Um Energiesysteme, Produkte, Mobilitätskonzepte und Nahrungsmittel oder Dienstleistungen bezüglich der Energienutzung vergleichen zu können, braucht es die Kenntnis der einheitlichen Methoden.
Short
Wir befassen uns mit den Begriffen der Energiebilanzierung. Die sind wichtig, damit man kompetent über Energie, Energiepolitik und Energietechnologien reden kann. Gleiches mit gleichem vergleichen und ungleiches differenzieren und ggf. vergleichbar machen.
Der Artikel wurde in ET05/20 veröffentlich und hier leicht editiert dargestellt.
Wie bei der Prozesskettenanalyse in der Betriebswirtschaft geht man von Systemgrenzen am Anfang und am Ende aus und definiert die Prozessschritte dazwischen. Die Systemgrenzen der Betriebswirtschaft liegen an den Unternehmensgrenzen und jene der Energiesysteme bei der Ernte einerseits und bei der Nutzung andererseits (siehe Abbildung 1). Die Energie ist dabei nicht mehr und nicht weniger als eine Bilanzierungsgrösse. Wir reden dabei von Energiegewinnung und Energieverlust und meinen aber dabei lediglich die Umwandlung in andere Energieformen, denn Energie ist eine Erhaltungsgrösse, die weder erzeugt noch verloren gehen kann. Mit Erzeugen meinen wir im Allgemeinen nutzbar machen. Mit dem Verlust meinen wir die Erzeugung von Entropie, also niederwertiger Wärme, welche nicht mehr in Arbeit umgewandelt werden kann. Multipliziert man diese Entropie mit der Umgebungstemperatur, erhält man die Anergie. Anergie ist niederwertige Wärmeenergie im Gegensatz zur Exergie, welche in der Lage ist Arbeit zu verrichten. Hinter der Anergie steht also diese Entropie, die niemand verstehen will oder nur als Rechengrösse verwendet wird. Entropie ist aber viel fundamentaler und bei weitem nicht so kompliziert wie oft dargestellt. Deshalb habe ich dazu ein Kastenthema geschrieben. Die Bilanzierungsmethode über die Energie überschattet denn auch die eigentlichen Prozesse der thermodynamischen Maschinen wie Otto- und Dieselmotoren, Gas- und Dampfturbinen sowie Wärmepumpen und Kältemaschinen. Denn die Energie sagt bei solchen Maschinen nichts darüber aus, wie Nahe sie an die potenzielle reibungsfreie Obergrenze des Wirkungsgrades herankommen. Dazu müsste die Entropie mit bilanziert werden. Das sollte man sich so im Hinterkopf behalten.
Am Anfang steht die Primärenergie. Definiert ist sie als die Energie, wie sie im jeweiligen Energieträger an der ursprünglichen Lagerstätte vorhanden ist. So gesehen kann die Primärenergie auch als Quelle angesehen werden. Sie ist in den Stoffen (Erdöl, Steinkohle, Holz im Wald, etc.) enthalten oder als der Sonneneinstrahlung, aber auch als Lageenergie des Wassers in einem Stausee vorhanden.
Indem die Energie nun umgewandelt, veredelt oder aufbereitet wird, entsteht die Sekundärenergie. Steinkohle zum Beispiel wird in verschiedene Korngrössen aufgeteilt und dann von anorganischen Stoffen getrennt, welche den Heizwert herabsetzen würden. Sonnenenergie wird auf dem Photovoltaikpanel in elektrische Energie umgewandelt oder heizt das Wasser in einem Kollektor. Die Sonnenstrahlung kann aber auch über Heliostaten auf einen Absorber fokussiert werden und so Heissdampf erzeugen, der über eine Dampfturbine einen Generator antreibt.
Nun umgewandelt und fertig aufbereitet, kann die Sekundärenergie auf Reisen gehen. In diesem Schritt zur Endenergie gehen die Transportverluste verloren. Die Benzine, Diesel und Heizöle werden über Land- und Wasserwege verteilt, ebenso die Kohle und das geschlagene und zerkleinerte Holz. Die elektrische Energie wird über das Übertragungs- und Verteilnetz in die Industrie und Haushalte verteilt. In Europa gehen im Durchschnitt beim Transport der elektrischen Energie etwa 6% verloren. Endenergie ist also die Energie, welche am Ort des Gebrauchs angekommen ist. Das kann in der Industrie, im Verkehr oder im privaten Haushalt sein.
Wird die Endenergie in einem Staubsauger in Saugleistung oder in Lampen in Licht umgewandelt so entsteht die Nutzenergie. Genauso ist es bei der Erzeugung von Prozesswärme oder -Kälte.
Energie kann also zwei unterschiedlich definierte Qualitäten haben:
- Die Physikalische, bestimmt durch die Wertigkeit hinsichtlich der Freiheitsgrade in der Umwandelbarkeit (Exergie/Anergie)
- Die Prozessorientierte, bestimmt durch den Grad der Aufbereitung zur letztendlichen Nutzung.
Grundsätzlich kann Energie in unterschiedlichen Formen auftreten, als thermische, elektrische, mechanische, hydraulische Energie und hat in jedem Fall die SI-Einheit Joule (= 1 Wattsekunde) oder auch die in der Elektrotechnik gebräuchlichere abgeleitete Einheit Kilowattstunden (kWh). Die Energie ist in den Körpern enthalten, wird zusammen mit diesen ausgetauscht, gespeichert und umgewandelt. Die Energie hat also immer auch einen Träger. Der Energieträger hat also einen prozessorientierten Charakter. Er ist immer im Kontext der entsprechendem Prozessstufe zu sehen. Als Beispiel hat der Wasserstoff als Energieträger der Sekundärenergie, also nach Umwandlung aus elektrischer Energie, eine geringere Beladung an Primärenergie als wenn der Wasserstoff hochkomprimiert auf 800 Bar in einer Druckflasche in einem Auto als Träger der Endenergie vorhanden ist. Selbst Wasserstoff oder Elektrizität als Sekundärenergieträger kann ganz unterschiedliche energetische Qualitäten haben, wenn sie zum Beispiel aus Sonnen-, Windenergie oder aus fossiler Energie erzeugt werden. In der Natur kommen nur Primärenergien vor. Wasserstoff kann daher nie eine Lösung des Ressourcenproblems sein. Er kann lediglich, in Form eines Speicher- oder allenfalls Übertragungsmedium, als Träger einer Sekundärenergie oder als Speicher der Endenergie in einem Fahrzeug dienen.
Um Energiesysteme vergleichen zu können, wird der Kumulierte Energieaufwand (KEA) berechnet. Dazu werden werden alle eingesetzen Energien auf die Primärenergie umgerechnet, also auch die aus den System bezogene Energie (siehe Abbildung 2). Die physikalische Bilanzgrenze stellt dabei der Kraftwerkzaun dar. Die Maschinen, welche für die Herstellung des Kraftwerkes erforderlich sind, werden nicht mitgerechnet, hingegen werden alle Prozesse zur Herstellung mitkalkuliert. Sämtliche Betriebsstoffe während der Nutzungszeit werden ebenfalls einbezogen. Am Lebensende werden verwertbare und nicht verwertbare Stoffe unterschieden. Falls mit dem Rückbaumaterial zudem Energie über die Systemgrenze herausgeführt wird, wird auch diese mitberücksichtigt, z. B. Stahl als Halbfabrikat.
Daraus lässt sich die Netenergy, also die netto verwendbare Energie, aus der Differenz von der vom Kraftwerk abgegebenen Nutzenergie und der total aufgewendeten Energie berechnen:
\[ E_{NET}=E_{R}-E_{I} \]ER = Die vom Kraftwerk abgegebene Nutzenergie
EI = Die für die Nutzenergie aufgewendete Energie
Es lässt sich auch die Energierentabilität, in Analogie zur betriebswirtschaftlichen Kennzahl Return on Invest (ROI), auch ein Energy Return on Invest (EROI) eines Energieträgers errechnen. Es wird dabei immer auf Primärenergie bilanziert.
\[ EROI_{ET}=\frac{E_{R,ET}}{E_{I,ET}} =\frac{E_{R,ET}}{KEA-m_{Br}\cdot H_{Br}} \]EROIET = Energierentabilität Allgemein (Energieträger)
ER,ET = Bereitgestellte Arbeit
EI,ET = Bereitgestellte Wärmeleistung
EI,ET = Gesamte dafür investierte Energie.
HI,Br = Heizwert des investierten Brennstoffes
mBr = Masse des investierten Brennstoffes
KEA = Kumulierter Energieaufwand
Nach dem gleichen Schema können auch Speicher bewertet werden.
\[ ESOI=\frac{{}E_{R,S}}{E_{I,S}} \simeq \frac{E_{R,S}}{KEA_{S}} \]mit:
ESOI = Speicherrentabilität (gespeicherte Energie bezogen auf das Investment
ER,S = Bereitgestellte Arbeit
EI,S = Gesamte dafür investierte Energie.
KEAS = Kumulierter Energieaufwand Speicher
Bei einem Speicher sind die nutzbaren Speicherzyklen von Bedeutung. Ein vollständiger Zyklus besteht dabei aus dem Beladen, dem Halten und dem Entladen der Energie. Batterien haben nur eine sehr begrenzte Zykluszahl, die je nach Technologie zudem stark schwankt. Bei Pumpspeicherkraftwerken ist die Zyklenzahl kaum begrenzt, entsprechende Wartung vorausgesetzt. Der Speicher wird weiter eingegrenzt durch seine maximal zulässige Entladung. Auch ist die Begrenzung bei den Batterien technologisch bedingt und wird durch ein Batteriemanagementsystem sichergestellt. Bei Stauseen ist aus ökologischen Gründen reglementiert wie stark der Stausee entleert werden darf. Ein Restdruck ist bei modernen Druckspeicherkraftwerken vorteilhaft aber nicht zwingend. Um explosive Gemische in Gas- und Ölspeichern zu vermeiden, wird ein Überdruck gegenüber der Umgebung gehalten. Die Zyklus-Effizienz sagt aus, wie viel der eingelagerten Energie gleichwertig wieder entnommen werden kann. Letztlich ist auch die Speicherdichte ein wichtiges Mass. Sie beschreibt die Energie bezogen auf die Masse oder das Volumen. Die Abbildung 3 zeigt die Dauer versus Häufigkeit der Speichernutzung in der elektrischen Energieversorgung.
Fazit
Mit der Kenntnis des Bilanzierungssystems fällt es leichter Energiesysteme einzuteilen, politische Aussagen technisch richtig einzuordnen und die richtigen Schlüsse zu ziehen. Wenn eine Interessengruppe zum Beispiel dauernd von einem Sekundärenergieträger schwärmt und dabei die Primärressource partout aussen vor lässt, dann sollte man genau dort nachfassen.
Hintergrundinformationen
Was geschehen ist, ist geschehen
Die Entropie ist eine extensive mengenartige Grösse, die mit einem Stoff übertragen, durch einen Körper geleitet oder durch magnetische Strahlung übertragen wird. Entropie nimmt im abgeschlossenen System zu und bleibt nur bei reversiblen Prozessen konstant. Die Entropie kann auch gut mit dem umgangssprachlichen Begriff «Wärme» umschrieben werden: Wenn man einem Stoff Entropie (Wärme) zuführt, steigt die Temperatur oder er beginnt zu schmelzen oder als Flüssigkeit zu verdampfen. Durch Reibung entsteht Wärme (also Entropie). Leider hat man im 19. Jahrhundert Wärme als thermisch ausgetauschte Energie definiert, was aber nur teilweise mit unserer Alltagserfahrung übereinstimmt, denn beim Reiben einer Kupplung entsteht keine Energie, sondern eben Entropie und damit wird ein zugeordneter Energiestrom an die Umgebung abgegeben. Leider will das kaum ein Physiklehrer ändern, obwohl die Systemphysik eine gute Alternative ist.
Quellen und Abkürzungen
Abkürzungen:
KEA = Kumulierter Energieaufwand
PES = Primär Energie Quelle (Source)
ER = Nutzbare Energie (Output)
EI = Investierte Energie
ENET = Netto-Energie (Zielwert ist positiv)
Quellen:
Sven Linow: Energie – Klima – Ressourcen, Quantitative Methoden zur Lösungsbewertung von Energiesystemen, Hanser, 2020
Marco Raugei et.al. International Energy Agency (Hrsg): Methodological Guidelines on Net Energy Analysis of Photovoltaic Electricity, Report IEA‐PVPS T12‐071:2016
International Electrotechnical Committee (IEC, Hrsg) Whitepaper: Electrical Energy Storage, Genf 2011
Auf den folgenden Seiten finden sich didaktisch sehr gut aufbereitete Stoffgrundlagen zum Thema Systemphysik in technische Berufen.
Systemphysik -Wiki von Werner Maurer (besucht 20.02.2021)
Pegaswiss (besucht 20.02.2021)
Academia-Seite von Werner Maurer (besucht 15.05.2020)