfolgt. Dieses Prinzip wird angewendet, um verschiedene Primärenergien miteinander in ihrer Erzeugung von Nutzungsenergie vergleichen zu können. Dazu wird zum Beispiel die Stromerzeugung aus Wasserkraft und aus anderen erneuerbaren Energiequellen sowie das Stromaußenhandelssaldo (Import und Export von Elektrizität) zur Ermittlung der entsprechenden Menge an Primärenergie mit dem Faktor 3600 Kilojoule/Kilowattstunden multipliziert und damit auf einem Wirkungsgrad von 100 Prozent umgerechnet. Auf diese Weise wird eine Vergleichbarkeit mit den Statistiken internationaler Organisationen hergestellt.

Neben der Wirkungsgradmethode gibt es die sogenannte Substitutionsmethode. Bei dieser Methode wird als Primärenergieäquivalent für Strom aus Wasserkraft, Windenergie und Photovoltaik der Brennstoff angegeben. Dieser wird durch die Stromerzeugung des jeweiligen Energieträgers in konventionellen Kraftwerken ersetzt.

Zur Ermittlung des Primärenergieäquivalents für Strom aus Biomasse wird bei beiden Methoden ein sogenannter durchschnittlicher Substitutionsfaktor angewandt. Er wird ermittelt aus dem Verhältnis der für die Stromerzeugung in öffentlichen Kraftwerken eingesetzten fossilen Brennstoffe zur Bruttostromerzeugung aus diesen Energieträgern.

Energieforschung: Eine Herausforderung auch für die Physik

Insgesamt stellt das Energiesystem eines modernen Industriestaates ein sehr komplexes Gebilde dar. Wir sind es gewohnt, dass dieses System stets zuverlässig und ohne Störungen funktioniert. Strom kommt stets aus der Steckdose und Treibstoffe haben zwar an der Tankstelle immer wieder unterschiedliche Preise, sind aber immer ausreichend vorhanden. Das Gleiche gilt für ausreichend geheizte Wohnungen oder Büroräume. Wie sehr unsere tägliche Welt von den verschiedenen Formen von Energiedienstleistungen geprägt wird, ist uns im Alltag oft wenig bewusst. Bewusster geworden sind uns jedoch über die Jahre zwei Dinge: Erstens sind wir stark abhängig von der Einfuhr von Energie in Form von Öl und Gas, aber auch von preiswerter Steinkohle, und zweitens ist die Nutzung von Energie oft mit erheblichen Umweltbeeinträchtigungen verbunden wie der Erzeugung von Kohlendioxid bei den Verbrennungsprozessen, die unser Klima langfristig empfindlich verändern können.

Die Erforschung und Entwicklung neuer Energietechniken, die aufgrund höherer Wirkungsgrade erheblich weniger Energie für die gleiche Dienstleistung einsetzen und die Umwelt damit weniger belasten, hat deshalb auch für die Physik einen sehr hohen Stellenwert.