Die Energie, die „niemand“ mitzählt
Graue Energie – Der erste Schritt zum Verständnis der Energierendite (eROI)
Dr. Lars Schernikau
Inhalt
- Warum jedes Energiesystem eine versteckte Energierechnung hat …
- Jedes Energiesystem beginnt als Energieverbraucher
- Graue Energie und Erzgehalte gängiger Materialien
- Energierendite – denn jede Investition sollte eine Rendite bringen
- Wie viel muss investiert werden, um 1 GW „kontinuierliche“ Solarstromerzeugung bereitzustellen?
- Zusammenfassung
Graue Energie steckt in allem, was wir in den Händen halten, in allem, was wir verbrauchen, und natürlich auch in Elektrizität. Elektrizität macht „nur“ etwa 40 % der Primärenergie aus, die wir für unser tägliches Leben benötigen, ist aber gleichzeitig die komplexeste Energieform, die wir nutzen. Während wir uns auf den Weg zu einer stärkeren „Elektrifizierung“ machen, um den Verbrauch nicht-elektrischer Energie zu senken – ob das nun der richtige Weg ist oder nicht –, müssen wir diese graue Energie besser verstehen. Und zwar nicht nur die graue Energie all jener Produkte, die wir verbrauchen, sondern auch diejenige unserer Systeme zur Elektrizitätserzeugung.
Abbildung 1: Der Kreislauf der grauen Energie … von Anlagen zur Elektrizitätserzeugung
- Warum jedes Energiesystem eine versteckte Energierechnung hat
Wenn wir über Energiesysteme sprechen, konzentrieren wir uns meistens darauf, was passiert, nachdem sie gebaut wurden. Wir schauen uns an, wie viel Elektrizität sie erzeugen, wie effizient sie sind, achten genau darauf, wie viele Emissionen sie ausstoßen, und analysieren, wie viel es kostet, sie zu betreiben.
All das sind wichtige Faktoren. Aber sie setzen alle erst dann an, wenn die Infrastruktur bereits vorhanden ist.
Lange bevor die erste Kilowattstunde unsere Häuser, Fabriken und Krankenhäuser erreicht, wurde bereits eine enorme Menge an Energie und Rohstoffen für den Bau dieser Infrastruktur aufgewendet. Auch das gehört zur Gesamtbetrachtung des Energiebedarfs. Rohstoffe müssen abgebaut, Metalle raffiniert, aufbereitet und transportiert, Stahl hergestellt, Beton gegossen, zahlreiche Bauteile montiert und Anlagen transportiert werden – alles als Teil des Bauprozesses.
Erst wenn die Infrastruktur zur Elektrizitätserzeugung fertiggestellt ist, kann ein solches Energiesystem mit der Erzeugung von Elektrizität beginnen.
Hier geht es um das, was Ingenieure als graue Energie (engl. embodied energy) bezeichnen. Bei Energiesystemen umfasst die graue Energie die Energie, die erforderlich ist, um ein Energiesystem zu bauen, bevor dieses System überhaupt nutzbare Energie zurückliefert. Jedes hergestellte Produkt, das Sie in den Händen halten, ist mit einem bestimmten Energieaufwand verbunden – jedes Metall, jedes Stück Holz und natürlich auch die Lebensmittel auf Ihrem Tisch. Diese graue Energie stammt a) aus der Energie, die in dem Energiesystem steckt, das zur Herstellung des Produkts in der Fabrik verwendet wurde, und b) aus den Rohstoffen, mit denen die Fabrik versorgt wurde.
Graue Energie ist weder theoretisch noch optional. Sie ist eine unvermeidbare Folge des Aufbaus und der Instandhaltung physischer Infrastruktur. Jede Tonne Stahl, jeder Kubikmeter Beton, jeder Kilometer Übertragungsleitung, jede Batteriezelle, jedes Solarmodul und jede Windturbine erfordert Energie, bevor sie zur Elektrizitätserzeugung beitragen kann. Dennoch werden diese vorgelagerten Energieaufwendungen nur selten berücksichtigt. Dadurch bewerten Diskussionen über Energieeffizienz und Dekarbonisierung häufig nur die sichtbare Energie und übersehen die Energie, die bereits investiert wurde, bevor die erste Kilowattstunde erzeugt wird.
Die Betrachtung der grauen Energie wird umso wichtiger, je stärker wir uns von Energieträgern mit hoher Energiedichte (Kernenergie, Öl, Kohle, Gas) zu solchen mit niedriger Energiedichte (Wind, Solarenergie, Biomasse) bewegen.
Je mehr Infrastruktur benötigt wird, um Elektrizität zu „erzeugen“, aufzubereiten, zu speichern, zu unterstützen und bereitzustellen, desto größer ist der Beitrag der grauen Energie zur Gesamtenergiebilanz (Abbildung 2 zeigt gemäß Angaben des Department of Energy nur Metalle, nicht die gesamte für ihre Herstellung benötigte Erzmenge; siehe eROI). Diese vorgelagerten Energieinvestitionen zu ignorieren, lässt sie nicht verschwinden, sondern verschiebt sie lediglich außerhalb des Betrachtungsrahmens.
Ziel dieses Artikels ist es, einen häufig übersehenen Bestandteil jedes Energiesystems zu untersuchen: die Energie, die erforderlich ist, um die Infrastruktur, von der die Elektrizitätserzeugung abhängt, zu bauen, instand zu halten und immer wieder zu ersetzen. Ein umfassenderes Verständnis der grauen Energie ermöglicht einen breiteren Blick auf die Energieeffizienz, den Ressourcenbedarf und die Auswirkungen verschiedener Technologien über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg.
Doch mit dem Bau ist die Geschichte nicht beendet, denn jedes Energiesystem muss betrieben, gewartet, repariert und schließlich stillgelegt werden. Wenn die Infrastruktur das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht und Komponenten verschleißen, müssen Anlagen demontiert, recycelt oder entsorgt werden. Auch dafür sind häufig weitere Transporte, Verarbeitungsschritte und Herstellungsprozesse erforderlich.
Mit anderen Worten: Jedes Energiesystem durchläuft einen vollständigen Lebenszyklus. Er beginnt mit:
- Abbau
- Aufbereitung
- Transport
- Verarbeitung
- Herstellung
- Betrieb
… und schließt mit der Stilllegung und Entsorgung der Infrastruktur wieder den Kreis, wobei in jeder Phase große Energiemengen benötigt werden. Natürlich recyceln wir so viel wie möglich. Aber auch Recycling benötigt Energie – oft mehr, als wir denken. Dadurch kann der gesamte Recyclingprozess netto zu einem Energieverbraucher werden. Mit anderen Worten: Recycling kann mehr Energie erfordern, als die ursprüngliche Herstellung eines neuen Produkts.
Abbildung 2: Materialien/Metalle, die für die Installation von Stromerzeugungskapazität benötigt werden
2. Jedes Energiesystem beginnt als Energieverbraucher
Wir betrachten Kraftwerke häufig als Erzeuger von Elektrizität. Tatsächlich verbraucht jedoch jedes Kraftwerk und jede Anlage zunächst Energie. Es kann Jahre dauern, bis diese „investierte“ Energie in Form neu erzeugter nutzbarer Energie wieder zurückgewonnen ist.
Bevor sich eine Turbine drehen oder ein Solarmodul Elektrizität erzeugen kann, wurden bereits Quarzsand und Eisenerz abgebaut, Kupfer raffiniert, Stahl hergestellt, Zement produziert, Straßen gebaut, das Grundstück vorbereitet, Anlagen transportiert und das gesamte System montiert … und sogar die Lebensmittel für die am Bau beteiligten Arbeiter erzeugt.
Mit anderen Worten: Jede Energietechnologie ist zunächst ein Energieverbraucher, bevor sie zu einem Energieerzeuger wird, und diese Investition wird im Voraus geleistet. Anders als der Energieverbrauch während des Betriebs (z. B. durch Kohle, Gas oder Uran) wird darüber jedoch nur selten gesprochen.
Vermutlich liegt das daran, dass sich der Energieverbrauch im Betrieb relativ leicht beobachten lässt, er aber nur die halbe Geschichte erzählt. Außerdem war dieser anfängliche Energieaufwand historisch gesehen im Verhältnis zur erzeugten Energie relativ gering, da der Anteil an grauer Energie bei Kernkraft, Kohle, und Gas relative geringer ist. Wir sehen auch, wie Kraftwerke Elektrizität erzeugen, verbrauchen Brennstoff, erzeugen Wärme und messen Schadstoffe und CO₂ – doch bei der grauen Energie ist das anders.
Sie steckt verborgen in industriellen Lieferketten, in Hochöfen zur Stahlherstellung, in Raffinerien zur Produktion von Aluminium und Kupfer, in Schiffen, die Anlagen über die Weltmeere transportieren, und in Fabriken, die Batterien, Transformatoren, Kabel und Generatoren herstellen..
Die während der Lebensdauer eines Energiesystems erzeugte Elektrizität ist nur eine Seite der Gleichung. Die Energie, die für die Herstellung dieses Systems erforderlich ist, ist die andere – und sie wird umso relevanter, je stärker wir uns Technologien mit geringerer Energieeffizienz zuwenden.
Nun kommt noch ein weiterer wichtiger Punkt hinzu: Die Rechnung für die graue Energie ist mit Abschluss der Bauarbeiten noch nicht beglichen. Genau das ist vielleicht eines der größten Missverständnisse: dass die graue Energie nur zu Beginn anfällt. Das stimmt nicht. Alles altert. Stahl korrodiert, Elektronik fällt aus, mechanische Anlagen verschleißen, Beton bekommt Risse, Materialien ermüden – und die Liste ließe sich fortsetzen. Infrastruktur muss repariert, modernisiert und schließlich entsorgt und ersetzt werden. Und denken Sie daran: Jeder Ersatz erfordert erneut Abbau, Raffination, Herstellung, Transport und Bau … und damit beginnt der Kreislauf der grauen Energie von vorn.
Die Lebensdauer eines Energiesystems wird damit entscheidend. Vergleichen Sie ein Kernkraftwerk, das 60 Jahre lang betrieben werden kann, mit einem Solarmodul, das im achten Betriebsjahr bei einem Hagelsturm zerstört wird.
Abbildung 3: Graue Energie gemäß Ashby [3]
3. Graue Energie und Erzgehalte gängiger Materialien
Wir wissen, dass jedes Material einen Energieaufwand hat. Aber wie hoch ist dieser? Das ist schon eine schwierigere Frage. In der öffentlichen Presse, in wissenschaftlichen Artikeln wie Gutowski et al. „The energy required to produce materials“ [1] oder in bekannten Büchern wie „Sustainable Materials without the Hot Air“ [2] und Ashbys „Materials and the Environment“ [4] wird graue Energie häufig diskutiert und quantifiziert.
Entscheidend ist jedoch, welche Systemgrenzen man zugrunde legt. Sollten wir die Energie einbeziehen, die benötigt wurde, um …
- die Straße zum Bergwerk zu bauen?
- den Arbeiter in der Fabrik sowie seine Kinder und Großeltern zu ernähren?
- die Schule zu bauen, die der Bergwerksleiter besuchte, um Bergbauingenieurwesen zu studieren? Und wie sieht es mit der Energie für die Lehrer aus?
- den Stahl herzustellen, der für den Bau der Fabrik benötigt wurde, in der dieser Stahl hergestellt wurde? Und was ist mit der ursprünglichen Fabrik, in der der ursprüngliche Stahl hergestellt wurde?
Sie verstehen, worauf es hinausläuft: Sie werden wahrscheinlich NIE ein wirklich vollständiges Bild der gesamten grauen Energie erhalten, weil es zu kompliziert wird, wenn man die Systemgrenzen „korrekter“, also sehr weit, fasst. Prof. Hall hat dies in vielen seiner Fachartikel und Büchern [4] behandelt.
Daher sind die Systemgrenzen in der Regel relativ eng gefasst. Meist wird nur der Primärenergieeinsatz berücksichtigt, den Bergwerke und Fabriken unmittelbar verbrauchen. Selbst der Transport wird häufig ausgeklammert. Aus dieser Perspektive besteht die Möglichkeit, dass die tatsächliche graue Energie in vielen Fällen unterschätzt wird.
Bei einem Punkt können wir uns wohl alle einig sein: Ein Produkt mit einem hohen Energieaufwand wie Gold, Silber oder Silizium wird im Allgemeinen teurer sein als ein Produkt mit einem niedrigen Energieaufwand wie Holz oder Zement. Auf dieser Skala erscheinen Aluminiumoxid und Stahl im Vergleich zu Silizium in Waferqualität für Solarmodule erstaunlich unkompliziert (Abbildung 3).
Ein weiterer Punkt ist, dass nicht nur für die Herstellung von Materialien Energie benötigt wird, sondern auch Rohstoffe, beispielsweise Erz. Das ist insbesondere bei Metallen relevant. Ein niedriger Erzgehalt bedeutet, dass große Mengen Gestein bewegt und verarbeitet werden müssen, um ein Kilogramm des wertvollen Metalls zu gewinnen. Denken Sie an Gold (Au) im Vergleich zu Eisen (Fe). Bei welchem der beiden Metalle muss pro Kilogramm weniger Gestein bewegt werden?
So erfordert beispielsweise die Errichtung von 1 GWh an Batteriespeichern im Großmaßstab nicht nur 450 GWh an eingesetzter Energie bzw. grauer Energie, sondern auch 0,7 Mio. Tonnen Rohstoffen, die abgebaut, aufbereitet, transportiert, verarbeitet und weiterverarbeitet werden müssen (siehe Abbildung 1). Denken Sie daran, dass wir dabei das „gesamte Gestein“ betrachten, das zur Gewinnung der benötigten Metalle bewegt wird – in diesem Fall ohne Abraum.
Die folgende Tabelle zeigt typische Werte für graue Energie und Erzgehalte einiger ausgewählter Materialien. Alle Angaben sind Näherungswerte zur Orientierung; siehe auch Abbildung 3.
| Material | Graue Energie | Abgebautes Erz / 1 kg Metall |
|---|---|---|
|
Lithium |
200 kWh/kg |
200-400+ kg |
|
Aluminum |
50+ kWh/kg |
6-8 kg |
|
Kupfer |
up to 50 kWh/kg |
200+ kg |
|
Stahl |
5-20 kWh/kg |
2.5 kg |
|
Zement |
1 kWh/kg |
1.5+ kg |
Abbildung 4: Graue Energie und Preis korrelieren [basierend auf Gutowski et al. 3]
4. Energierendite eROI – denn jede Investition sollte eine Rendite bringen
Auch der Zeitraum spielt eine wichtige Rolle, wenn wir über graue Energie sprechen, denn nicht alle Energiesysteme werden im gleichen Rhythmus ersetzt. Manche Infrastrukturen sind für eine Betriebsdauer von mehreren Jahrzehnten ausgelegt, während andere aus zahlreichen Komponenten bestehen, die jeweils ihre eigene Lebensdauer und ihren eigenen Austauschzyklus haben.
Damit kommt ein weiteres wichtiges Konzept ins Spiel: die Energierendite (eROI), also die Nettoenergieeffizienz eines Energiegewinnungssystems. Die eROI misst das Verhältnis zwischen der nutzbaren Ausgangsenergie eines Energiegewinnungssystems und der dafür erforderlichen eingesetzten Energie. Welche Energieaufwendungen dabei berücksichtigt werden, hängt von den gewählten Systemgrenzen ab. Obwohl sich die Methoden zur Berechnung unterscheiden, versuchen sie alle, dieselbe grundlegende Frage zu beantworten: Wie viel Energie erhalten wir für die Energie zurück, die wir investieren?
Die graue Energie macht einen wesentlichen Teil dieser anfänglichen Investition aus. Je höher der anfängliche Energieaufwand ist oder je häufiger diese Investition wiederholt werden muss, desto größer ist ihr Einfluss auf die Gesamtenergierendite. Die eROI steht für die Rendite.
eROI = nutzbare Ausgangsenergie über die gesamte Lebensdauer
eingesetzte Energie (einschl. grauer Energie)
Die genaue Abgrenzung der eingesetzten Energie hängt von den gewählten Systemgrenzen ab.
Ein konventionelles Kohlekraftwerk erfordert zweifellos eine gewisse anfängliche Investition in Materialien und Bau. Nach der Inbetriebnahme kann das Kraftwerk jedoch häufig 40 bis 60 Jahre lang Elektrizität liefern. Natürlich wird Energie benötigt, um die Kohle abzubauen und zu transportieren und das Kraftwerk zu betreiben; auch diese fließt in die Berechnung der eROI ein.
Kernkraftwerke erfordern eine noch größere anfängliche Investition in Materialien und Bau. Dafür verfügen sie über eine kontinuierliche und zuverlässige Erzeugungskapazität von 60, teils sogar 80 Jahren oder mehr. Dadurch kann sich diese anfängliche Investition auf mehrere Generationen von Elektrizitätserzeugung verteilen. Zwar weist der Brennstoff (Uran) eine hohe graue Energie pro Kilogramm auf, doch wir benötigen davon nur geringe Mengen.
Betrachten wir andere Technologien, die einem „erneuerbaren“ technischen Ansatz folgen, verkürzt sich diese Lebensdauer jedoch dramatisch.
Bei einer modernen Solar- oder Windanlage geht es nicht nur um die Turbinen und Solarmodule, die wir sehen und die 10 bis 25 Jahre lang betrieben werden können. Hinzu kommen zusätzliche, anderweitig nicht erforderliche miteinander verbundene Systeme wie Fundamente, Türme, Tragkonstruktionen, Wechselrichter, Transformatoren, Umspannwerke, Übertragungsinfrastruktur sowie zunehmend Batteriespeicher im Großmaßstab oder andere Speicher und natürlich Backup-Systeme. Und wenn man diese Liste weiterführt, sollte man bedenken, dass jede dieser Komponenten ihre eigene Lebensdauer hat und ersetzt werden muss – manche sogar lange bevor die eigentliche Erzeugungsanlage das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht.
Wenn Batteriespeicher hinzukommen, kommt ein weiterer Austauschzyklus ins Spiel. Moderne Lithium-Ionen-Batteriespeicher im Großmaßstab erfordern unter realen Betriebsbedingungen typischerweise nach etwa einem Jahrzehnt einen erheblichen Austausch. Denken Sie an die 450 GWh eingesetzte Energie pro 1 GWh Batteriespeicher im Großmaßstab (siehe The Battery Storage Delusion).
Wie Sie sehen, beginnt mit jedem Austausch ein neuer Zyklus grauer Energie. Und genau hier wird die Diskussion interessant.
Sollten wir die Energie messen, die wir sehen … oder die gesamte Energie, die wir einsetzen? Die moderne Energiepolitik legt großen Wert auf die Betriebsleistung, und das zu Recht (Abbildung 3).
Sie erklären jedoch nicht, wie viel Energie die Gesellschaft investieren musste, bevor das System seine erste Kilowattstunde Elektrizität erzeugt. Ganz zu schweigen von der zusätzlichen Energie, die erforderlich sein wird, wenn Komponenten das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen und häufig entsorgt oder zumindest teilweise recycelt werden.
Wenn ein System wiederholt Abbau, Raffination, Herstellung und Austausch erfordert, während ein anderes jahrzehntelang betrieben werden kann, bevor eine größere Erneuerung erforderlich wird – würden Sie dann nicht zustimmen, dass diese Unterschiede in den Vergleich einfließen sollten?
Ein wichtiger Hinweis: Bei der Diskussion über die eROI bzw. Nettoenergieeffizienz wird der Wert der erzeugten Kilowattstunde NICHT berücksichtigt. So hatte beispielsweise 1 kWh Solarstrom in Deutschland im Jahr 2025 am Markt nur einen Wert von 50 % des Durchschnittswerts. Warum? Ganz einfach: Eine Kilowattstunde Solarstrom, die nur zeitweise erzeugt wird, wenn die Sonne scheint (also überall gleichzeitig), ist weniger wertvoll wie eine Kilowattstunde, die bei Bedarf von einem Gaskraftwerk erzeugt wird.
Auch aus Sicht des Stromnetzes ist die Qualität einer Solarstrom-Kilowattstunde nicht mit der einer Kilowattstunde vergleichbar, die bei Bedarf von einem Gas- oder Kohlekraftwerk erzeugt wird und durch rotierende Massen und die damit verbundene Trägheit zur Stabilität des Netzes beiträgt (Die Kosten von Elektrizität neu gedacht).
Ein letzter Punkt: Für alle auf Rohstoffen basierenden Energiesysteme gilt, dass die eROI kontinuierlich sinkt, da der Abbau schwieriger und aufwendiger wird, wenn sich die geologischen Bedingungen verändern und die leicht zugänglichen Rohstoffvorkommen bereits erschlossen wurden. Gleichzeitig steigt die eROI aller Energiesysteme weiter, wenn sich Technologie und Wirkungsgrade verbessern. 50 Jahre alte Kohlekraftwerke erreichen möglicherweise einen Wirkungsgrad von etwa 30 %, während die modernsten Anlagen einen Wirkungsgrad von über 45 % erreichen – das entspricht einer Verbesserung von mehr als 50 %. Eine Verbesserung, die sich unmittelbar in einer höheren wirtschaftlichen und ökologischen Effizienz niederschlägt. Gleichzeitig könnte der Kohlebergbau energieintensiver geworden sein, weil zunächst die leicht zugänglichen Lagerstätten abgebaut wurden.
Die moderne Gesellschaft benötigt eine bestimmte Mindest-Nettoenergieeffizienz (eROI), um funktionieren zu können. Verschiedene Tätigkeiten stellen unterschiedliche Mindestanforderungen an die eROI. Je fortgeschrittener die gesellschaftlichen Aktivitäten sind, desto höher ist die erforderliche eROI. Ein Flug zum Mond gehört möglicherweise zu den anspruchsvollsten Aktivitäten überhaupt und erfordert eine möglichst hohe Nettoenergieeffizienz und Energiedichte, damit er überhaupt möglich wird.
Mit dem Fortschritt der Gesellschaft steigen auch die Anforderungen an die eROI – man denke nur an KI.
Heute gehen viele Energieökonomen davon aus, dass eine Gesellschaft eine eROI von etwa 8 bis 11 benötigt, um sich selbst zu erhalten. Alles darunter würde die Situation „verschlechtern“, alles darüber würde sie „verbessern“. Euan Mearns führte um 2008 die Grafik zur „Net Energy Cliff“ ein (bei einer eROI von etwa 5–10) und baute dabei auf dem von Howard Odum und Charles Hall entwickelten Konzept der Nettoenergie bzw. EROI auf.
Weitere Einzelheiten und zusätzliche Quellen zu diesem Thema finden Sie in Unbequeme Wahrheiten: über Strom und die Energie der Zukunft, Kapitel 3.3 zur eROI.
Abbildung 5: Nettoenergieeffizienz bzw. eROI
5. eROI und Rohstoffe: Was muss investiert werden, um 1 GW „kontinuierliche“ Solarstromerzeugung bereitzustellen?
Die eROI von Solarmodulen zu berechnen, ist schwierig und keineswegs eindeutig. Mariuitti [5, 6] hat die Schwächen von Standard-ecoinvent und verschiedenen anderen Studien zur grauen Energie ausführlich beschrieben, die sich weitgehend auf dasselbe Schweizer ecoinvent-Modell stützen. Der Verbrauch von Chemikalien, der (größtenteils chinesische) Strommix und natürlich die zugrunde gelegten Systemgrenzen sind die wesentlichen Problemfelder. Auch der erforderliche Energieaufwand für Wärme wird in der Regel unterschätzt. Die für eine komplette Solaranlage erforderlichen zusätzlichen Systeme werden gewöhnlich nicht berücksichtigt. Stilllegung und Entsorgung werden weitgehend „vergessen“, während die angenommene Nutzungsdauer von Wind- und Solaranlagen häufig überschätzt wird.
In meinem vielfach veröffentlichten Artikel „Die Bedeutung von Kohle für die Herstellung von Solarpaneelen“ habe ich den Primärenergiebedarf für Solarmodule bereits ausführlicher behandelt. Fakt ist: Es gibt kein einziges Solarmodul auf der Welt, dessen Herstellung ohne Kohle möglich gewesen wäre.
Das bereits in einem früheren Blogbeitrag erwähnte Projekt Al Dhafra in den Vereinigten Arabischen Emiraten – Können Solar und Wind + Batteriespeichern wirklich 24/7/365 Strom liefern? – kombiniert 5,2 GW installierte Solarleistung mit 19 GWh Batteriespeichern und soll bis zu 1 GW sogenannte „kontinuierliche“ Elektrizität liefern. Die IRENA [7] hat dieses Projekt kürzlich als Beispiel für die Diskussion über „gesicherte Wind- und Solarstromerzeugung“ herangezogen. Masdar, der Entwickler von Al Dhafra, ist die Abu Dhabi Future Energy Company. Die Investitionskosten für das System werden mit rund 6 Mrd. US-Dollar für die vorgesehene Bereitstellung von 1 GW „zuverlässiger“ Stromversorgung angegeben; die Inbetriebnahme ist für 2027 vorgesehen. Die Kosten von Al Dhafra liegen deutlich über denen eines tatsächlich zuverlässigen Kohle- oder Gaskraftwerks mit 1 GW Leistung [9]. Ist die erzeugte Energie dadurch besser oder ist das System effizienter?
Als Beispiel möchte ich hier keine perfekte Berechnung liefern, sondern Al Dhafra als Ausgangspunkt verwenden. Die Berechnung soll lediglich eine Vorstellung von der Energierendite (eROI) des Solarprojekts Al Dhafra in den VAE vermitteln – mit 19 GWh Batteriespeichern und 5,2 GW installierter Solarleistung, die fälschlicherweise als 1 GW „24/7-Stromversorgung“ dargestellt wird, was sie eindeutig nicht ist. Die fünffache Überdimensionierung und 19 Stunden Batteriespeicher reichen dafür nicht aus.
Die für ein Solar- und Batteriesystem benötigten Rohstoffe stellen einen weiteren wirtschaftlichen und ökologischen Aspekt dar, den ich zunächst auf hoher Ebene beleuchten möchte, um einen wichtigen Punkt deutlich zu machen: Bei der grauen Energie geht es nicht nur um die Nettoenergieeffizienz (eROI), sondern auch um die Netto-Rohstoffeffizienz unseres gesamten Lebensumfelds … und diese müssen wir kontinuierlich verbessern, statt sie zu verschlechtern.
5.1 eROI von Al Dhafra
Für die hier verwendete Berechnung setzt die eROI die vom Energiesystem gelieferte nutzbare Energie ins Verhältnis zu der Energie, die innerhalb der gewählten Systemgrenzen für Bau, Betrieb, Instandhaltung und Austausch des Systems erforderlich ist. Das Problem ist, dass Al Dhafra keine tatsächlich nutzbare Elektrizität rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr auf Abruf liefert. Daher ist diese eROI-Berechnung zwar aussagekräftig unterschätzt aber nach wie vor den tatsächlichen Aufwand, der erforderlich wäre, um ein 1-GW-Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerk mit einer Reserve von 20 % durch Solar- oder Windenergie zu ersetzen und tatsächlich rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr Elektrizität bereitzustellen.
Meine vereinfachte Berechnung des Solar- und Batteriesystems von Al Dhafra, dem zugeschrieben wird, 1 GW regelbare Leistung bereitzustellen, ergibt eine eROI zwischen 5 und 6.
Für Deutschland würde dies einer eROI von etwa 2 entsprechen, da die Sonne in Deutschland etwa 2,5-mal weniger scheint als in den VAE.
Tatsächlich müssen mehrere zusätzliche Energieaufwendungen und Betriebsverluste berücksichtigt werden, die in meiner nachstehenden Berechnung nicht vollständig erfasst sind. Im Anhang gehe ich darauf näher ein.
Die wichtigsten Annahmen meiner Berechnung betreffen die graue Energie sowohl der Solaranlagen als auch der Batteriespeicher, die in standardmäßigen Lebenszyklusanalysen tendenziell deutlich unterschätzt wird (mehr Details zu den Berechnungen im Anhang).
- Für ein vollständiges Solarsystem habe ich 4 MWh pro 1 kW angesetzt. Dieser Wert basiert auf der Diskussion über die Schwächen standardmäßiger Lebenszyklusanalysen (LCA), beispielsweise von IEA und NREL. Mariutti erläutert die entsprechenden Gründe ausführlich in [5 und 6], siehe auch den Anhang.
- Für das Batteriesystem habe ich 450 GWh pro 1 GWh installierter Speicherkapazität angesetzt, wie in meinem Blog ausführlich berechnet und dargestellt: Die Vor- und Nachteile von Grossspeicher-Batterien.
- Eine Diskussion zu Netzlastfaktoren, natürlichen Nutzungsgraden und Auslastungsgraden finden Sie in meinem ausführlichen Natürliche Bedingungen für die Stromerzeugung.
- Alle weiteren Annahmen sind unten in Tabelle 1 aufgeführt. Wer die Annahmen ändern möchte, kann dies gerne tun.
Übrigens ermittelten auch Prof. Hall und Prieto eine niedrige eROI für Solarenergie in Spanien. In ihrem 2013 erschienenen Buch Spain’s Photovoltaic Revolution: The Energy Return on Investment schätzten Pedro Prieto und Charles A. S. Hall die eROI auf etwa 2. Ihr Ergebnis fiel so niedrig aus, weil sie korrekterweise eine wesentlich umfassendere Systemgrenze betrachteten als konventionelle Lebenszyklusanalysen für Photovoltaik – also auch Infrastruktur und Dienstleistungen einbezogen, die über die reine Herstellung der Photovoltaikanlagen hinausgehen.
Auch dieser Artikel ist keine wissenschaftliche Studie (eine solche ist noch geplant), sondern lediglich eine überschlägige Rechnung mit unvollkommenen, aber realistischen Annahmen. Dabei wird nicht das tatsächliche System berücksichtigt, das erforderlich wäre, um ein konventionelles Kraftwerk durch Solarenergie + Batteriespeicher (oder entsprechend Windenergie) zu ersetzen. Daher können Sie diese Zahlen als eher zu positiv für Solarenergie betrachten. Weitere Informationen zum Thema Solar- und Wind + Batteriespeicher finden Sie hier.
5.2 Rohstoffe von Al Dhafra
Eine moderne Solarstromanlage im Versorgungsmaßstab besteht aus weit mehr als Siliziumzellen. Für ihren Bau werden Glas, Aluminium, Stahl, Kupfer, Polymere, Nachführsysteme, Fundamente, Wechselrichter, Transformatoren, Kabel, Umspannwerke und Steuerungstechnik benötigt. All diese Metalle und Materialien, die für den Bau solcher „erneuerbaren“ Systeme erforderlich sind, müssen natürlich irgendwoher kommen – zunächst müssen sie aus der Erde gewonnen werden.
Tabelle 1 zeigt, dass für die Herstellung des Al-Dhafra-Systems mit einer Betriebsdauer von 20 Jahren insgesamt 30 bis 35 Millionen Tonnen Rohstoffe gewonnen werden müssten (Abraum nicht eingerechnet), wobei für die Batteriespeicher eine Lebensdauer von zehn Jahren angenommen wird. Dabei handelt es sich um große Mengen an Rohstoffen, deren Gewinnung, Aufbereitung, Transport und Verarbeitung erhebliche Logistik- und Infrastrukturleistungen erfordern, bevor daraus die Metalle gewonnen werden können, die für die Herstellung von Solaranlagen und Batteriespeichern benötigt werden.
Zum Vergleich: Ein Kohlekraftwerk mit einer installierten Leistung von 1 GW, das über 20 Jahre hinweg mit einem durchschnittlichen Nettoauslastungsgrad von 70 % betrieben wird, würde insgesamt etwa 40 bis 45 Millionen Tonnen Standardkohle mit einem Heizwert von 6.000 kcal/kg verbrauchen. Diese Kohle lässt sich vergleichsweise einfach gewinnen, wobei deutlich weniger Abraum bewegt und wesentlich weniger industrielle Verarbeitung benötigt wird. Auch die für den Bau eines solchen Kraftwerks erforderlichen Rohstoffmengen sind nur ein Bruchteil dessen, was für ein Solar- und Batteriespeichersystem benötigt wird.
Auch diese Zahlen dienen lediglich als Größenordnung und sollen verdeutlichen, dass die Bezeichnung „grün“ für sogenannte erneuerbare Solarstromsysteme zu kurz greifen kann, wenn man ihren tatsächlichen Lebenszyklus betrachtet und versucht, ein Stromprodukt mit einer ähnlichen Nutzbarkeit wie bei einem Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerk bereitzustellen.
Dabei sollte man außerdem berücksichtigen, dass Solarstrom in Deutschland im Jahr 2025 mit einem Wert von rund 50 % der durchschnittlichen Stromerzeugung des Landes angesetzt wurde. Für einen vergleichbaren Maßstab müsste man daher alle entsprechenden „Kosten“ verdoppeln.
Tabelle 1: Vereinfachte Berechnung der eROI des Solar- und Batteriespeichersystems Al Dhafra
Summary
Die graue Energie eines Energiesystems ist weder ein Argument für noch gegen eine bestimmte Technologie. Ebenso wenig schmälert sie die Bedeutung der Betriebseffizienz oder der Elektrizitätserzeugung, die bei der Bewertung von Energiesystemen weiterhin zu den entscheidenden Kriterien gehören. Im Gegenteil: Sie hilft uns dabei, die von uns benötigten Leistungen und Dienstleistungen mit möglichst geringem Energie- und Rohstoffaufwand bereitzustellen.
Ich möchte lediglich auf die Tatsache hinweisen, dass jede Energietechnologie eine häufig übersehene Energieinvestition erfordert, bevor sie überhaupt nutzbare Energie liefern kann – und dass diese Investition mit dem Abschluss der Bauarbeiten nicht endet. Sie setzt sich über die gesamte Lebensdauer des Systems fort, während die Infrastruktur instand gehalten, modernisiert und letztlich entsorgt und ersetzt wird.
Ein umfassender Vergleich verschiedener Energietechnologien sollte sich daher nicht allein auf die Betriebsleistung beschränken, sondern den gesamten Energieaufwand berücksichtigen, der für den Bau, die Instandhaltung und den wiederholten Ersatz der Infrastruktur erforderlich ist, auf der die Elektrizitätserzeugung beruht. Nur so lassen sich Technologien wirklich auf einer vergleichbaren Grundlage gegenüberstellen.
Diese Auswirkungen gehen weit über die reine Elektrizitätserzeugung hinaus und reichen bis zu den Materialien, die für moderne Energiesysteme benötigt werden: Stahl, Zement, Kupfer, Aluminium, Silizium, Lithium, Nickel, Glas und Seltene Erden. Auch diese Rohstoffe müssen mit energieintensiven industriellen Verfahren abgebaut, aufbereitet, verarbeitet und transportiert werden. Da wind- und solarbasierte Energiesysteme aufgrund ihrer geringen Energiedichte, ihrer fluktuierenden Erzeugung und ihrer vergleichsweise kurzen Betriebslebensdauer zunehmend infrastrukturintensiv werden, wird die graue Energie zu einem immer wichtigeren Bestandteil der Gesamtenergiebilanz.
Das Al-Dhafra-Projekt in den Vereinigten Arabischen Emiraten befindet sich an einem der weltweit günstigsten Standorte für Solarstromerzeugung und erhält mehr als 2,5-mal so viel solare Einstrahlung wie Deutschland. Wenn ein System dieser Größenordnung unter diesen außergewöhnlich günstigen Bedingungen rund 5,2 GW installierte Solarleistung, 19 GWh Batteriespeicher und einen beispielhaften eROI von etwa 5 bis 6 erfordert und dennoch nicht die gleiche Versorgungssicherheit wie ein gasbefeuertes Kraftwerk bietet, stellt sich die Frage: Was würde ein vergleichbares System in Ländern erfordern, deren solare Einstrahlung nur halb oder sogar nur ein Drittel so hoch ist?
Nach meiner Berechnung würde der eROI von Al Dhafra bei einem hypothetischen Standort in Deutschland lediglich 2 bis 3 betragen und gleichzeitig deutlich weniger Nutzen liefern als die Anlage in den VAE, da die Batteriespeicher seltener und weniger stark geladen werden könnten.
Tatsächlich wäre in Deutschland wahrscheinlich ein noch größerer Überbau erforderlich als in den VAE, was den eROI möglicherweise auf unter 1 drücken würde. Das System würde damit zu einem Nettoenergieverbraucher werden.
An dieser Stelle möchte ich Sie fragen: Sollte der Erfolg eines Energiesystems ausschließlich danach beurteilt werden, was während des Betriebs geschieht, oder sollte auch der gesamte Energieaufwand über die Lebensdauer berücksichtigt werden, der für den Bau, die Instandhaltung, die Stilllegung, die Entsorgung und den Ersatz des Systems selbst erforderlich ist?
Die Antwort auf diese Frage könnte maßgeblich beeinflussen, wie wir künftige Stromsysteme bewerten, konkurrierende Technologien miteinander vergleichen und begrenzte finanzielle Mittel sowie natürliche Ressourcen einsetzen.
Denn letztlich hat jedes Energiesystem eine Energierechnung.
Anhang
Zum eROI
Mariuttis Annahme zum Kohleeinsatz für chinesische Solarmodule [3]: „Nach meinen Schätzungen werden im ungünstigsten Fall (bei einer zu 100 % aus Kohle gedeckten Energieversorgung) 1.200 kg Kohle benötigt, um ein Photovoltaiksystem mit 1 kWp herzustellen.“ Nehmen wir daher einfach 50 % davon bzw. 600 kg an. Daraus ergibt sich:
- Typische Steinkohle (~24–25 MJ/kg): 600 × 24,5 ≈ 14.700 MJ ≈ 4 MWh/kWp
- Wir gehen davon aus, dass darin sämtliche für die Herstellung aller Komponenten erforderliche thermische und elektrische Energie enthalten ist.
Zum Vergleich: Die IEA [10] geht von etwa 1,2 MWh/kWp aus. Dieser Wert lässt sich aus ihrer Angabe einer „Amortisationszeit der nicht erneuerbaren Energie“ von 1,2 Jahren bei einem jährlichen „Ertrag“ von 975 kWh/kWp/Jahr zurückrechnen. Meines Erachtens sind diese Zahlen möglicherweise um eine Größenordnung zu niedrig, wie in [1, 2, 3] sowie in meinen eigenen Arbeiten gemeinsam mit Mariutti erläutert.
Zusätzlicher Energiebedarf: In der Praxis müssen mehrere weitere Energieaufwendungen und Betriebsverluste berücksichtigt werden, die in meiner Berechnung nur teilweise erfasst sind.
a) Geringere Solarstromerzeugung
Die Solarstromerzeugung schwankt abhängig von den atmosphärischen Bedingungen und den Betriebsbedingungen. In Abu Dhabi können dazu unter anderem gehören:
- Staub und Sandstürme
- atmosphärische Trübung
- Verschmutzung der Module
- hohe Modultemperaturen
- jahreszeitliche Schwankungen
- Bewölkung
- Ausfälle von Anlagenkomponenten und
- allmähliche Degradation der Module
Keine Anlage, die auf Grundlage der erwarteten Wetterbedingungen ausgelegt wurde, kann garantieren, dass jede Betriebsperiode den Annahmen des zugrunde liegenden Auslegungsmodells entspricht. Phasen mit ungewöhnlich geringer Solarstromerzeugung können die für die Versorgung und das Laden der Batteriespeicher verfügbare Strommenge reduzieren.
b) Begrenzter Betriebsbereich der Batteriespeicher
Eine Batterie mit einer Nennkapazität von 19 GWh stellt nicht zwangsläufig 19 GWh nutzbare Elektrizität bereit. Batteriespeicher werden in der Regel weder zu 100 % geladen noch bis auf 0 % entladen, da der Betrieb an diesen Grenzen die Degradation beschleunigt und die Lebensdauer der Batterie verkürzt.
c) Lade- und Entladeverluste der Batterie
Die zum Laden einer Batterie eingesetzte Elektrizität wird nicht vollständig zurückgewonnen. Auf Grundlage meiner Berechnungen aus meinem früheren Blogbeitrag „Pros and Cons of Utility-Scale Battery Storage“ kann der Gesamtwirkungsgrad eines Batteriespeichers im Großmaßstab je nach Betriebsbedingungen und zugrunde gelegten Systemgrenzen etwa 70–80 % betragen.
Das bedeutet, dass für die Bereitstellung von 1 MWh aus dem Batteriespeicher etwa 1,25–1,43 MWh Ladeenergie erforderlich sein können.
d) Eigenverbrauch bzw. Hilfsenergie
Alle Systeme verbrauchen auch Elektrizität, um überhaupt betriebsbereit zu bleiben. In einem heißen Klima kann insbesondere die Kühlung der Batteriespeicher ins Gewicht fallen, da hohe Temperaturen die Degradation beschleunigen und die Leistung beeinträchtigen.
Diese Elektrizität wird innerhalb des Projekts verbraucht und muss abgezogen werden, bevor die netto an die Kunden gelieferte Elektrizitätsmenge berechnet wird.
e) Verfügbarkeit und Wartung der Anlagen
Kein großes Industrie- oder Energiesystem arbeitet ohne Unterbrechungen. Geplante Stillstandszeiten für Wartung und Reparaturen sowie gelegentliche ungeplante Ausfälle dürfen nicht ignoriert werden. Selbst ein ausgesprochen zuverlässiges System wird Phasen aufweisen, in denen Teile der Anlage nicht verfügbar sind.
f) Degradation und Erweiterung der Batteriespeicher
Batteriespeicher behalten ihre ursprüngliche nutzbare Kapazität nicht bis zum Tag ihres Austauschs. Daher kann während der Betriebsdauer eine Erweiterung der Speicherkapazität erforderlich werden. Noch vor dem vollständigen Austausch müssen möglicherweise zusätzliche Batteriemodule installiert werden, um die zugesagte Leistung und Speicherdauer aufrechtzuerhalten.
Die mit dieser Erweiterung verbundene graue Energie ist in der theoretischen Berechnung nicht enthalten.
g) Abregelung und ungenutzter Stromüberschuss
Die betreffende Solaranlage verfügt über eine installierte Leistung von 5,2 GW, während die als kontinuierlich bezeichnete Leistung lediglich 1 GW beträgt.
Unter günstigen Tageslichtbedingungen kann die Solarstromerzeugung sowohl den erforderlichen Export von 1 GW als auch die verfügbare Ladeleistung der Batterie übersteigen. Sobald der Batteriespeicher ausreichend geladen ist, muss ein Teil der zusätzlichen Solarstromerzeugung möglicherweise abgeregelt werden.
Die für die Erzeugung dieses Überschusses erforderlichen Solarmodule, Nachführsysteme, Wechselrichter und sonstigen Anlagen weisen dennoch graue Energie auf – selbst dann, wenn der erzeugte Strom nicht genutzt werden kann.
Dies ist einer der grundlegenden Nachteile einer Überdimensionierung variabler Stromerzeugung: Das System muss groß genug sein, um schwierige Zeiträume abzudecken, während ein Teil seines möglichen Outputs in günstigen Zeiten ungenutzt bleiben kann.
h) Anforderungen an die Netzunterstützung
Wie wir gesehen haben, erfordert eine kontinuierliche Elektrizitätsversorgung mehr als nur Energie. Ein zuverlässiges Stromsystem muss außerdem Folgendes gewährleisten:
- Spannung
- Frequenz
- Blindleistung
- Phasenlage
- Fehlertoleranz bei Netzfehlern
- Kurzschlussleistung
- Systemträgheit oder synthetische Trägheit
- Schwarzstartfähigkeit und
- Reservekapazitäten für Störfälle
Für die Bereitstellung dieser Leistungen können unter anderem Folgendes erforderlich sein:
- zusätzliche Wechselrichter
- Synchronkondensatoren
- Transformatoren
- Steuerungs- und Regelsysteme
- reservierte Batteriekapazität
- konventionelle Kraftwerke als Backup und
- zusätzliche Übertragungsinfrastruktur
Ein Teil dieser Anlagen verbraucht direkt Elektrizität. Ein anderer Teil bringt zusätzliche graue Energie mit sich. Wieder andere Komponenten verringern die für die reguläre Stromversorgung verfügbare Batteriekapazität. Letztlich beeinflussen sie jedoch alle unsere Berechnung auf die eine oder andere Weise. Diese Anforderungen werden häufig ausgeklammert, wenn die Leistung von Solarmodulen oder Batteriespeichern isoliert betrachtet wird.
Links und Ressourcen
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