Die Energiewirtschaft im Umbruch

Die Bundesregierung hat beschlossen schnellstmöglich, spätestens bis 2022 aus der Stromerzeugung durch Kernkraftwerke auszusteigen. Die Stromerzeugung mit Steinkohlekraftwerken soll so schnell wie möglich, spätestens bis 2028 beendet sein. Um das schnell zu erreichen, werden Ausschreibungen durchgeführt, die Stilllegungsprämien vorsehen, die je höher ausfallen, je früher das Steinkohlekraftwerk stillgelegt wird. Dieser Wettbewerb ist z.Zt. in vollem Gange. Der Ausgang dieses Pokerspiels ist völlig offen. 

Bei der Braunkohleverstromung will die Bundesregierung, das möglichst früh, spätestens bis 2038, möglichst schon bis 2035, die Stromerzeugung eingestellt werden soll. Dieser zwangsläufig dabei eintretende Arbeitsplatzabbau soll sozialverträglich erfolgen. 

Stattdessen will die Bundesregierung die Stromversorgung Deutschlands langfristig ausschließlich aus erneuerbaren Stromerzeugungsanlagen, aus Windkraftanlagen auf der Nordsee und möglichst auch auf der Ostsee sicherstellen. Es sollen s.g. Offshore-Windparks auf den beiden Meeren entstehen. Dazu muss der Strom aufs Festland und dann weiter bis nach Süddeutschland transportiert werden. Dazu sind mehrere große Stromtrassen erforderlich. Wer dann das Stromnetz stabilisieren soll, also für Netzfrequenz- und Spannungshaltung sorgen, wird nicht beantwortet. Ob die Errichtung von Konverteranlagen zur Blindstromerzeugung an den ehemaligen Standorten der Kernkraftwerke ausreichen werden, kann heute noch keiner sagen. Wohin sich die Strompreise entwickeln ist ungewiss.

Der Autoverkehr soll nach Willen der Bundesregierung möglichst schnell elektrisch werden. Die effizienten Diesel- und Benzin-Verbrennungsmotoren sollen durch Elektromotoren ersetzt werde, nur noch mit erneuerbar erzeugten Strom an Ladestationen versorgt werden. Die Reichweiten der E-Batterien sind aber noch sehr bescheiden, und die Investitionskosten für die Anschaffung des E-Autos, die Wartung- und Instandhaltungkosten und die notwendige Infrastruktur sehr teuer.

Wegen der nicht akzeptablen geringen Reichweite wird jetzt der Wasserstoff als Brennstoff für Brennstoffzellen als Antriebsmöglichkeit diskutiert. Größere Fahrzeuge wie Omnibusse, LKW wie Müllfahrzeuge sollen bevorzugt ausgestattet werden. Das ganze wird noch getoppt, indem grüner Wasserstoff, also Wasserstoff der durch Elektrolyse mit Wasser aus erneuerbarem Strom erzeugt wird, verwendet werden soll. Woher soll denn der viel benötigte erneuerbare Strom herkommen, der 365 Tage im Jahr, Tag und Nacht zur Verfügung stehen muss, zu welcher Energieeffizienz und zu welchen Stromkosten.

Die derzeitige Anzahl in Betrieb befindlicher Windkraftanlagen auf der Nordsee und der Ostsee von 1.500 Anlagen müssten auf das 40fache erhöht werden, auf rund 60.000 Windkraftanlagen. Dann wird es auf der Nordsee eng für Windparks. Der Strom muss ans Festland gebracht und über ganz Deutschland bis nach Süddeutschland verteilt werden – für die Übertragungsnetzbetreiber eine unlösbare Aufgabe.

Das verrückteste, was ich bisher gelesen habe, war der Vorschlag den Elektrobus mit einer Brennstoffzelle zu versehen, die aus einem mitgeführten Flüssigwasserstofftank aus dem Wasserstoff in der Brennstoffzelle Strom erzeugt, der zum Antrieb der Elektromotoren und zum Laden der E-Batterien eingesetzt werden soll. Durch die vielen Energieumwandlungsschritte sind so viele Energieumwandlungsverluste zu erwarten, so dass die Energieeffizienz sehr niedrig ist. Von der Wertigkeit der Energie bleibt nicht mehr viel übrig, aber die Anschaffungs-, Betriebs,- Wartungs- und Instandhaltungskosten steigen ins quasi Unendliche. 

Merke: Energieumwandlungen sollten möglichst vermieden werden, weil bei jeder Umwandlung die Wertigkeit der Energie abnimmt. 

Viele der diskutierten Power-to-X-Anlagen müssen technisch noch entwickelt werden und sind noch nicht verfügbar. Über die technische Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit lässt sich noch nichts sagen. Die Rückverstromung kann ja nicht wirtschaftlich sein. Auch die Biomethanverstromung gehört dazu. 

Die Einführung der Energieeinsparverordnung (EnEV) in der technischen Gebäudeausrüstung hat eine Vielzahl an gebäudetechnischen Anlagen hervorgebracht. Zuerst soll die Gebäudehülle möglichst luftdicht dick eingepackt werden, um die Heizwärmeverluste zu minimieren. Für die Heizungs- und Warmwasserversorgung sowie der Stromversorgung sind eine Vielzahl gebäudetechnischer Anlagen am Markt verfügbar.

Als die überarbeitete Energieeinsparverordnung (EnEV), das Energieeinspargesetz (EnEG) und das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) zum Gebäudeenergiegesetz (GEG) zusammengefasst durch Bundestag und Bundesrat verabschiedet wurde, hieß es bereits, es dürften keine Heizölheizkessel mehr betrieben werden. Dafür wird eine Abwrackprämie für die nächsten fünf Jahre eingeführt, die die Stilllegung von Heizölheizkessel beschleunigen soll. Das hat sich aber als Fake News herausgestellt. Die Heizölpreise in 2020 befinden sich aktuell auf dem gleichen Niveau wie in 1973. Wer hätte das nach der zweiten Energiekrise 1979/80 erwartet.

Der Heizölheizkessel muss dort eingesetzt werden, wo leitungsgebundene Energieträger wie Erdgasleitung oder Fern-wärmeleitung nicht zur Verfügung stehen. Heute vielfach eingesetzt wird der Erdgas-Brennwertheizkessel. Die Pelletsheizung gilt als modern und schick, ebenso die elektrisch betriebene Wärmepumpe, die Photovoltaikanlage auf dem Dach montiert, zur erneuerbaren Stromerzeugung, sowie der Solarkollektor zur Heizungsunterstützung und Warmwassererzeugung in den Sommermonaten.  Die Nachtstromheizung galt bis vor kurzem noch als Auslaufmodell, wegen der hohen Stromkosten. Erdgasbetriebene kleine BHKW mit Verbrennungsmotor, der Heizkessel, der auch Strom erzeugt, gilt als hochenergieeffiziente Kraft-Wärme-Kopplung. Noch kleinere KWK-Anlagen mit Brennstoffzelle kommen auf den Markt. Mittlere und große erdgasbetriebene BHKW mit Verbrennungsmotor werden im KWK-Betrieb für Nahwärmenetze in Wohnquartiere und zur leitungsgebundenen Strom- und Wärmeversorgung von ganzen Stadtteilen mit Fernwärmeleitungen eingesetzt, um steinkohlebefeuerte Heizkraftwerke zu ersetzen. 

In energieintensiven Unternehmungen werden sie zur Strom- und Prozesswärmebereitstellung im hocheffizienten KWK-Betrieb eingebaut.

Aber auch in Einrichtungen wie Krankenhäuser, Hotels, Schwimmbäder, Getränkeabfüller, Schlachthöfe, fleischverarbeitende Betriebe, usw., die alle zeitgleich Strom und Wärme benötigen, sind BHKW-Anlagen immer beliebter, um Energiekosten für Strom und Wärme zu senken. Gleichzeitig wird ein großer Beitrag zur CO₂-Emissionsminderung geleistet.

Man kann heute sagen Blockheizkraftwerke werden eingesetzt von A wie Altenheim bis Z gleich Zoos. Sie sind in vielen Leistungsstufen am Markt verfügbar und helfen die Energiekosten zu senken und die CO₂-Emissionen herabzusetzen. 

Das Heizen mit Heizöl und Erdgas soll nach Willen der Bundesregierung möglichst eingeschränkt werden.  Zukünftig ist der Übergang zu Wasserstoff als Erdgasersatz vorgesehen. Diese Illusion gipfelt darin, dass kein gewöhnlicher Wasserstoff eingesetzt werden soll, sondern die Verwendung von s.g. grünen Wasserstoff, also Wasserstoff, der durch Elektrolyse aus Wasser mit erneuerbar erzeugtem Strom erzeugt wird.

Dadurch wird die Schieflage der einzelnen Preise für die Brennstoffe, politisch gewollt, noch weiter gesteigert.

Vor 20 Jahren wurde das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) eingeführt, um durch eine Umlagefinanzierung auf den Strompreis, hauptsächlich für Haushaltstarif- und Gewerbetarif-Kunden, diese neuen Techniken weiterzuentwickeln und an den Markt zu führen. Photovoltaik auf den Hausdächern, Windkraftanlagen an Land, später hauptsächlich auf der Nordsee und der Ostsee, Biogasanlagen zur erneuerbaren Stromerzeugung, später auch zur Biomethanerzeugung als Erdgasersatz, zur Erzeugung von grünen Erdgas.

In 2000 startete die EEG-Umlage auf unserer Stromabrechnung mit einem Strompreisaufschlag von 0,41 Ct/kWh_el. In 2020 hat die Umlage einen Wert von 6,8 Ct/kWh_el erreicht.

Der erzielbare Strompreis aus erneuerbaren Quellen an der Energiebörse driftet immer weiter auseinander, so dass die derzeitigen 6,8 Ct/kWh_el auf unsere Strompreise nicht mehr ausreichen und weiter erhöht werden müssten. Die EEG-Umlage müsste eigentlich auf 9,8 Ct/kWh_el angehoben werden. Unser Bundeswirtschaftsminister will aber eine Deckelung auf langfristig 6,5 Ct/kWh_el erreichen, wenn möglich noch weiter absenken. Wer diese Differenz zahlt ist derzeit noch nicht geklärt. Unser Wirtschaftsminister will das zunächst aus der Staatskasse bezahlen.

Ein Teufelskreis, aus dem es auszubrechen bedarf.

Die Deckelung der PV-Anlageninstallation ist zurückgenommen worden, mit der Folge das von den Energieagenturen der Länder, den Verbraucherberatungsstellen, von den Umweltverbänden und von den Architektenkammern der Zubau von PV-Anlagen sowohl auf den Hausdächern als auch als PV-Freiflächen in der Bevölkerung viel Werbung gemacht wird. Die Auswirkungen auf den Strompreis der Bevölkerung werden verschwiegen und mit keinem Wort erwähnt. Selbst die Verbraucherberatungsstellen machen da erstaunlicher Weise mit und sagen nichts.

Durch die EEG-Umlagefinanzierung auf die Haushaltstarif- und Gewerbetarif-Kunden

haben sich die Strompreise verdoppelt. Innerhalb der EU-Mitgliedsländer ist der Strompreis in Deutschland mit 33 Ct/kWh_el mit Abstand am höchsten. Wo soll das hinführen. Für 2021 sind erneut höhere Strompreise und Erdgaspreise angekündigt.

Unser Bundeswirtschaftsminister hat noch nicht den Mut die EEG-Umlagefinanzierung auf die Strompreise zu beenden. Man könnte die EEG- Finanzierung ja auch über Abschreibungsmöglichkeiten für den Investor regeln und zwar über den erreichbaren Beitrag zur CO₂-Emissionsminderung pro Jahr. Das kann man messen und abrechnen durch eine Steuererstattung.

Stattdessen hat sich unsere Bundesumweltministerin mit der Einführung der CO₂-Emissionssteuer von zuerst 25 € pro Tonne CO₂ durchgesetzt, die bis 2025 auf 55 € pro Tonne CO₂ Emission gesteigert werden soll, um die Energiewende zu beschleunigen. Dadurch steigen die Brennstoffpreise für fossile Brennstoffe Heizöl und Erdgas und an den Tankstellen wird der Benzin- und Dieselkraftstoff abermals angehoben. D.h. der Staat hat höhere Einnahmen durch die Mineralölsteuer und Energiesteuer. Aber ob dadurch auch ein Beitrag zur CO₂-Emissionssenkung erreicht wird, bleibt abzuwarten.

Da der Preis für Holzpellets an den Heizölpreis gekoppelt ist und derzeit bereits schon 33 € pro Tonne beträgt, ist abzuwarten, welche Auswirkungen sich daraus ergeben werden. Die Amortisationszeit für eine Pelletsheizung wird dadurch nicht kürzer.

Auf die Einführung der CO₂- Emissionssteuer hat die Erdgaswirtschaft schon reagiert und erhöht zum 1. Januar 2021 den Arbeitspreis um 0,54 Ct / kWh_Hs (bezogen auf den Brennwert Hs). Das entspricht eine Anhebung des Arbeitspreises um 8,7 %. Diese Preissteigerung ist staatlich vorgegeben.

Die Stromwirtschaft erniedrigt zum 1. Januar 2021 den Arbeitspreis um 0,21 Ct /kWh_el. Das entspricht eine Senkung des Arbeitspreises um 0,752 %. Diese Preissenkung ist auch staatlich vorgegeben. Ob diese beiden Arbeitspreisveränderungen für Erdgas und ganz gering für Strom zur CO₂-Emissionsminderung in 2021 führen werden, gilt abzuwarten.

Energiebilanzierung

Um das Pariser Klimaabkommen zielgerichtet zu erreichen, genügt es aber nicht, dass man PV-Anlagen großflächig auf den Hausdächern montiert und elektrisch betriebene Wärmepumpen in den Heizungskellern installiert, sondern auch deren Energieeffizienz, und wieviel CO₂-Emissionen pro Jahr eingespart werden können, müssen berechnet werden.

Das mit einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe erneuerbare Wärme bereitgestellt wird ist eine Fake News, solange der zum Betrieb der Wärmepumpe benötigte Strom nicht vollständig aus erneuerbaren Stromerzeugungsanlagen erfolgt. Ein Beitrag zum Umweltschutz und zur CO₂-Emissionsminderung ist hier nicht zu erkennen.

Die hohen Kosten für den Stromeinsatz lassen die Wirtschaftlichkeit anzweifeln. Es wird immer über Energieeffizienz ist eine wichtige Säule, wenn die Energiewende erfolgreich gemeistert werden soll, geredet. Was heißt denn Energieeffizienz?

Die Bewertung der Energieeffizienz hängt davon ab, wie oft die Energie umgewandelt wird. Jede Energieumwandlung bringt eine Minderung der Energiewertigkeit mit sich. Eine Energieumwandlung soll möglichst vermieden werden, weil bei jeder Umwandlung die Wertigkeit abnimmt.

Erneuerbar erzeugter Überschussstrom in andere Energieträger umzuwandeln, sollte möglichst vermieden werden, weil die Energieeffizienz, also die Wertigkeit der Energie immer weiter abnimmt. Stromumwandlungsketten sollten möglichst vermieden werden. Der teuer erzeugte regenerative Strom und damit kostbar, soll auch als Strom widerverwendet werden, damit die Energieeffizienz möglichst hoch bleibt. Für die Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden wurde in der Energieeinsparverordnung (EnEV) der Primärenergiefaktor f_PE eingeführt.

Der Primärenergiefaktor f_PE soll zur energetischen Bewertung von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen im Rahmen der Anlagenplanung nach der EnEV dienen.

Er gibt an, wieviel Primärenergie im Verhältnis zur nutzbaren Wärmeenergie eingesetzt werden muss. Konkret stellt der Primärenergiefaktor das Verhältnis von aufzuwendender Primärenergie zur nutzbaren Wärmeerzeugung dar. Standardmäßig sind nach der EnEV dabei für mit Heizöl und Erdgas betriebene konventionelle Heizkessel Primärenergiefaktoren von 1,1 zu verwenden. Das bedeutet, das für die Bereitstellung von 1 kWh Wärme 1,1 kWh Primärenergie (bezogen auf den Heizwert Hi) aufzuwenden sind.

Da BHKW neben der Nutzwärme auch elektrischen Strom erzeugen und damit die öffentlichen Kraftwerke entlasten und Primärenergie hier einsparen, wird eine Gutschrift für die produzierte Strommenge angesetzt, der s.g. Stromverdrängungsfaktor f_p = 2,8. Aufgrund dessen erreichen kleine BHKW Primärenergiefaktoren < 0,4. Bei großen BHKW-Anlagen mit Fernwärmenetze kann, in Abhängigkeit der Jahresauslastung des BHKW, der Primärenergiefaktor sogar negativ werden. Dann ist f_PFW = 0 zu setzen.

Ist im ersten Schritt der Energieeffizienz-Bewertung die Primärenergiebilanz nicht vollständig und korrekt, dann sind alle folgenden Bewertungen wie CO₂-Emissionsbilanzierung und die Wirtschaftlichkeitsberechnungen nicht brauchbar. Man bleibt dann bei politisch motivierten Aussagen oder Wunschvorstellungen, bei Illusionen hängen, wenn sie technisch nicht umsetzbar und auch bezahlbar sind.

Energieingenieure verwenden den Wirkungsgrad als Bewertungsgröße, also das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. Der Wirkungsgrad ist immer < 1.

Der Wirkungsgrad wird immer bezogen auf die Leistungen. Man unterscheidet zwischen thermischem und elektrischem Wirkungsgrad.

h_th = 

h_el = 

Die Brennstoffleistung wird immer auf den Heizwert H_i des verwendeten Brennstoffs bezogen. Die Nutzleistung der Wärmebereitstellung bezieht sich auf eine volle Betriebsstunde. Bei der elektrischen Leistung wird die 1/4 h in der Stromwirtschaft definiert. In der Erdgaswirtschaft werden aber der Erdgasbedarf und der Erdgaspreis auf den Brennwert H_s des verwendeten Erdgases bezogen.

Um verschiedene Brennstoffe miteinander vergleichen zu können, muss beim Erdgas auf dessen Heizwert H_i umgerechnet werden. Das Verhältnis von H_i /H_s = 0,903 für Erdgas.

Der Nutzungsgrad wird mit der Arbeit, also Leistung kW x Betriebszeit h definiert.

C_th=  und C_el = 

Es ist zwischen kWh_th und kWh_el zu unterscheiden.

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik, der s.g. Energieerhaltungssatz, beschreibt die Umwandlung von Energie in einem Kreisprozess. Es kann keine Energie verloren gehen, aber bei jeder Umwandlung nimmt die Wertigkeit der Energie immer ab.

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt diese Abnahme der Wertigkeit der Energie, deren Arbeitsfähigkeit. Die Arbeitsfähigkeit der Energie mit hoher Temperatur ist umso höher, je weiter sie von der Umgebungstemperatur entfernt ist.

Fügt man den 1. HS und 2. HS der Thermodynamik zusammen, erhält man den Begriff der Exergie.

E_Ex =

Die Enthalpiedifferenz des Energiestroms zur Enthalpie der Umgebung beschreibt den Energieerhaltungssatz. Die Entropiedifferenz des Energiestroms zur Entropie der Umgebung, gewichtet mit der Temperatur der Umgebung, beschreibt die Wertigkeit (die Arbeitsfähigkeit) des Energiestroms.

Die Exergie der Wärme ist bei der Umgebungstemperatur = 0
(keine Arbeitsfähigkeit).

Die Exergie der elektrischen Energie ist 100 %, weil elektrischer Strom sich in jede beliebige andere Energieform umwandeln lässt.

Bei der Exergie der Wärme gelingt es nur, je höher die Temperatur der Wärme gegenüber der Umgebungstemperatur ist. Die Exergie der Wärme ist also beschränkt auf das Temperaturniveau auf das es sich befindet. Die Exergie die in der Wärme enthalten ist, wird durch den Carnot- Wirkungsgrad bestimmt.

h_Cm =

T_m ist die gemittelte logarithmische Temperatur des Wärmestroms von der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur.

T_m =

So lässt sich das als Energieflussbild anschaulich darstellen für die getrennte Energieversorgung eines Gebäudes mit Heizung und Strom (Bild 1).

Das Energieflussbild für die Heizung und Stromversorgung eines Gebäudes im Kraft-Wärme-Kopplungs-Betrieb zeigt Bild 2 am Beispiel eines kleinen BHKW gemäß dem 1. HS.

Da der Brennstoffbedarf der gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung gegenüber der getrennten sich um ein Drittel reduzieren lässt, wird auch die CO₂- Emissionsminderung über 50 % erreicht. Die Energiekosten für den selbst erzeugten Strom und Heizung halbieren sich.

Bezogen auf das Jahr, bei gleicher Jahresarbeit für Strom in kWh_el/a und Nutzwärme in kWh_th/a ergeben sich Primärenergieeinsparungen von > 1/3 beim Kraft-Wärme-Kopplungs-Betrieb gegenüber der getrennten Erzeugung.

Der Koppelwirkungsgrad

n_Kopp =                =                                    = 104 %

berechnet eine sehr hohe Energieeffizienz gemäß 1. HS. Die Abnahme der Wertigkeit der Energie bei der Energieumwandlung wird nicht angegeben.

Wird zu dem 1.HS der Thermodynamik auch der 2. HS (also die Wertigkeit der Energie) berücksichtigt, lässt sich das Exergieflussbild (Bild 3) für die Heizung und Stromversorgung eines Gebäudes im Kraft-Wärme-Kopplungs-Betrieb am Beispiel mit einem kleinen BHKW, Typ Dachs gemäß 1.+ 2. HS darstellen.

Die Exergie der elektrischen Energie beträgt

E_ex,el= P_el= 5,5 kW_el. h_ex,el = 28,2 % bleibt unverändert.

Die Exergie der nutzbaren Wärme ist E_ex,th= h_cmx Q_th

Der exergetische Koppelwirkungsgrad ist

h_ex,Kopp= n_el (1+n_cm/ G) mit h_Cm = 1- T_u/ T_m

T_u = 20 °C+ 273 K = 293 K die Temperatur der Umgebung

T_V = 90 ^°C + 273 K = 363 K die Vorlauftemperatur der Heizung

T_R = 30 °C + 273 K = 303 K die Rücklauftemperatur der Heizung

T_m = 363 K – 303 K = 332,097 K

ln 363 K / 303 K

h_Cm = 1-293 K = 0,1177 = 11,77 % der Carnot-Wirkungsgrad
32,097 K der KWK-Anlage

G =                                = 0,3716 die Stromkennzahl der KWK-Anlage

h_ex,Kopp =                              = 0,3713 = 37,13 %

der exergetische Koppelwirkungsgrad gemäß 1. + 2. HS.

Die Exergie der nutzbaren Wärme ist

0,1177 x 14,8 kW_th= 1,74 kW_ex,_th

Der exergetische thermische Wirkungsgrad

h_ex,th=                      = 8,9 %

Die Exergie der Verluste

E_ex,Verl = 19,5 kW_Hi,ex – 5,5 kW_el – 1,74 kW_ex,th = 12,26 kW_ex,th

Der exergetische Wirkungsgrad der Verluste

h_ex,Vel = 100 % - 28,2 % - 8,9 % = 62,9 %

Die Abnahme der Wertigkeit der Energie bei der Energieumwandlung beträgt 62,9 % oder 12,26 kW_ex,th.

Man erhält so eine vollständige Information über die Effizienz der Energie, wenn sie in verschiedene Energieformen umgewandelt wird. Die Wertigkeit der Energie nimmt bei jeder Umwandlung ab, die durch die Exergieverlustberechnung nach dem 1. + 2. HS der Thermodynamik bestimmt wird.

Als bei der Einführung der Energie-Einspar-Verordnung (EnEV) die Bewertungsgröße Primärenergiefaktor f_PE kreiert wurde, hätte man sich gewünscht, dass die Bewertungsgröße nach dem 1. + 2. HS der Thermodynamik, nicht nur nach dem 1.HS

gebildet worden wäre.

Als später die EnEV überarbeitet und heute in das Gebäude Energie Gesetz (GEG) zusammengefasst wurde, ist man unverändert nur beim 1.HS (Energieerhaltungssatz) als Bewertungsgröße geblieben. Die Entwertung bei der Energieumwandlung, Änderung der Wertigkeit nach dem 2. HS, bleibt leider immer noch unberücksichtigt.

Das Gebäude Energie Gesetz (GEG) bleibt für die Bewertung der Energieeffizienz in der Energiewende für den Wärme- und Strombedarf im Gebäude unvollständig.

Umweltbilanzierung

Nach dem ersten Bilanzierungsschritt, die Energiebilanz der Energieumwandlung, umfassend nach dem 1.+ 2.HS der Thermodynamik, die Primärenergieeinsparung (Hi) erfolgt ist, kann darauf aufbauend im zweiten Schritt die Umweltbilanzierung, die CO₂ -Emissionsminderung ermittelt werden. Der spezifische Emissionsfaktor für CO₂ bei der Verbrennung von Erdgas wird mit 0,20 kg CO₂/ kWh_Hi angegeben.

Der spezifische Primärenergiefaktor für CO₂ bei der Stromerzeugung in öffentlichen Kraftwerken in Deutschland wird z.Zt. mit 0,471 kg CO₂/ kWh_el bilanziert.

Durch den Wegfall der Kernkraftwerke wird der CO₂-Emissionsfaktor in 2022 ansteigen, durch den beabsichtigten Wegfall der Stromerzeugung durch Steinkohlekraftwerke und später auch Braunkohlekraftwerke und der Ausbau der Windkraftanlagenparks in der Nordsee und der Ostsee (Offshore), dem Zubau von Windkraftanlagen an Land (Onshore) und die weitere Installation von PV-Anlagen auf den Hausdächern, wird der spezifische Emissionsfaktor für die CO₂-Emissionen weiter sinken.

Die erreichte CO₂-Emissionminderung im Gebäude für die Wärme-und Stromversorgung lässt sich über diese spezifischen Emissionsfaktoren, je nach ausgewählte gebäudetechnische Anlage, ermitteln. Um das Pariser Klima-Abkommen als Ziel zu erreichen, können wärme- und stromversorgende Anlagen bevorzugt eingesetzt werden, die die CO₂-Emissionen besonders herabsetzen. Die Begrenzung erfolgt durch die Versorgungssicherheit für Strom und Heizung. Erneuerbarer Strom und erneuerbare Heizung und sogar Klimatisierung sind Investitionsintensiv. Damit kommt man zum dritten Bilanzierungsschritt, der Wirtschaftlichkeitsberechnung.

Wirtschaftlichkeitsberechnung

Aufbauend auf die Ergebnisse der ersten und zweiten Bilanzierung müssen jetzt ermittelt werden

Die Dynamisierung der Energiepreise für Strom und Brennstoffe über zehn Betriebsjahre wurde deshalb gewählt, weil Förderprogramme wie z.B. vollständige Befreiung von der Energiesteuer für diesen Zeitraum gelten, oder die BAFA-Förderung für eigenerzeugten Strom für derzeit 30.000 Vollastbetriebsstunden, das entspricht ebenfalls etwa zehn Betriebsjahre, gewährt werden. Die Amortisationszeit sollte also auch unter der Förderungszeit liegen.

Die Wirtschaftlichkeitsberechnung beinhaltet folgende Abschnitte von 1 bis 5:

Die kapitalgebundenen Kosten KGK berechnen sich aus den notwendigen Investitionskosten IK und der Annuität a_nn

KGK = IK x a_nn (€ /a)

Die Annuität wird gebildet aus

a_nn =

mit p der kalkulatorische Zinssatz (%/a)

T die Laufzeit des Zinssatzes (a)

Der Deckungsbeitrag enthält alle Kosten von 1 bis 5, außer den kapitalgebundenen Kosten nach 1 (s.g. Teilkostenrechnung).

Der Deckungsbeitrag wird aus den Energiekosteneinsparungen für Strom und Wärme pro Jahr für jede Variante ermittelt.

Eine Voraussetzung der Wirtschaftlichkeit ist, dass der Deckungsbeitrag > oder mindestens gleich der kapitalgebundenen Kosten ist.

Die Kapitalrentabilität KR lässt sich durch das Verhältnis von Energiekosteneinsparung über z.B. zehn Betriebsjahre zu den notwendigen Investitionskosten bestimmen:

KR = ⇥x 100 (%)

Die Amortisationszeit T_A ist eine Risikoabschätzung. Sie ist das Verhältnis von erforderlichen Investitionskosten zur Energiekos-teneinsparung pro Jahr, zum Deckungsbeitrag der betrachteten gebäudetechnischen Anlagenvariante

T_A =

Die energetische Bewertung der Gebäude mit den gebäudetechnischen Anlagen in Bezug auf den notwendigen Primärenergieeinsatz für Heizung und Strom pro Jahr, der erzielbaren CO₂-Emissionsminderung pro Jahr, die erforderlichen Investitionskosten, die Energiekosteneinsparung pro Jahr, die erreichbare Kapitalrentabilität und schließlich die zu erwartende Amortisationszeit, geben umfassende Informationen dem Pariser Ziel näher zu kommen.

Fazit

Es genügt nicht, dass man PV-Anlagen auf den Hausdächern montiert und elektrisch betriebene Wärmepumpen im Heizungskeller installiert, sondern auch die vollständige Berechnung der Primärenergieeinsparung. Dann kann man die CO₂-Emissionsminderung pro Jahr ermitteln. Selbstverständlich darf eine abschließende Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht fehlen.

Im Kurrikulum der Ausbildung in der Energietechnik und der Energiewirtschaft müssen die Studiengänge wie Architektur, Bauingenieure, Umweltingenieure, Wirtschaftsingenieure, auch selbst für Elektroingenieure, muss die thermodynamische Ausbildung dazugehören. Auch für geisteswissenschaftliche Ausbildungen wie Politologie, Geographie o.ä. ist der Vorlesungsbesuch und die erfolgreiche Ablegung der Prüfung in Thermodynamik und Energiewirtschaft nur von Vorteil.

Für die Schülerbewegung Fridays for Future und begeisterte Greta-Anhänger wäre es wünschenswert, wenn sie im späteren Studium in den thermodynamischen Vorlesungen anwesend sind. Denn für die Berufskarriere als zukünftige(r) Umweltminister(in) ist die Ausbildung nicht hinderlich.

Es gibt nichts Peinlicheres, als über Sachverhalte zu diskutieren und zu entscheiden, in denen man sich während der beruflichen Ausbildung nicht qualifiziert hat.

Das Pariser Klimaabkommen zu erfüllen, wollen wir alle. Wir alle wollen die Welt retten. Die CO₂-Emissionsminderungsmöglichkeiten, die vorgesehen sind und gefördert werden, müssen technisch auch verfügbar sein, und sie müssen wirtschaftlich sein.

Die CO₂-Emissionen sollten in Deutschland bis 2030 um 55 %, möglichst sogar um 60 % bezogen auf die Werte von 1990 vermindert werden.

Wenn in Deutschland alle in Betrieb befindliche Heizkessel durch Heizkessel, die auch Strom erzeugen, ersetzt werden, ließen sich 9 t CO₂-Emissionen pro Jahr und Haushalt einsparen.

Dieser Kraft-Wärme-Kopplungsbetrieb ist hochenergieeffizient. Die Strombezugskosten betragen keine 33 Ct/kWh_el in 2021, sondern nur noch 15 Ct/kWh_el für den selbst erzeugten Strom. Energiekosten für die Heizung fallen dabei nicht mehr an. Strom kommt nicht automatisch aus der Steckdose. Er muss immer teuer bezogen, oder selbst erzeugt werden.