Energiebedarf und Energieträger - auf dem Weg zur Elektromobilität

Georg BrasseurIcon Politik und GesellschaftDo, 24.09.2020 — Georg Brasseur

Welche Energie brauchen wir, um mobil zu sein, und wie sieht nachhaltige Mobilität aus? Welche Energieträger haben wir, und was muss getan werden, um die 2015 in Paris vereinbarten Ziele der CO2-Neutralität bis 2040 oder 2050 zu erreichen? Diese Fragen lassen sich an Hand vorhandener Fakten beantworten. In einer mehrteiligen Serie zeigt der Elektrotechnik-Experte Georg Brasseur (o.Univ.Prof. für Elektrische Messtechnik und Sensorik an der TU Graz) den globalen Primärenergiebedarf auf und die Problematik, welche bei einem Umbau des Energiesystems auf Elektrizität aus erneuerbaren Energien mit dem raschen Ausstieg aus fossilen Brennstoffen verbunden ist. Im vorliegenden ersten Teil geht es um den weiter steigenden globalen Primärenergieverbrauch, der (noch) zu 85 % auf fossilen Brennstoffen basiert und um den Bedarf an elektrischer Energie, der im IKT-Bereich geradezu explodieren wird.

Der globale Energiebedarf

ist in den vergangenen Jahrzehnten stetig gestiegen und der bei weitem überwiegende Teil der Energie stammt auch heute noch aus fossilen Quellen (Abbildung 1).

Abbildung 1. Der globale Verbrauch von Primärenergie ist seit 1965 stetig gestiegen und speist sich zum überwiegenden Teil aus fossilen Energieträgern. Solar- und Windenergie spielen eine minimale Rolle. Primärenergie: Energie, die aus natürlich vorkommenden Energieformen/-quellen zur Verfügung steht. In einem mit Verlusten behafteten Umwandlungsprozess (z.B. Rohöl zu Benzin) entsteht daraus die Sekundärenergie/Endenergie. (Grafik modifiziert nach: BP Statistical Review of World Energy, 67th ed. June 2018)

Im Jahr 2017 wurden global bereits 157 000 TWh (1 Terawattstunde = 1 Mrd kWh) Primärenergie benötigt:

  • 85 % der Energie kamen dabei aus fossilen Brennstoffen: aus Rohöl (34 %), Erdgas (23 %) und Kohle (28 %).
  • Nur 15 % stammten aus Quellen, die kein (zusätzliches) CO2 emittieren: hier ist mit 4 % auch die Kernkraft enthalten, mit 7 % die Wasserkraft, mit 1 % Energie aus Geothermie und Biomasse.

Sonnenenergie und Windenergie - worüber wir in Europa seit vielen Jahren reden, wofür riesige Investitionen getätigt und Kraftwerke errichtet werden,-  decken global gesehen nur 1 % resp. 2 % des Energiebedarfs.

Bis zum Jahr 2050 soll laut Prognosen der globale Energieverbrauch um etwa 50 % weiter ansteigen. Abbildung 2.

Abbildung 2. Der globale Energieverbrauch wird bis 2050 auf fast das Doppelte ansteigen; im Wesentlichen auf Grund des steigenden Bedarfs der non-OECD Länder. British thermal units (BTU):1 BTU = Wärmeenergie, die benötigt wird, um ein britisches Pfund Wasser um 1 Grad Fahrenheit zu erwärmen. 1 quad = 1015 BTU. Bild: US Energy Information, International Energy Outlook, 2019 www,eia.gov/outlooks/ieo/pdf/ie02019: Lizenz: cc-by)

Dieses prognostizierte Wachstum ist erschreckend, da zur Klimazielerfüllung von „Null CO2 Emissionen“ im Jahr 2050 neben der Defossilisierung der Primärenergie auch eine signifikante Reduktion des weltweiten Energieverbrauches notwendig ist; für Deutschland beträgt diese Reduktion 40 % bezogen auf das Jahr 2015 (siehe Abb. 7) [1].

 

Energiebedarf - Wohlstand - CO2-Emissionen

Zugang zu Energie ist ein Grundpfeiler für Wohlstand. Wachsender Wohlstand bedeutet höheren Energiebedarf, und der Anstieg des Energieverbrauchs ist mit dem Anstieg der CO2-Emissionen gekoppelt. Es ist ein gefährlicher Trend: In Ländern, in denen der Wohlstand wächst, wie in China ab dem Jahr 2000, oder im "Rest der Welt" explodieren die Treibhausgasemissionen geradezu, auch im mit China bevölkerungsmäßig vergleichbaren Indien steigen die Emissionen (Abbildung 3).

Abbildung 3. Trends in den globalen Treibhausgasemissionen (in Gigatonnen CO2-Äquivalenten). Quelle: JGJ Olivier and JAHW Peters. Trends in Global CO2 and Total Greenhouse Emissions. Summary of the 2019 Report EUR 29849 EN, 4. Dec.2019. https://www.pbl.nl/sites/default/files/downloads(pbl-2019-trends-in-global-co2-and-total-greenhouse-emissions-summary-of-the-2019-report 4004.pdf.

Länder, wie die OECD-Länder USA, EU-Staaten und Japan, haben gelernt, dass der Umstieg von Kohle und Erdöl auf Erdgas bei gleicher Energiemenge beträchtlich CO2 einsparen hilft; es stagnieren dort die Treibhausgasemissionen und gehen sogar schwach zurück.

Das BIP ist also an den Energieverbrauch gekoppelt.

Wenn wir daher CO2-Emissionen senken wollen, müssen wir den Energieverbrauch vom BIP entkoppeln und damit Wohlstand zulassen. Wenn dies nicht geschieht, sind Unruhen die Folge und dann denkt kein Mensch mehr darüber nach CO2 zu sparen, sondern nur daran, seine Familie am Leben zu erhalten.

Energieverbrauch der OECD-Länder

Kommen wir nun auf den Energieverbrauch der OECD-Länder zurück - es sind dies insgesamt 36 hochindustrialisierte Mitgliedsländer (europäische und nordamerikanische Staaten, Australien, Neuseeland, Japan, Südkorea und Türkei), die rund 17 % der Weltbevölkerung - also etwa so viele Menschen wie in China oder Indien leben - repräsentieren; die meisten Länder auf drei Kontinenten gehören nicht dazu.

Auf https://www.electricitymap.org kann man sich in Echtzeit ein Bild der bei der Stromerzeugung anfallenden CO2 Emissionen, der primärenergieabhängigen installierten Kraftwerksleistungen sowie der Stromexporte/-importe eines Landes machen.

Von dem in Abbildung 1 gezeigten Primärenergieverbrauch von 157 000 TWh im Jahr 2017 haben die OECD-Länder einen Anteil von 40 % (62 488 TWh) konsumiert. Während 85 % der globalen Energie aus fossilen Brennstoffen stammte, war deren Anteil in der OECD mit 79 % geringer (im Wesentlichen aber bedingt durch den höheren Anteil an Kernenergie).

Abbildung 4. Energieträger und Primärenergieverbrauch der OECD-Länder von 1971 – 2018. (Daten: The International Energy Agency; https://www.iea.org/statistics/kwes)

Verglichen mit dem globalen Energieverbrauch, der sich von den 1960er Jahren bis heute mehr als verdoppelte (Abbildung 1), erfolgte der Anstieg in den OECD-Staaten aber wesentlich flacher und stagniert seit 2005, bzw. nimmt sogar etwas ab (Abbildung 4).

Bei den fossilen Energieträgern sieht man den Umstieg von Kohle und Erdöl auf Erdgas, der - wie oben erwähnt - eine schwache Reduktion der Treibhausgas-emissionen zur Folge hat.

Wofür wird Energie benötigt und in welcher Form?

Laut International Energy Agency (IEA) war in den OECD-Ländern im Jahr 2017 der größte Endenergieverbraucher der Transport (36 %), gefolgt von Industrie (30 %), Wohnen (20 %) und Dienstleistungen (14 %).

Der globale Energieverbrauch des Transportsektors (zusammengefasst in Abbildung 5) ist von 1973 bis 2016 auf rund das 2,5 fache gestiegen (von 1 100 Mtoe auf 2 748 Mtoe) und zwei Drittel der Energie wurden letzthin für PKWs verbraucht. Wurden 1973 rund 65 % der Energie für die Straße verwendet, so sind es nun 75 %, wobei 94 % dieser Energie aus dem Rohöl kommen. Luft- und Seefahrt benötigen zu 100 % Rohöl. Elektrizität verwendet nur die Eisenbahn - allerdings sind die meisten Strecken noch nicht elektrifiziert.

Abbildung 5. Die Primärenergie für den Transportsektor kommt heute zum weitaus überwiegenden Teil aus dem Rohöl.

Auch in den Sektoren Industrie, Wohnen und Dienstleistungen dominieren fossile Energieträger. Elektrizität - derzeit zum überwiegenden Teil ebenfalls aus fossilen Brennstoffen produziert (siehe nächstes Kapitel) - spielt hier aber eine größere Rolle. Beispielsweise ging im Sektor Wohnen die Hälfte des Energiebedarfs in großteils elektrisch betriebene Heizung/Kühlung und Warmwasser; in unseren Ländern wird Strom in steigendem Maße auch für den Betrieb von Wärmepumpen benötigt.

Elektrizität - wie wird sie produziert…

Vom globalen Primärenergieverbrauch im Jahr 2017 (157 000 TWh) gingen rund 16 % (25 606 TWh) auf den Elektrizitätsbedarf zurück; davon rund 43 % (11 025 TWh) auf den Verbrauch in den OECD-Ländern.

Abbildung 6. Fossile Energieträger haben in den letzten Jahrzehnten die Stromerzeugung der OECD-Länder dominiert (Bild modifiziert nach: The International Energy Agency https://www.iea.org/statistics/kwes/)

Strom wird dabei zum überwiegenden Teil (noch) aus fossilen Energieträgern erzeugt: 2018 waren es global 65 %, in den OECD-Ländern 56 %. Die globale Produktion aus Kohle und aus Erdgas hat sich seit 1990 mehr als verdoppelt und ebenso ist auch die Erzeugung aus den erneuerbaren Energien (vor allem aus Wasserkraft) gestiegen. Strom aus Kernkraft ist dagegen mit 10 % in etwa konstant geblieben (einige Länder sind aus der Nuklearenergie ausgestiegen, andere bauen diese auf). Auch in den OECD-Ländern hat die Stromerzeugung aus Erdgas und erneuerbaren Energien stark zugenommen, dagegen sinkt im letzten Jahrzehnt Kohle als Primärenergiequelle ab. Abbildung 6.

…und welcher Bedarf besteht

Der globale Elektrizitätsbedarf nimmt immer stärker zu und explodiert geradezu im IKT- (Informations-/ Kommunikations Technologie) Bereich. Gingen 2018 rund 10 % des globalen Stromverbrauchs in diesen Bereich, so wird für 2030 bereits der dreifache Bedarf prognostiziert [2], wobei der Löwenanteil auf den Verbrauch durch Netzwerke und Datenzentren fällt. Für diese und ebenso für Internet, Computer, Handys, TV und Streamingdienste gibt es keine Alternative, sie können nur mit Strom betrieben werden.

Der Internetverkehr ist in den letzten 30 Jahren auf das Tausendfache angewachsen, der Internet-Riese Google verbraucht heute gleich viel Strom im Jahr, wie die Stadt Graz, Unterhaltungsdienste wie der Streaming-Dienst Netflix (einer unter vielen Streamingdiensten) verursacht 30 % des gesamten Internetverkehrs in den US. Block Chain Technologien wie Bitcoin benötigen derzeit so viel Strom wie ganze Staaten (z.B. Irak oder Singapur).

In Österreich wird bis 2030 eine Zunahme des Stromverbrauchs im IKT-Bereich von 8 auf 14 TWh prognostiziert, d.i. fast ein Viertel des gesamten derzeitigen Stromverbrauchs von 60 TWh (zum Vergleich: die gesamte Donaukraftwerkskette liefert heute 13 TWh jährlich).

Woher soll also die Elektrizität kommen, wenn zusätzlich noch der Umstieg auf E-Mobilität forciert werden soll, wenn Industrie Handel und Wohnen elektrifiziert werden sollen?

Es wird in Zukunft zweifellos heftige Kämpfe der einzelnen Anwendungen um die Elektrizität geben, wobei ein Ausfall der Stromversorgung - ein Blackout - nicht nur in Europa sondern auch in allen hochindustrialisierten Ländern katastrophale Folgen haben würde. Die Sicherstellung der Elektrizitätsversorgung ist daher oberstes Gebot.

Woher soll die - heute noch vorwiegend aus fossilen Quellen generierte - Elektrizität kommen, wenn wir CO2 reduzieren müssen, um die Klimaziele zu erreichen?

Ein fundamentaler Umbau des Energiesystems

ist unabdingbar, wenn wir CO2 reduzieren und damit die Klimaziele erreichen wollen. Trotz wachsender Bevölkerung und Bewahrens/Steigerung des Wohlstands ist dies nur möglich, wenn neben der CO2 Reduktion zusätzlich Energie eingespart wird. Am Beispiel Deutschland sind rund 40 % Einsparung der heute angewandten Primärenergie (siehe Abb. 7) und die Bindung von bereits freigesetztem CO2 aus der Luft erforderlich.

Abbildung 7. Durch Ausstieg aus fossiler Primärenergie CO2-Emissionen senken und zusätzlich Energie sparen

Die Einsparung fossiler Energieträger führt allerdings zu einer kritischen Grenze, die bei einer CO2-Reduktion von etwa 85 % erreicht ist: wenn weniger als 15 - 20 % fossile Energie zur Verfügung stehen [3], also eine Primärenergie, die immer dann eingesetzt werden kann, wenn man sie zur Deckung des Strombedarfs benötigt, sind die Netze nicht mehr stabil zu halten. Man braucht mindesten 15 - 20 % flüssige oder gasförmige synthetische Kraftstoffe, um die Netze über kalorische Kraftwerke immer dann zu stützen, wenn es die Dunkelflautentage gibt (d.i. kein Wind und keine Sonne) und um den Jahreszyklus Sommer-Winter auszugleichen.

Maßnahmen, die zur Senkung der CO2 Emissionen führen, bedeuten aber gleichzeitig eine Steigerung des Elektrizitätsbedarfs: 

  • Wenn Gebäude thermisch isoliert werden und Heizung/Kühlung über Wärmepumpen erfolgt, steigt der Strombedarf.
  • Wenn in der Industrie, beispielsweise in Stahlwerken von Kohle- auf elektrische Schmelzöfen umgestellt wird, steigt der Strombedarf. (In der VOEST rechnet man dann mit einem Stromverbrauch, der fast in der Größenordnung des heutigen Stromverbrauchs von ganz Österreich liegt.)
  • Wenn Herstellungsprozesse für mineralische Produkte (z.B. Zement) und für Grundchemikalien verändert werden, steigt der Strombedarf.

Fazit

Der globale Primärenergieverbrauch - heute noch zu 85 % fossiler Energie gespeist - nimmt weiter zu. Auch wohlhabende Länder der OECD verwenden zu 75 % fossile Brennstoffe, obwohl sie sich mehr erneuerbare Energieformen leisten könnten. In diesen Ländern ist der Verkehr der größte Rohölverbraucher.

Derzeit deckt Elektrizität, die zum überwiegenden Teil noch aus fossilen Energieträgern produziert wird, nur 16 % des Weltenergiebedarfs. Der Bedarf wird aber durch den Umbau des Energiesystems auf Elektrizität stark steigen, insbesondere im geradezu explodierenden IKT-Bereich, für den es keine Alternativen zum Strombetrieb gibt.

Die Frage ist: woher soll ausreichend grüner, d.i. nicht aus fossilen Quellen produzierter Strom, kommen?

Darüber mehr in Teil 2 von "Auf dem Weg zur Elektromobilität".


  [1] Hans-Martin Henning, Andreas Palzer, Was kostet die Energiewende? Wege zur Transformation des deutschen Energiesystems bis 2050, Fraunhofer ISE, Nov. 2015. Access 4.8.2020: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Fraunhofer-ISE-Studie-Was-kostet-die-Energiewende.pdf

[2] Nature 561, The information Factories, https://www.nature.com/articles/d41586-018-06610-y

[3] U. Kramer et al., FVV, Defossilisierung des Transportsektors, R586-2018, Tab. 10, access 11.1.2020. https://www.fvv-net.de/fileadmin/user_upload/medien/materialien/FVV__Kraftstoffe__Studie_Defossilisierung__R586_final_v.3_2019-06-14__DE.pdf


Artikel zur Energiewende im ScienceBlog

Robert Schlögl, Serie: Energie - Wende - Jetzt

 

Redaktion, 19.09.2019: Umstieg auf erneuerbare Energie mit Wasserstoff als Speicherform - die fast hundert Jahre alte Vision des J.B.S. Haldane

Niyazi Serdar Sariciftci, 22.05.2015: Erzeugung und Speicherung von Energie. Was kann die Chemie dazu beitragen?