Energie zum Aufbau eines Kraftwerks – Über graue Energie und eROI

Dr. Lars Schernikau: Energieökonom, Rohstoffhändler, Autor

Wir verbringen viel Zeit damit, darüber zu sprechen, wie viel Energie unsere Elektrizitätssysteme „erzeugen“ können. Viel seltener stellen wir uns jedoch eine andere Frage: Wie viel Energie ist überhaupt nötig, um sie erst einmal zu bauen?

Jedes Kraftwerk nimmt seine Arbeit lange vor dem Moment auf, in dem die erste Kilowattstunde ins Netz eingespeist wird. Rohstoffe werden abgebaut und verarbeitet, Komponenten hergestellt, Anlagen transportiert, Infrastruktur errichtet und das gesamte System zusammengebaut.

Bei jedem dieser Schritte wird Energie verbraucht. Dieser Energieaufwand ist weitgehend unsichtbar, sobald das fertige Kraftwerk in Betrieb geht, doch aus der Rechnung verschwindet er deshalb nicht.

Das nenne ich graue Energie. Wenn wir abschätzen wollen, wie viel Energie ein Energiesystem der Gesellschaft tatsächlich zurückgibt, müssen wir sie verstehen.

Wenn wir über eine Energietechnologie sprechen, konzentrieren wir uns meist darauf, was passiert, sobald sie in Betrieb ist:

• wie viel Elektrizität sie erzeugt
• wie viel der Betrieb kostet
• welche Emissionen im Betrieb entstehen
• ihr natürlicher, von den Umweltbedingungen bestimmter Nutzungsgrad
• ihre tatsächliche Nutzung oder Abregelung und
• wie lange sie realistischerweise betrieben werden kann

Ein Kraftwerk beginnt sein Leben jedoch nicht erst mit der Erzeugung seiner ersten Kilowattstunde. Schon lange davor wurde Energie verbraucht. (Abbildung 1)

Rohstoffe müssen abgebaut, Erze verarbeitet und aufbereitet werden. Stahl, Aluminium, Kupfer, Silizium, Zement und unzählige weitere Materialien müssen hergestellt werden. Komponenten müssen produziert, transportiert und montiert werden. Auch Straßen, Fundamente, Netzanschlüsse und weitere Infrastruktur müssen möglicherweise gebaut werden.

All das benötigt Energie – graue Energie, also die Energie, die in den Aufbau des Systems investiert wird, das später für uns Energie erzeugen soll.

Wenn wir Energiesysteme aus dieser Perspektive betrachten, stellt sich eine interessante Frage:

Wie viel Energie müssen wir investieren, bevor wir Energie zurückbekommen? Schließlich wissen wir alle, dass Energie nicht aus dem Nichts entsteht.

Nehmen wir zum Beispiel eine Solaranlage.

Sonnenlicht gibt es zwar ohne Rechnung für einen Brennstoff, aber um daraus ausreichend nutzbare Elektrizität zu gewinnen, braucht es ein beträchtliches technisches System.

Quarz und andere Rohstoffe müssen abgebaut, Silizium raffiniert und weiterverarbeitet werden. Glas, Aluminium, Kupfer und Stahl werden für Solarzellen, Module, Wechselrichter und elektrische Ausrüstung benötigt. Anschließend muss alles zum Projektstandort transportiert und installiert werden – und nach einigen Jahren wieder demontiert und entsorgt.

Dasselbe Prinzip gilt für jede Energietechnologie. Windkraftanlagen benötigen Stahl, Beton, Kupfer, Verbundwerkstoffe und umfangreiche Fertigungsprozesse. Kernkraftwerke erfordern große Mengen spezialisierter Materialien und erheblichen Bauaufwand. Bei Kohle und Gas braucht es Bergwerke oder Bohrungen, Aufbereitung, Transport und Erzeugungsinfrastruktur.

Die Frage lautet also nicht, ob eine Energietechnologie Energie benötigt, um überhaupt zu entstehen, das tun sie alle. Interessanter ist die Frage: wie viel?

Von grauer Energie zur Energierendite

Hier wird das Konzept der Energierendite, also Energy Return on Investment (eROI), besonders interessant. Vereinfacht gesagt vergleichen wir bei eROI die Energie, die ein Energiesystem liefert, mit der Energie, die erforderlich ist, um diese Energie bereitzustellen.

Das Prinzip ist ziemlich intuitiv. Investieren wir eine Energieeinheit und bekommen nur etwas mehr als eine Einheit zurück, bleibt kaum ein Überschuss übrig. Liefert dieselbe Energieinvestition ein Vielfaches an Energie zurück, sieht die Sache ganz anders aus.

Damit unterscheidet sich eROI grundlegend von einer rein finanziellen Kennzahl.

Geld kann seinen Wert verändern: Rohstoffpreise schwanken, Zinsen bewegen sich, und Subventionen, Steuern sowie Regulierung können die Wirtschaftlichkeit eines Projekts erheblich beeinflussen.

Energie hingegen bleibt eine physikalische Größe.

Für die Herstellung einer Tonne Stahl wird Energie verbraucht – unabhängig davon, wie die finanziellen Kosten verbucht werden. Deshalb lohnt es sich, die Energie zu betrachten, die in unsere Energieinfrastruktur investiert wird.

Doch wo ziehen wir bei der grauen Energie die Grenze?

Hier wird die scheinbar einfache Idee deutlich komplizierter.

Was genau sollte zur grauen Energie zählen?

Sollten wir nur die Energie berücksichtigen, die für die Herstellung der Hauptkomponenten benötigt wird? Oder sollten wir auch Folgendes einbeziehen:

• den Abbau und die Aufbereitung der Rohstoffe?
• den Transport?
• den Bau?
• die unterstützende Infrastruktur?
• die Netzanschlüsse?
• Ersatzkomponenten?
• den Rückbau?

Diese Frage ist wichtig, denn wenn wir die Systemgrenze verschieben, verändert sich auch das Ergebnis.

Eine weitere wichtige Variable in dieser Rechnung ist die Lebensdauer der Anlage.

Ein System, das 20 Jahre lang betrieben wird, erzielt über seine Lebensdauer eine andere Energierendite als eines, das 30 oder 40 Jahre in Betrieb ist.

Auch der natürliche Nutzungsgrad spielt eine große Rolle: Die installierte Leistung sagt uns, wie viel ein System zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugen könnte, nicht aber, wie viel Elektrizität es über seine gesamte Lebensdauer tatsächlich „erzeugt“.

Selbst scheinbar kleine Annahmen können daher überraschend große Auswirkungen haben.

Deshalb sollten wir zusammenfassende Vergleiche verschiedener Energietechnologien mit Vorsicht betrachten. Zwei Studien können scheinbar dieselbe Technologie untersuchen und zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen kommen, ohne dass eine davon zwangsläufig falsch sein muss. Vielleicht beruhen sie einfach auf unterschiedlichen Annahmen, Lebensdauern, natürlichen Nutzungsgraden und Auslastungsannahmen.

Was passiert, wenn wir das auf ein konkretes Projekt anwenden?

Die Theorie wird deutlich interessanter, wenn wir sie auf etwas anwenden, das tatsächlich existiert. In meiner jüngsten Analyse nutze ich das Solar-PV-Projekt Al Dhafra in den Vereinigten Arabischen Emiraten als Fallbeispiel.

Es ist eines der größten Photovoltaikprojekte der Welt und bietet eine gute Gelegenheit, eine Frage zu stellen, die einfacher klingt, als sie ist.

Wie viel Energie musste investiert werden, bevor dieses Projekt Elektrizität erzeugen konnte, und wie sollten wir diesen Aufwand berücksichtigen?

Um das zu beantworten, müssen wir die physische Wertschöpfungskette Schritt für Schritt zurückverfolgen …

• Aus Modulen werden Silizium, Glas, Aluminium und andere Materialien
• aus Tragkonstruktionen wird Stahl
• elektrische Systeme benötigen Kupfer und weitere Komponenten
• und damit gelangen wir immer weiter zurück zu Bergbau, Aufbereitung, Herstellung und Transport …

Plötzlich erscheint der fertige Solarpark, den wir an der Oberfläche sehen, als letzte Stufe einer viel größeren Industrie- und Energiekette. Genau hier wird das Konzept der grauen Energie nützlich.

Es zwingt uns, über die sichtbare Erzeugungsanlage hinauszuschauen und zu berücksichtigen, dass die Aussagekraft der Zahlen nur so gut ist wie die zugrunde liegenden Annahmen.

Die graue Energie eines Projekts dieser Größenordnung zu schätzen, bedeutet nicht, einfach eine Zahl in einer Datenbank nachzuschlagen.

Wir müssen Materialmengen schätzen, Energieintensitäten zuordnen, Annahmen zu Herstellung und Transport berücksichtigen und die Systemgrenzen festlegen.

Anschließend muss die investierte Energie mit der Energiemenge verglichen werden, die das Projekt realistischerweise erzeugen dürfte.

Und hier gibt es noch einen wichtigen Unterschied zu beachten: Installierte [Nenn-] Leistung ist nicht dasselbe wie nutzbare Elektrizitätserzeugung.

Ein Gigawatt installierter Leistung „erzeugt“ nicht das ganze Jahr über kontinuierlich ein Gigawatt. Die tatsächliche Erzeugung hängt von der verfügbaren Ressource, dem Standort, den Betriebsbedingungen, dem natürlichen Nutzungsgrad, der Auslastung, Abregelungen, Systemverlusten und weiteren Faktoren ab. Die erwartete Lebensdauer bestimmt dann, wie lange diese jährliche Erzeugung anhält.

Ändern wir diese Annahmen, ändert sich auch die daraus berechnete Energierendite.

Das macht die Berechnung nicht nutzlos … ganz im Gegenteil.

Sie zeigt uns genau, welche Variablen wir verstehen müssen, bevor wir weitreichende Aussagen über die Leistung einer Energietechnologie treffen.

Der erste Schritt

Die graue Energie allein sagt uns nicht, ob Solarenergie, Windkraft, Kohle, Gas, Wasserkraft oder Kernenergie „gut“ oder „schlecht“ ist. Und eROI sollte auch nicht die einzige Kennzahl sein, anhand derer wir ein Energiesystem bewerten.

Energiesysteme müssen viele Anforderungen gleichzeitig erfüllen: Versorgungssicherheit, Bezahlbarkeit, Umweltauswirkungen, Ressourcenbedarf, Infrastrukturbedarf und die Fähigkeit, Energie dort und dann bereitzustellen, wo und wann die Gesellschaft sie benötigt. Bevor wir jedoch die Energierendite verschiedener Technologien vergleichen, müssen wir zunächst verstehen, was wir überhaupt mitzählen.

Das beginnt mit der investierten Energie

Und deshalb ist graue Energie nicht das Ende der Diskussion über eROI.

Sie ist erst der Anfang

In meinem Blog „Die Energie, die „niemand“ mitzählt Graue Energie – Der erste Schritt zum Verständnis der Energierendite (eROI)“ gehe ich deutlich weiter. Ich schlüssle auf, was graue Energie umfasst, untersuche die methodischen Systemgrenzen und wende das Konzept auf das Solarprojekt Al Dhafra an, um zu sehen, wie die Zahlen aussehen könnten.

Die Berechnungen und ihre Bedeutung für den nächsten Schritt zum Verständnis von eROI machen die Geschichte besonders interessant.

Weitere Informationen, einschließlich des vollständigen Blogs Die Energie, die „niemand“ mitzählt – Graue Energie – Der erste Schritt zum Verständnis der Energierendite (eROI) finden Sie unter www.unpopular-truth.com