Spätestens seit der Diskussion rund um synthetischem E-Fuel ist der Begriff Wirkungsgrad im „Mainstream“ angekommen. In diesem Zusammenhang geht es vor allem um Energieeffizienz und möglichst ressourcensparende Maßnahmen und Strategien, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung und dem Verbrauch der gewonnenen Energie zu gewährleisten. Doch ist der Wirkungsgrad die einzige zu berücksichtigende Kennzahl? Das darf wohl noch bezweifelt werden. Und wie sieht es bei dieser Diskussion mit dem Klimaschutz aus? Die Diskussion über Wirkungsgrad und Energieffizienz im 21. Jahrhundert ist im vollen Gange. Was bedeuten diese Begriffe und in welchem Zusammenhang stehen sie?
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist ein Maß dafür, wie effizient ein Prozess oder eine Maschine dafür aufgewendete Energie oder Arbeit in reale Leistung umwandelt. Der Wirkungsgrad wird als Verhältnis zwischen der tatsächlich erzeugten Leistung und der zugeführten Energie oder Arbeit ausgedrückt und in Prozent angegeben.
Der Wirkungsgrad wird berechnet, indem die tatsächlich erzeugte Leistung durch die zugeführte Energie oder Arbeit geteilt und das Ergebnis mit 100 multipliziert wird, um den Wert in Prozent auszudrücken. Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet, dass ein Prozess oder eine Maschine effizient arbeitet und einen großen Teil der zugeführten Energie oder Arbeit in verwendbare Leistung umwandelt, während ein niedriger Wirkungsgrad auf Energie- oder Arbeitsverluste hinweist.
Der Wirkungsgrad ist ein wichtiger Parameter in vielen technischen Anwendungen, einschließlich der Energieerzeugung, dem Transportwesen, der Industrieproduktion und der Haushaltstechnik. Er dient als Maßstab für die Effizienz von Geräten, Maschinen oder Systemen und kann zur Optimierung von Prozessen und zur Verbesserung der Energieeffizienz verwendet werden.
Energieeffizienz
Die Energieeffizienz bezieht sich auf die optimale Nutzung von Energie, um eine gewünschte Leistung zu erzielen, während der Energieverbrauch minimiert wird. Es handelt sich um ein Konzept, bei dem die Menge an Energie, die zur Erfüllung eines bestimmten Zwecks oder einer bestimmten Aufgabe benötigt wird, minimiert wird, ohne dabei die Qualität oder den Umfang des Nutzens oder der Leistung zu beeinträchtigen.
Energieeffizienz kann auf verschiedene Ebenen angewendet werden, einschließlich der Gebäudeeffizienz, der Industrieeffizienz, der Verkehrseffizienz und der Haushaltseffizienz. Sie umfasst die Verwendung von energieeffizienten Technologien, das Implementieren von effizienten Betriebsverfahren, die Verbesserung der Isolierung von Gebäuden, die Optimierung von Produktionsprozessen, die Nutzung von erneuerbaren Energien, das effiziente Management von Energieressourcen und das Bewusstsein für den sparsamen Umgang mit Energie.
Energieeffizienz ist von großer Bedeutung, um den Energieverbrauch zu reduzieren, Treibhausgasemissionen zu verringern, natürliche Ressourcen zu schonen, die Umweltbelastung zu minimieren und Kosten zu senken. Es ist ein wichtiger Ansatz zur nachhaltigen Energieversorgung und zur Bekämpfung des Klimawandels, da er dazu beiträgt, die Energieabhängigkeit zu verringern und die Ressourceneffizienz zu verbessern.
Grundsätzlich lässt sich auch behaupten, dass ein Prozess oder eine Maschine mit einem hohen Wirkungsgrad eine gute Energieeffizienz aufweist.
Wie energieeffizient ist unsere Welt wirklich und hat Umweltschutz etwas damit zu tun?
Global gesehen gibt es hinsichtlich der Energieeffizienz große Unterschiede zwischen Ländern und Regionen. Industrieländer haben in der Regel fortschrittlichere Infrastrukturen und Technologien, die zu höherer Energieeffizienz führen „könnten“, während Entwicklungsländer oft mit Herausforderungen wie begrenztem Zugang zu Energie, ineffizienter Energieerzeugung und unzureichender Infrastruktur konfrontiert sind.
Ja, es ist hinsichtlich Energieeffizienz noch sehr viel Potenzial und viel Luft nach oben oben vorhanden
Auf sektoraler Ebene variiert die Energieeffizienz ebenfalls erheblich. Einige Sektoren, wie beispielsweise der Gebäudesektor und der Verkehrssektor, gelten als energieintensiv und weisen oft niedrigere Energieeffizienz auf. Andere Sektoren, wie beispielsweise die Industrie, können durch den Einsatz von modernen Technologien und Prozessen, ihre Energieeffizienz verbessern und dahingehend Fortschritte erzielen. Dieses Beispiel zeigt aber auch auf, dass Energieeffizienz nicht unbedingt etwas mit umweltschonendem Verhalten oder gar ökologischer Nachhaltigkeit zu tun hat, was immer wieder unterschwellig vermittelt wird.
Gute Energieeffizienz und ein hoher Wirkungsgrad hat nur wenig mit Umweltschutz und Nachhaltigkeit zu tun – das ist wie Äpfel mit Birnen zu vergleichen
Energieeffizienz ist ein durchaus wichtiger Faktor zur Verringerung des Energieverbrauchs, und somit unter anderem auch der Treibhausgasemissionen, was wiederum die Umweltauswirkungen im Zusammenhang mit Energieerzeugung und -nutzung beeinflusst.
Anders formuliert: Energieeffizienz bedeutet lediglich weniger Energieverbrauch bei gleicher Leistungserbringung, nicht aber automatisch auch, dass es sich dabei um eine ökologisch, ethisch, moralisch und gesellschaftlich vertretbare Art der Energieeinsparung handelt. Das Risiko für weitreichende Mogelpackungen ist hier durchaus gegeben.
Als reales und zudem aktuelles Beispiel können wir uns nun hier der Diskussion – rund um den Wirkungsgrad von Elektroautos, und im Vergleich dazu, den Wirkungsgrad des heftig diskutierten sysnthetischen E-Fuel – anschließen. Wir gehen der Frage nach ob E-Fuels nicht doch eine Daseinsberechtigung haben.
Wirkungsgrad: Elektroautos versus E-Fuel
Eines ist klar: Elektroautos haben im Gegensatz zu klassischen „Verbrennern“ einen wesentlich höheren Wirkungsgrad und sind daher per Definition auch wesentlich energieeffizienter. Ob das auch im Sinne der Umwelt, Ressourcen und den Wirkungsgraden der Stromerzeugung dienlich ist, sei hier einmal dahingestellt.
Ein Elektroauto hat für sich selbst im alltäglichen Betrieb (bei einer normalen Fahrt) einen energetischen Wirkungsgrad von 70 – 90 Prozent, je nach Witterungsbedingungen, Fahrverhalten und sonstigen Variablen.
Im Gegensatz dazu hat ein Diesel-Motor neben seinem belastenden Abgasen einen Wirkungsgrad von „nur“ 35 – 55 Prozent und ein Verbrenner, der mit E-Fuel betankt ist, einen noch geringeren Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent. Alles in allem wirkt das nun so, als ob E-Fuels die allerschlechteste Variante für künftige Treibstoffe in der Automobilindustrie sind. Aber Achtung: ganz so einfach ist das dann doch nicht!
Mogelpackung / Denkfehler in der Diskussion
Für eingeschworene Befürworter der Elektromobilität ist diese zuvor erwähnte Anschauung sehr praktisch. Verbrenner und E-Fuels sind das Schlechte auf unserer Welt, das unbedingt aufgehalten und eliminiert werden muss. Dabei vergisst man aber darauf einen direkten Vergleich zwischen Elektromotoren und E-Fuels anzustellen.
Definition Wirkungsgrad von Elektromotoautos versus E-Fuels
Wenn vom Wirkungsgrad eines Elektroautos gesprochen wird, dann reduziert man in der moralischen Diskussion den Wirkungsgrad rein auf das Fahren des Elektroautos. Beim E-Fuel hingegen, der hinsichtlich Wirkungsgrad direkt mit Elektroautos vergleichen wird, spricht man vom Fahrbetrieb und der Produktion von E-Fuel zusammen. Daher ist hier ein direkter Vergleich nicht möglich (Äpfel mit Birnen vergleichen).
Wenn man demnach einen direkten Vergleich anstellen will, dann muss man sich eben auch die Wirkungsgrade der globalen Stromproduktion näher ansehen und in die Vergleichskalkulation miteinbeziehen. Denn da sieht die Sache nicht nur viel komplexer und undurchsichtiger aus, sondern auch nicht mehr ganz so dramatisch weit entfernt vom Endergebnis im Vergleich zu E-Fuels.
Wirkunsgrade der globalen Stromerzeugung
Haben Sie gewusst, dass eine handelsübliche Solarzelle einen Wirkungsgrad von nur 10 – 20 Prozent vorweist? Es gibt auch bessere und ungleich teurere Solarzellen die auch 25 Prozent schaffen, aber generell ist die Solarstrom-Gewinnung hinsichtlich Wirkungsgrad nicht der „Renner“ und die Produktion von Solarzellen ist zudem auch nicht außer acht zu lassen.
Wirkungsgrad von Solarstrom-Gewinnung
Die Produktion von Solarzellen ist ein energieintensiver Prozess, der den Einsatz von verschiedenen Materialien, wie Silizium, Dotiermaterialien, Metallen und anderen Ressourcen, erfordert. Die Herstellung von Siliziumwafern, die als Basis für viele Arten von Solarzellen dienen, kann energieintensiv sein, da sie hohe Temperaturen erfordert und spezielle Materialien verwendet werden.
Wenn wir nun davon ausgehen, dass das Elektroauto mit Solarstrom angetrieben wird, und wir die Solarzellen-Produktion, sowie den Wirkungsgrad der Solarstrom-Gewinnung mit einbeziehen, dann könnten wir in etwa den direkten Vergleich mit dem Wirkungsgrad der E-Fuel-Produktion anstellen, was so auch wiederum weitere Aspekte zumVorschein bringt, wie zum Beispiel die Lebensdauer von Solarzellen (wie oft kann ich mit einer Solarzelle das Elektroauto aufladen), die etwa bei 20-30 Jahren liegt.
Dann muss man sich aber auch die Frage stellen: wo wird der Solarstrom gewonnen? In der Sahara ist der Wirkungsgrad bei der Solarstromerzeugung wesentlich höher, als in Europa. Solarstrom-Gewinnung in Österreich hat einen wesentlich geringeren Wirkungsgrad (10 – 12 %) als in südlicheren Regionen.
Fazit: Wie wir sehen, ist das alles ziemlich „komplex“ …
Wirkungsgrad von Stromgewinnung durch Wasserkraft
Im Allgemeinen beträgt der Wirkungsgrad von modernen Wasserkraftwerken, die Turbinen mit hoher Leistungsfähigkeit verwenden, etwa 90 Prozent oder mehr. Dies bedeutet, dass etwa 90% der potenziellen Energie des fallenden Wassers in elektrische Energie umgewandelt werden können. Die restlichen 10% oder weniger gehen in Form von Verlusten durch Reibung, Wärme und andere Faktoren verloren.
Speziell in Österreich gibt es vielerorts noch ausreichend Wasser um viel Strom aus Wasserkraft zu gewinnen. Zudem zählt die Wasserkraft zu den CO2-ärmsten Energieproduktionsvarianten. Ein weiterer Vorteil der Wasserkraft ist es, dass diese Energiegewinnungsform skalierbar ist, solange genug Wasser zur Verfügung steht.
Ein Aspekt, der hier als problematisch angesehen werden kann, ist der ökologische Fingerabdruck von Staumauern und Wasserkraftwerken, die leider immer wieder große ökologische Folgen für die Tier- und Pflanzenwelt in der Umgebung haben. Dies ist ein aussagekräftiges Beispiel dafür, dass ein hoher Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung nichts mit Umweltschutz und ökologischem Denken zu tun hat.
Wirkungsgrad von Stromgewinnung durch Windkraft
Im Allgemeinen beträgt der Wirkungsgrad von modernen Windkraftanlagen, die hocheffiziente Turbinen und Generatoren verwenden, etwa 40 – 50 Prozent oder mehr. Dies bedeutet, dass etwa 40% bis 50% der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie umgewandelt werden können. Die restliche Energie geht in Form von Verlusten durch Reibung, Turbulenzen, Wärme und andere Faktoren verloren. Ein einfaches Windrad kann Aufgrund seines simplen Aufbaues sogar bis zu 85 Prozent Wirkungsgrad bei der Stromgewinnung erzielen.
Das Problem bei der Windkraft ist, dass diese Kraft vom Wetter abhängig ist und daher nicht skaliert werden kann. Ein weiteres Problem hat man bei Offshore-Windkraftanlagen und sogenannten großen Windparks erkannt, da durch die Luftverwirbelungen der vielen eng beeinander stehenden Windräder die bodennahe Luft erwärmt und trockener wird. Mancherorts ist das sogar erwünscht (Beispiel: Landwirtschaft, wodurch keinn Frost entsteht), an anderen Orten führt es zur Austrocknung der Regionen, welche sich „hinter“ solchen großen Windkraftanlagen befinden.
Grundsätzlich führen große Windkraftanlagen, sowie Solarkraftwerke, zu einem generellen Temperaturanstieg im regionalen Bereich (in Bodennähe), was sich im großen Stil langfristig sogar negativ auf das gesamte Weltklima auswirken könnte, sind sich einige Exprtenstimmen einig. Bei On- und Offshore-Anlagen werden nicht nur natürliche Luftströmungen unterbrochen, sondern die Luft ganzer Landstriche durcheinander gewirbelt. Die Folgen dazu sind an betroffenen Gebieten noch nicht absehbar. Jedenfalls unumstritten ist eine Auswirkung auf die natürlichen Bedingungen der jeweilig betroffenen Regionen durch die Energiegewinnung mit hohem Wirkungsgrad im großen Stil.
Kein Grund zur Besorgnis besteht für andere Experten – eine fachlich-moralische Diskussion zur Rechtfertigung überdimensioneler Wind- und Solarparks
Wie das Wissenschaftsmagazin Spektrum „fundiert“ berichtet, bestehen durch das Errichten von gigantischen Solar- und Windkraftanlagen keine Kollateralschäden am Klima, ganz im Gegenteil: Durch das Erwärmen der Luft steigt die Verdunstung von Wasser und dadurch soll es dann auch mehr regnen, so die Theorie des Fachartikels.
Aber wo soll Wasser verdunsten, wo kein Wasser mehr vorhanden ist? Ein Blick auf zahlreiche ländliche Regionen in Westeuropa, wie zum Beispiel der Seewinkel im Burgenland, oder Berlin-Brandenburg, zeigen auf, dass es bei uns immer trockener und wärmer wird. Da helfen auch nicht Aussagen, dass Windkraftanlagen nicht schuld an der Dürre sind. Denn das sind sie nicht – nicht alleine zumindest.
Fakt ist, dass diese Form der „CO2-neutralen“ Energiegewinnung im großen Stil in einem anderen Aspekt regionales Mikroklima durcheinanderwirbelt und je nach örtlichen Gegebenheiten für klimatische Veränderungen sorgt und mitunter zu einem Temperaturanstieg, auch ohne Wasserverdunstung und Regen, sorgt.
Rechtfertigung von E-Fuel im Vergleich zu Elektromobilität
Aufgrund der vielen ungelösten Probleme und Herausforderungen in Zusammenhang mit klimafreundlicher Stromgewinnung und der teilweise niedrigen, nicht skalierbaren und umweltbelastenden Wirkungsgraden sind wir aktuell (im Jahr 2023) noch lange nicht soweit, um die Elektromobilität in dem Ausmaß zu bejubeln, wie es speziell von „Elektrofans“ lautstark praktiziert wird. Das ist ein Spiel mit dem Feuer!
Energiegewinnung im großen Stil: Die Dosis macht das Gift
Der menschliche Durst nach Energie ist aktuell unendlich gierig. Alleine für die Systemerhaltung unserer Gesellschaft sind mittlerweile Unmengen an Energie erforderlich. Irgendwie fühlt es sich an, als würde die Erde irgendwann wie ein kochender Wasserkessel explodieren vor lauter Energie.
Da ist es folglich rein logisch, dass sich dieser unheimliche Durst nach Energie auf unser globales Ökosystem muss, völlig irrelevant welche Form der Energiegewinnung im Kampf der Technologien zum Zug kommt. Jegliche Form der Energiegewinnung im großen Stil hat seine Schattenseiten.
Die Lösung ist: grundsätzlich weniger Energiebedarf (naives Weltbild, unrealistisch)
Die Zwischenlösung: Bei der Energiegewinnung auf Diversität (Vielseitigkeit) zu setzen und möglichst viele Varianten der Energiegewinnung zuzulassen
Geduld und Mäßigung in der Diskussion
Es bringt unserer Ansicht nach nichts, E-Fuel von Beginn an zu verteufeln und stur am Ausbau der Elektromobilität festzuhalten. Gerade jetzt, wo wir noch in einer Zeit leben, wo die meisten Solarzellen und Elektroautos noch nicht ihre maximale Lebensdauer erreicht haben und wir noch nicht mit dem Recycling und der Produktion von neuer Elektro-Infrastruktur befasst sind.
Es wird die Zeit kommen, wo wir uns als Menschheit danach sehen, ausgereifte Alternativen zur Elektromobilität zu haben. Daher sind wir der Meinung, dass man Wissenschaft, Technik und Forschung gerade jetzt nicht in alternativen Bereichen (Wasserstoff, E-Fuel, etc ..) nicht ausbremsen darf.
Eine gute Lösung ist, viele Energiequellen zu haben, auf die man auch als Privatperson je nach individuellem Bedarf, Situation, Wohnort, etc… zurück greifen kann.
E-Fuel kann bis zum Jahr 2035 auch nur eine gute Zwischenlösung sein, um von herkömmlichen fossilen Brennstoffen zunehmend Abstand zu halten und gleichzeitig dennoch für einen Großteil der Bevölkerung den leistbaren Verbrenner als individuelles Transportmittel erschwinglich möglich zu machen.
