Das Zeitalter der Industrie
Energie

Energie ist die Grundlage der modernen Industriegesellschaft: Weltweit nutzen wir über 13.000 Millionen Tonnen Erdöläquivalent im Jahr. Ein Bewohner Deutschlands verbraucht im Schnitt 132 kWh/Tag, dies entspricht 4,1 Tonnen Erdöläquivalent pro Jahr, an Primärenergie. Der größte Teil davon wird über die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt, die die Luft verschmutzen und die wichtigste Ursache für den Klimawandel sind. Außerdem sind fossile Brennstoffe endlich - umso tragischer, dass die meiste Energie verschwendet wird.
 

Kohlekraftwerk Scholven. Mit der Nutzung von Kohle begann die industrielle Revolution;
die Verbrennung von Kohle ist die wichtigste Ursache für den Klimawandel.
Foto: Sebastian Schlüter, aus wikipedia (Lizenz: >> GNU FDL 1.2)

Die Geschichte der Menschheit ist (bisher) eine Geschichte immer weiter zunehmenden Energieverbrauchs; und die Industrielle Revolution beschleunigte diese Entwicklung um ein Vielfaches (>> hier). Am Anfang der Industriellen Revolution stand die Kohle (>> hier), und damit der Übergang von nachwachsenden auf fossile Brennstoffe. Die Nutzung der Kohle - und später weiterer fossiler Brennstoffe wie Öl (>> hier) und Gas - vervielfachte die Kraft und die Möglichkeiten der Menschheit; fossile Brennstoffe trugen entscheidend dazu bei, dass sich der materielle Wohlstand im reichen Teil der Welt vervielfachte: Sie ermöglichten die Herstellung von Kunstdüngern und Maschinen, die auf den Feldern die menschliche und tierische Arbeitskraft und organische Dünger ablösten; trieben die Maschinen in den Fabriken an und ermöglichten so den rapide anwachsenden Ausstoß an Gütern; waren Energiequelle für Eisenbahen, Autos und Flugzeuge und veränderten so das Leben der Menschen. Mit der Umwandlung fossiler Brennstoffe in die vielseitige Energieform Strom wurden auch die Informations- und Kommunkationstechnologien und die automatisierten Produktionsprozesse möglich, die die moderne Welt ausmachen.

Die Nutzung fossiler Brennstoffe schuf aber auch eine neue Dimension von Umweltveränderungen. Die erste war die Luftverschmutzung (>> hier). Hohe Schornsteine erwiesen sich als Scheinlösung - sie verursachten “Sauren Regen” weitab der Industriegebiete; aber Filter und der Übergang von Kohle zu Öl und Gas bei den Hausheizungen haben das Problem zumindest in den Industrieländern deutlich reduziert. Weltweit bleibt es akut, in Peking ist heute die Luft so schlecht wie 1960 im Ruhrgebiet. Und wir wissen heute, dass das unsichtbare Treibhausgas Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe eine Hauptursache für den Klimawandel ist (>> mehr). Die Entstehung von Kohlendioxid bei der Verbrennung ist unvermeidbar, der Kohlenstoff im Brennstoff reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid. Dazu kommt, dass fossile Brennstoffe nicht unendlich zur Verfügung stehen; insbesondere beim Öl werden die Stimmen immer lauter, die den Höhepunkt der Ölförderung als bald bevorstehend oder gar erreicht sehen (>> mehr). Diese Endlichkeit betrifft auch die Brennstoffe für die Atomenergie, die zudem ihre eigenen Risiken mit sich bringt (>> mehr); weshalb im letzten Jahrzehnt zunehmend in erneuerbare Energieträger investiert wurde (>> hier).

Im Jahr 2010 betrug der weltweite Primärenergieverbrauch nach den “BP Statistical Review of World Energy 2011” 12.002 Millionen Tonnen Erdöläquivalent - und dieser Wert ist noch zu niedrig, da aus Gründen der Zuverlässigkeit der Daten nur gehandelte Energie erfasst wird, also etwa selbst gesammeltes Brennholz oder Wärmeerzeugung mit Sonnenkollektoren zur Erwärmung des Wassers im eigenen Haus nicht erfasst wird; alleine selbst gesammelte Brennstoffe wie Brennholz und Kuhdung machen aber geschätzt rund 10 Prozent des Welt-Energieverbrauchs aus (>> hier); der tatsächliche weltweite Primärenergieverbrauch dürfte also bei über 13.000 Millionen Tonnen Erdöläquivalent liegen (siehe auch >> hier). An diesem weltweiten Energieverbrauch hatte Öl einen Anteil von 4.028 Millionen Tonnen, Kohle von 3.556 Millionen Tonnen Erdöläquivalent und Gas von 2.858 Millionen Tonnen Erdöläquivalent, die fossilen Brennstoffen Öl, Kohle und Gas trugen also mit mehr als drei Vierteln zur Energieerzeugung bei. Der Anteil der Atomenergie betrug laut BP-Statistik 5 Prozent (siehe aber hierzu die Anmerkung >> hier), Wasserkraftwerke trugen mit gut 6 Prozent zum Primärenergieverbrauch bei, andere kommerziell gehandelte erneuerbare Energiequellen wie Strom aus Wind, Sonne oder Erdwärme (die in der BP Statistical Review 2011 erstmals erfasst wurden) trugen mit 1,3 Prozent zur weltweiten Energieversorgung bei.

Woraus wir Energie erzeugen

Primärenergieträger des globalen Energieverbrauchs 2008. Eigene
 Abbildung nach Daten aus BP Statistical Review of World Energie 2009,
IAE Key Energy Statistics 2009 und WBGU.

Die meiste Energie geht verloren

Angesichts der Endlichkeit fossiler Brennstoffe und der Umweltfolgen ihrer Verbrennung erscheint es unglaublich, aber der größte Teil dieser Energie wird gar nicht genutzt. Weltweit werden (nach den “Key Energy Statistics 2010” der Internationlen Energieagentur) nur 68,7 Prozent der Primärenergie als Endenergie genutzt (in Deutschland betragen die Umwandlungs- und Leitungsverluste verluste “nur” 29,2 Prozent); und insgesamt wird auch in Deutschland (auch ohne Berücksichtigung des nichtenergetischen Verbrauchs) weniger als ein Drittel der eingesetzen Primärenergie tatsächlich genutzt, wie das folgende Energieflussbild der Bundesrepublik Deutschland zeigt.

werden (der Grund ist die “Exergie”, siehe Kasten).

Energie: Neben der Menge zählt auch die Qualität

Mit Energiequalität wird die Vielseitigkeit des Energieträgers bezeichnet (>> hier); diese drückt sich in seiner Fähigkeit aus, vielseitige Arbeit zu verrichten. Strom ist beispielsweise ein sehr vielseitiger Energieträger: man kann mit Strom Licht erzeugen, Metalle schmelzen, Züge antreiben, Computer in Gang setzen und vieles mehr. Die Energiequalität kann man auch messen, das entsprechende Maß heißt Exergie.

Da die Exergie wie Energie in einem geschlossenen System insgesamt nicht zunehmen kann, muss bei der Stromerzeugung mittels anderer Energieformen geringerer Qualität (wie Wärme) neben hochwertigem Strom zum Ausgleich der Exergiebilanz eine entsprechende Menge Abwärme noch geringerer Qualität (“Abwärme”) anfallen (physikalisch geht das auf den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (>> mehr) zurück.) Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung wird um so besser, je besser die Qualität der eingesetzten Energie ist - bei Wärmekraftwerken: je höher die Arbeitstemperatur ist. Aber vermeiden lassen sich große Mengen an Abwärme in Wärmekraftwerken grundsätzlich nicht - wohl aber nutzten, denn für die Raumheizung oder Erzeugung von Warmwasser reicht auch die geringe Qualität der Abwärme aus.

Diese prinzipbedingten Verluste bewirken, dass es eine Form von Verschwendung ist, Strom aus Wärmekraftwerken für Zwecke zu verwenden, für die auch Energieträger niedrigerer Qualität ausreichen, etwa für die Hausheizung. Die besondere (und teure) Qualität des Stroms wird nämlich dabei gar nicht genutzt. Daher kommt es immer auch darauf an, die Qualität der verwendeten Energie den Bedürfnissen anzupassen. Dabei hilft das Rechnen mit Exergie: Scheint zum Beispiel die Heizung mit Strom bei einer klassischen Energiebetrachtung effizient (der Wirkungsgrad beträgt fast 100 Prozent, da man die Verluste im Kraftwerk nicht beachtet), beträgt der exergetische Wirkungsgrad gerade 7 Prozent. Aber auch die Verbrennung fossiler Brennstoffe oder von Biomasse zur reinen Wärmeerzeugung ist keine optimale Lösung, denn dabei wird ihr Potenzial zur Erzeugung von Exergie nicht genutzt: Besser ist die Verbrennung zur Erzeugung von Strom und die Nutzung der dabei entstehenden Abwärme für Heizzwecke (siehe oben; das Verfahren heißt Kraft-Wärme-Koppelung). Wärme wird ansonsten am besten mit Energiequellen erzeugt, die “nur” dies können, etwa mit Sonnenkollektoren.

Womit der Strom erzeugt wird

Energieträger der Stromerzeugung in Deutschland  2010. Quelle: Eigene Grafik nach Daten der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, Stand Juli 2011.

Braunkohle, Atomenergie, Steinkohle, Erdgas und Erdöl sowie Biomasse erzeugen Strom in Wärmekraftwerken, deren durchschnittlicher energetischer Wirkungsgrad in Deutschland 39 Prozent beträgt. Bei direkt erzeugtem Strom (Windkraft, Wasserkraft, Solarzellen) fallen diese Verluste dagegen nicht an (>> hier). Direkt erzeugter Strom macht bereits über 11 Prozent der Stromerzeugung aus; zusammen mit Biomasse tragen erneuerbare Energieträger mit 15 Prozent zur Stromerzeugung bei.

Eine Erfolgsgeschichte sondergleichen:
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz

Der schnell wachsende Anteil erneuerbarer Energien insbesondere an der Stromerzeugung hat eine Ursache: Das (auf dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 aufbauende) Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) aus dem Jahr 2000 (>> mehr). Es sichert Strom aus erneuerbaren Quellen einen Vorrang vor Atomstrom und fossilem Strom bei der Einspeisung, und es garantiert den Erzeugern einen festgelegten (von der Art der Energieerzeugung abhängigen) Preis. Die Mehrkosten hierfür werden auf die Verbraucher umgelegt (nur eingeschränkt bei stromintensiven Industrien oder Schienenbahnen). Von 2000 bis 2009 hat das EEG Investitionen in erneuerbare Energien in Höhe von 96 Milliarden Euro ausgelöst, die zu dem oben genannten Anteil von 15 Prozent an der Stromerzeugung führten.

Damit wurde das EEG so erfolgreich, dass es grundsätzliche Interessen der Stromwirtschaft in Frage stellt (>> hier), die - obgleich selbst nur durch ihre einstige Monopolstellung zu Stärke gelangt - eine Marktverzerrung beklagt (wobei sie freilich verschweigt, dass sie die externen Kosten der fossilen und atomaren Stromerzeugung nicht zu tragen braucht, das “größte Marktversagen der Geschichte” (Sir Nicolas Stern, >> mehr). Tatsächlich ist der transparent ausgewiesene Mehrpreis für erneuerbare Energien geringer als die - freilich gut versteckten - Umweltkosten von Kohle und Atom; sowohl volkswirtschaftlich als auch energiepolitisch - Emissionsvermeidung, Nutzung heimischer Energiequellen - ist das EEG ein Gewinn.

Beim Endverbraucher sieht es bezüglich der Effizienz noch schlechter aus: hier sind die Verluste sogar größer als die genutzte Energie. Auch sind hier die Gründe weniger komplex: Meist liegt es einfach an schlecht durchdachter oder veralteter Nutzungstechnik. Auch beim Endverbrauch spielt die Energiequalität eine Rolle; der Endenergieträger sollte dem Bedarf möglichst gut angepasst sein. Verbraucher nutzten Endenergie, um Wärme (Raumwärme, Warmwasser, industrielle Prozesswärme, in Deutschland insgesamt 59 Prozent der Endenergie - 38 Prozent Raumwärme und Warmwasser, 21 Prozent Prozesswärme), mechanische Energie (Antrieb von Autos, Elektromotoren etc., 39 Prozent der Endenergie) oder Licht (2 Prozent der Endenergie) zu erzeugen.

Wofür wir Energie verwenden

Anwendungsbereiche der Endenergie in Deutschland. IKT steht für Informatios- und Kommunikationstechnik. Eigene Grafik aus Basis Energiedaten 2008 des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie.

Der Verwendungszweck hängt aber auch vom jeweiligen Verbraucher ab: Raumwärme und Warmwasser werden in erster Linie (insgesamt zu etwa zwei Dritteln) in privaten Haushalten gebraucht, der Rest in Gewerbe, Handel und Bürogebäuden und in der Industrie; Prozesswärme wird vor allem für industrielle Prozesse wie Schmelzen, Trocknen, Härten und Kochen benötigt. Mechanische Energie wird zum größten Teil im Verkehr genutzt, aber auch in Industrie, Gewerbe und privaten Haushalten (sie bedingt den größten Teil des Stromverbrauches).

Wer die Energie verbraucht

Sektoren des Energieverbrauchs in Deutschland. Eigene Grafik auf Basis Energiedaten 2008 des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie

Die verwendeten Endenergieträger zeigt die folgende Abbildung. Die Zuordnung von Energieträgern und Nutzungsform ist nicht eindeutig: Raumwärme und Warmwasser können etwa duch Fernwärme, Sonnenkollektoren, Gas und Heizöl geliefert werden (und auch durch Strom, was wie oben dargestellt eine Form der Verschwendung ist), industrielle Prozesswärme wird meist durch Steinkohle, Gas und Strom und mechanische Energie durch Strom und Kraftstoffe erzeugt.

Was uns die Energie liefert

Endenergieträger in Deutschland 2008. Hinter “Sonstige” verbergen sich z.B. Brennholz, Müll und Klärschlamm. Eigene Grafik nach Daten der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, Stand Juli 2011.

Der Energieverbrauch eines Bundesbürgers
- eine Überschlagsrechnung

Einem Primärenergieverbrauch von 14.216 PJ (alle Werte für das Jahr 2008 nach den Energiedaten des Bundeswirtschaftministeriums oder der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, Stand 21.6.2011) einspricht pro Einwohner ein durchschnittlicher Verbrauch von 132 kWh/Tag (Umrechnung siehe >> hier), nach der Umwandlung bleiben 84,7 kWh/Tag an Endenergie. Dem Anteil der Haushalte entsprechen 23,8 kWh/Tag, Industrie, Handel, Gewerbe und Dienstleistungen verbrauchen zusammen je Einwohner 36,9 kWh/Tag und der Verkehr 23,9 kWh/Tag.

Bleiben wir zunächst beim direkten Energieverbrauch in den Haushalten. Den größten Anteil machen Heizung und Warmwasser aus: 85 Prozent oder je Einwohner 20,2 kWh/Tag (etwa 17 kWh Heizwärme und 3,2 kWh Warmwasser). Die wichtigsten dafür verwendeten Energieträger sind Gas (mit einem Anteil von umgerechnet 8,9 kWh/Tag) und Heizöl (6 kWh/Tag). Aus dem Heizwärmebedarf und der durchschnittlichen Wohnfläche von 40 m²/Einwohner lässt sich ausrechnen, dass der durchschnittliche Heizwärmebedarf bei 155 kWh pro Jahr und m² Wohnfläche lag. Renovierungsbedürftige Altbauten können über 300 KWh/m² liegen, ein 150 m²-Haus verbraucht dann 4.500 Liter Heizöl im Jahr. Für Neubauten ist in Deutschland ein Wert von 100 kWh vorgeschrieben, in der Schweiz von 42 kWh. Der Stromverbrauch in Haushalten beträgt je Einwohner 4,7 kWh/Tag - damit werden Haushaltsgeräte (Elektroherd, Waschmaschinen, Trockner, Kühl- und Gefriergeräte, ...) und Unterhaltungselektronik (Fernseher, Computer, ...) betrieben sowie Licht, in manchen Haushalten auch Heizwärme und Warmwasser, erzeugt.

Der nächste große Posten ist das Auto: Ein durchschnittlicher Autofahrer verbraucht alleine an Treibstoff 21,6 kWh/Tag (>> hier). Da in Deutschland auf 81,7 Millionen Menschen etwa 41 Millionen Autos kommen, das heißt 1 Autofahrer auf 2 Einwohner, entspricht dies je Einwohner 10,8 kWh/Tag. Der Straßenverkehr insgesamt kommt auf 19,6 kWh/Tag, die verbleibenden 8,8 kWh/Tag entfallen also auf den Güter- sowie den Busverkehr auf der Straße. Die Bahn kommt auf 0,7 kWh/Tag, und der Flugverkehr auf 3,5 kWh/Tag - zum Vergleich: Eine einzige Fernreise im Jahr entspricht einem Verbrauch von bis zu 30 kWh/Tag, also mehr, als ein durchschnittlicher Autofahrer im Jahr verbraucht. Ein Mittelstreckenflug, etwa Düsseldorf - Málaga, im Jahr entspricht gut 3 kWh/Tag.

Energie steckt aber auch in den Produkten, die wir kaufen: dies sind die 36,9 kWh/Tag, die Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen je Einwohner verbrauchen. Diese Energie ist der “Energierucksack” (>> hier) der Produkte. Zugegeben: Die Gleichsetzung ist ungenau - ein Teil der deutschen Industrieproduktion wird ja exportiert. Aber andererseits kaufen wir auch importierte Produkte; wir gehen für diese Überschlagsrechnung einfach mal davon aus, dass sich beide Werte etwa ausgleichen. Ein Beispiel: Wer alle drei Jahre einen PC kauft, “verbraucht” damit schon 1,6 kWh/Tag. Zum “Energiegehalt” eines Autos siehe den Kasten.

Wieviel Energie verbraucht ein Auto wirklich?

Wenn Sie den gesamten Energieverbrauch ihres Autos berechnen wollen, wird die Rechnung von etwas komplizierter: Da bereits die Ölförderung, der Öltransport in die Raffinerie, die Herstellung von Benzin und dessen Verteilung an die Tankstellen Energie kosten, müssen die Verbrauchswerte für eine vollständige Bilanz mit 1,4 multipliziert werden. Der durchschnittliche Autofahrer verbraucht bei Berücksichtigung des Energieaufwands der gesamten Erzeugungskette also 21,6 x 1,4 = 30,2 kWh/Tag, Dazu kommt der Energieaufwand für die Herstellung des Autos. Hierzu ist mir keine nachvollziehbare Untersuchung bekannt, die wirklich alle Vorstufen berücksichtigen; die Angaben schwanken von 10 bis 15 Prozent des Treibstoffverbrauchs (also 3 bis 4,5 kWh/Tag) bis zu 76.000 kWh (Treloar et al. 2004, zitiert nach >> MacKay; bei einer Lebensdauer des Autos von 15 Jahren wären dies von 13,8 kWh/Tag. So lange wir es nicht besser wissen, müssen wir mit dieser Ungenauigkeit leben, ein durchschnittliches Auto bräuchte also insgesamt etwa 33 bis 44 kWh/Tag. Dazu käme noch die Energie, die für die Infrastruktur (Straßenbau etc.) gebraucht wird. Nur der direkte Treibstoffverbrauch und die Transporte finden sich in der Statistik unter “Verkehr”, die anderen Beiträge werden unter Gewerbe und Industrie verbucht (bzw., wenn sie wie die Energiekosten der Ölproduktion im Ausland stattfinden, in der deutschen Statistik überhaupt nicht berücksichtigt oder in unserem Rechenbeispiel oben mit den deutschen Exporten “verrechnet”).

Interessant ist übrigens auch die Nutzung des direkten Treibstoffverbrauchs in einem Auto: Etwa 88 Prozent produziert Wärme - den größten Teil der Motor (von der ein winziger Anteil für die Heizung des Innenraums genutzt wird), aber auch die Bremsen und das Kraftübertragungssystem, 12 Prozent werden zur Fortbewegung des Autos genutzt. Da ein Auto heute im Schnitt 1.500 Kilogramm wiegt und der (es überwiegend allein nutzende) Fahrer 75 Kilo, werden nur 0,6 Prozent der Energie für den eigentlichen Zweck, den Transport des Fahrers, verwendet.

Zum Energieverbrauch der Landwirtschaft siehe >> hier. Nach der Statistik macht die Ernährungsindustrie 1,9 kWh/Tag aus, so dass unsere Ernährung insgesamt etwa 17 kWh/Tag an Energie verbraucht (wobei etwa 10 kWh nicht in der Statistik auftauchen, das sie etwa beim Sojananbau oder der Rinderzucht im Ausland verbraucht werden).

Mehr zum Thema Energie auf diesen Seiten:
>> Energie und ihre Einheiten
>> Eine kleine Geschichte des menschlichen Energieverbrauchs
>> Eine kleine Geschichte des Erdöls
>> Das Ende des billigen Öls
>> Eine kleine Geschichte der Atomenergie

... im Internet:
>> Grundlagen auf der Seite >> “Regenerative Zukunft”

Strategien für die Zukunft:
>> Saubere Energie

Weiter mit:
>> Die Gefährdung der Böden

© Jürgen Paeger 2006 - 2012

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Millionen Tonnen Erdöläquivalent, kWh, ...? Zu den Einheiten von Leistung und Energie und ihrer Umrechnung siehe >> Energie und ihre Einheiten. Was dieser Verbrauch je Einwohner bedeutet, steht >> unten.

Eine kleine Geschichte der Erforschung der Energie finden Sie >> hier.

Primärenergie ist die Energie, die in natür- lichen Energiequellen (Wind, Sonne) oder Energieträgern (Kohle, Erdöl, Erdgas) steckt.

Endenergie ist der Teil der Primärenergie, der nach Umwandlung und Transport den Ver- brauchern zur Verfügung steht.

Wie wird eigentlich Strom in Kraftwerken erzeugt? Das Prinzip ist >> hier erklärt.

Direkt erzeugter Strom ist Strom, der ohne dem Umweg über Wärme erzeugt wird, z.B. durch die Umwandlung kinetischer Energie aus Wind und Wasser oder den photoelektrischen Effekt (Solarzellen).

Energieverbrauch 2010: Nach einem vor allem durch die Wirtschaftskrise bedingten Rückgang des Energieverbrauch im Jahr 2009 (auf 13.463 PJ) stieg der Verbrauch im Jahr 2010 wieder auf 14.057 PJ oder 131 kWh pro Tag und Einwohner an. Die nebenstehenden Zahlen dürften also nach wie vor weitgehend stimmen (da für 2010 noch nicht alle notwendigen Zahlen vorliegen, muss die Aktualisierung des Textes noch warten)