Energiewende? Exergiewende!

Nicht jede Kilowattstunde ist in der Anwendung gleich viel wert. Im Rahmen des Energiewendeprozesses ist es notwendig, stärker zu unterscheiden, welche Energiearten wo genutzt werden

Energie kann nicht verlorengehen, sie wird immer nur umgewandelt, weiß der Physiker. Doch längst nicht jedes Häppchen Energie bietet praktische Nutzbarkeit. So ist es zwar schön, wenn solarthermische Anlagen Millionen Kilowattstunden ernten, aber die 100 °C, die in einer handelsüblichen Solarthermieanlage erreicht werden, nützen im Schmelzofen eines Stahlwerks gar nichts. Auch mit 16 in Reihe geschalteter solarthermischer Anlagen überschreitet man nicht 1536 °C, den Schmelzpunkt von Stahl.

Gleiche Energiemengen (kWh, Joule, kcal...) sind nicht immer gleich viel wert. Es gibt Energie, die etwas kann, und Energie, die weniger kann. "Wärme"-Strahlung von 2,7 Kelvin kosmischer Hintergrundstrahlung - die "Wärme", die ein Körper bei minus 270 °C Oberflächentemperatur abstrahlt - ist aktuell das Ende jeder Energie: Sie kann (in unserem Universum zumindest) nichts mehr.

Exergie drückt numerisch den Wert, oder die Qualität, einer Energie aus, und ist ein Maß für die Fähigkeit von Energie, Arbeit verrichten zu können. Exergie ist im Gegensatz zu Energie keine Erhaltungsgröße, sie wird weniger: Der Tauchsieder heizt ein kaltes Schwimmbad auf, aber mit dem warmen Schwimmbad lässt sich nie mehr (ohne Aufwendung weiterer Exergie) der Strom zurückgewinnen, um einen Laptop zu betreiben. Praktisch heißt das:

1. Es gibt verschiedenwertige Energieformen.
2. Der Wert der Energie hängt immer von der Umgebung ab, in der man sich bewegt. Die gleiche Substanz bzw. Energie hat in verschiedenen Umgebungen (=geographischer Ort, Zeit, Anwendungsbereich) unterschiedliche Exergie und unterschiedlichen Wert.

Dampf von 440 °C kann auf der Erde eine Turbine antreiben. Die Triebkraft kommt aus der Kondensation des Dampfes am kalten Ende. Auf der Erde hat der Dampf Exergie. Dampf von 440 °C kann auf dem Planeten Venus nichts antreiben. Die Venus hat überall mehr als 446 °C Oberflächentemperatur. Es gibt kein Gefälle. Der Dampf hat auf der Venus keine Exergie.

Der Begriff der Exergie drückt also ein gewisses Maß an Qualität aus, die eine bestimmte Energiemenge hat. 100 kWh Wärme gespeichert in einem Wasserspeicher bei 90 °C haben eine andere Qualität als 100 kWh Strom gespeichert in einer Batterie. Während die eine Energiemenge (ohne die Aufwendung weiterer Energie) nur zum Heizen in einer Umgebung kälter als 90 °C genutzt werden kann, kann die andere Energiemenge zum Heizen, zum Beleuchten, zum Antreiben eines Motors oder zum Betrieb von Computern genutzt werden. Siehe auch: Siegerbeitrag von Martin Buchholz beim Science Slam 2009.

Bedeutung für die Energiewende

Es gibt verschiedenwertige Energiequellen und verschieden hohe Ansprüche an Energiequalität. Überall, wo hohe Temperaturen benötigt werden, müssen Technologien und Energiequellen eingesetzt werden, mit denen diese hohen Temperaturen überhaupt erreichbar sind. Wo niedrige Temperaturen ausreichend sind ist es Verschwendung, wenn zu deren Erreichung eine Energiequelle benutzt wird, die auch höherwertige Ansprüche erfüllen könnte. Das gilt umso mehr, wenn nicht Wärme bereitgestellt werden soll, sondern mechanische Energie (z.B. Antriebsenergie für Fahrzeuge) oder Strom für den Betrieb von Elektronik.

Erdöl in Hausheizungen zu verwenden, ist beim Stand der Dinge deshalb Verschwendung. Mit Erdöl ließen sich sehr hohe Temperaturen herstellen oder es könnte, eingesetzt in Verbrennungsmotoren, mechanische Energie bereitstellen, sogar um Flugzeuge anzutreiben. Es lassen sich sogar komplexe Moleküle aus Erdöl vergleichsweise einfach - unter Verwendung von wenig Exergiegefälle - erzeugen. All dies können solarthermische Anlagen nicht, aber die von ihnen gelieferten Temperaturen reichen aus, um ein Haus und Wasser zu erwärmen. Daher wäre es exergetisch sinnvoll, Häuser konsequent mit Niedrigtemperaturheizsystemen auszustatten und die Umgebungs- und Strahlungswärme zu nutzen. Exergetisch hochwertigeres Erdgas oder Erdöl sollte für jene Prozesse und Anwendungen aufgespart bleiben, für die Solar- oder Geothermie nicht ausreicht.

Technische Entwicklungen für Niedrigenergiehäuser gibt es am Markt, als Beispiel für eine gelungene Integration sei die alte Spreemühle in Fürstenwalde genannt, die trotz Denkmalschutz ohne Dämmung geheizt wird, indem eine Wärmepumpe das auch im Winter mindestens 4 °C warme Spreewasser nutzt und die Wärme im Haus über Kapillar-Flächenheizungen verteilt, die in den Raumdecken verbaut sind. Die Temperatur in diesen Flächenheizungen übersteigt selten 30 °C und der Heizeffekt kommt über die Strahlungswärme zustande. Für solch niedrige Temperaturen knappe und wertvolle fossile Brennstoffe einzusetzen wäre Verschwendung, trotzdem wird es weiterhin selbst in Neubauten getan. Ein ähnliches denkmalgeschütztes Haus steht in Freiberg in Sachsen, vergleichbare Hauskonzepte finden auch in Neubauten Anwendung.

Unpopulär, aber bedenkenswert könnte auch sein, energetisch wirklich schlechte Bausubstanz abzureißen, statt krampfhaft umzubauen - und mit neuen Kenntnissen, Techniken und Materialien neu zu bauen. Aus exergetischem Blickwinkel lautet hier die Frage: Wieviel Exergie benötigt die Sanierung und das Weiterheizen, wieviel Exergie brauchen im Gegenzug Abriss, Neubau und Heizen auf gänzlich anderem Verbrauchsniveau?

Auf zum "solaren Arbeitstag"?

Eine "exergetische Lücke" tut sich auch im Energiewende-Prozess dort auf, wo Stromernterekorde gefeiert werden, aber deren zeitliche Zuordnung zum Verbrauch nicht passt. Konkret: Bilanziell hört es sich gut an, wenn an windreichen Sonnentagen soviel Strom in die deutschen Netze gespeist wird, dass Teile davon (mit Rabatten) ins europäische Umland exportiert werden. Leider wird dies zum billigen Bilanztrick an dunklen, windarmen Tagen, denn die dann folgenden Rückimporte sind längst nicht ebenso erneuerbar.

Speichertechnologien und intelligente, länderübergreifende Netzstrukturen werden diese Situation im Fortgang der Energierevolution sicherlich verbessern, was bleibt ist die Frage, ob jemals ein solch hohes und jederzeit verfügbares Energieverbrauchsniveau auf Basis erneuerbarer Energien erzielbar ist, wie dies auf Basis der (noch) reichlich vorhandenen fossilen Brennstoffe ganz selbstverständlich erscheint. Am Abend nützen die Stromüberschüsse der Mittagszeit nichts, es sei denn Speichertechnologien ermöglichen einen Transfer. Der Transfer von der Mittags- zur Abendzeit scheint durchaus realistisch, ein Transfer von der Sommer- in die Winterzeit hat jedoch ganz andere Dimensionen.

Durchaus denkbar, dass eine ohne fossile Energieträger funktionierende Gesellschaft ihre Arbeitsabläufe viel stärker als während der fossilen Industrialisierung am natürlichen Verlauf der Sonne ausrichten muss und zu einem "solaren Arbeitstag" kommen wird, der bis zur industriellen Revolution die Normalität war: Maschinen werden dann schwerpunktmäßig tagsüber und in der Sommerzeit eingesetzt, während die dunklen Tages- und Jahreszeiten eher mit geringem Maschineneinsatz auskommen müssen. Dieser Gedanke mag provokant erscheinen in einer Gesellschaft, die bislang jederzeit zu beliebigen Energiemengen zu extrem niedrigen Preisen hatte, doch sie muss angesichts zyklischer Umläufe der Erde um die Sonne in Betracht gezogen werden.

Zeiten mit "Energieüberschüssen" sind Zeiträume veränderter Umgebung: Das Energieangebot ist dann höher als benötigt. Die Wertigkeit der Energie sinkt, selbst wenn es es sich um hochwertigen elektrischen Strom handelt, der "reine Exergie" ist. Seine schlechte Lagerbarkeit kann es jedoch sinnvoll machen, ihn für "minderwertige Zwecke" einzusetzen. Die Herstellung von speicherbarem Gas in Zeiten von "Stromüberschuss" (Stichwort: Windgas) kann aus energetischem Blickwinkel sinnvoll sein, auch wenn er aus monetärem Blickwinkel verlustbehaftet ist. Die Lagerbarkeit von Energie bzw. Energierohstoffen und die damit verbundene Transferfähigkeit sind ein Wert an sich, der unter bestimmten Bedingungen Exergie kosten darf. Cleverer wäre es natürlich, wenn lagerbare (fossile) Energierohstoffe gleich für Zeiten mit niedrigem EE-Angebot aufgespart werden, statt aus hochwertigem Strom ineffizient erst Gas zu machen, um es später zurückzuverstromen.

Eine weitere exergetische Lücke zeigt sich im Transportbereich. Dieser Bereich wird heute zu über 99% von Mineralöl angetrieben. Biomasse wird die heute verbrauchte Größenordnung nie ersetzen können: bereits heute verbraucht Deutschland 75% der oberirdischen Biomasseproduktion. Damit werden 3% des deutschen Primärenergieverbrauchs gedeckt, doch macht Biomasse insgesamt 7% des deutschen Primärenergieverbrauchs aus. Die Differenz von 4 Prozentpunkten ist Importbiomasse und mithin ein Leben über den ökologischen Fußabdruck hinaus. Bereits heute - am Beginn der Energiewende - resultiert daraus eine Biomasse-Importabhängigkeit (von den daraus resultierenden kolonieartigen Wirtschaftsverhältnissen ganz zu schweigen).

Wenn Biomasse nicht der Treibstoff des Transportwesens sein wird, so soll es elektrischer Strom sein. Von dem wird in windreichen Sommertagen viel bereitgestellt, doch selbst wenn es ein Vielfaches wäre, nützt all der Strom nichts: Er ist schlicht mit der bestehenden Fahrzeugflotte nicht kompatibel. Verbrennungsmotoren schlucken keinen Strom, so dass die Exergie des Stroms im Verkehrsbereich fast bei Null liegt. Erst eine vollständige Elektrifizierung der Fahrzeugflotte macht Erdöl abkömmlich und verleiht elektrischem Strom Exergie im Transportbereich. "Erdöl ist der einzige nicht erneuerbare Energierohstoff, bei dem in den kommenden Jahrzehnten eine steigende Nachfrage nicht mehr gedeckt werden kann", schreibt die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe und weist darauf hin, dass "angesichts der langen Zeiträume, die für eine Umstellung auf dem Energiesektor erforderlich sind, [..] die rechtzeitige Entwicklung alternativer Energiesysteme notwendig" ist.

Die Behörde formuliert also die Dringlichkeit der Energiewende, doch aus Exergie-Gesichtspunkten greift selbst diese Formulierung viel zu kurz. Denn es reicht eben nicht aus, alternative Energiesysteme zu entwickeln. Im Fall des Verkehrssystems ist ein Pfadwechsel vonnöten, der den Verbrennungsmotor durch Elektromotoren, Stromleitungen oder transportable Stromspeicher ersetzt und die gesellschaftlichen Rahmenbedingungen anpasst (siehe auch: Elektromobilität mit Tücken). Öl, der erste fossile Rohstoff der "dank" Peak Oil knapp wird, ist im Transportbereich nicht durch Solarthermie und nicht durch Photovoltaik ersetzbar - und natürlich auch nicht durch Atomenergie. Aus einem exergetischen Blickwinkel heraus greift die Fokussierung der Energiewende auf Strom viel zu kurz.

In der medialen Aufbereitung unterbelichtet ist auch die Energiedichte. Erdöl ist ein extrem energiedichter Stoff und lässt sich zudem gut lagern, weil es in breitem Temperaturspektrum flüssig ist. 11.600 Wh stecken in einem Kilogramm Superbenzin. Elektrischer Strom dagegen ist so flüchtig, dass im Moment einer von einem Kraftwerk aufgebauten Spannung diese sofort verloren ist, wenn sie nicht in demselben Moment genutzt wird. Ein Lithium-Ionen-Akku speichert um die 100 Wh pro Kilogramm und liegt damit um den Faktor 100 unter der Energiedichte von Erdölderivaten. Das ist ein Grund, warum es Elektro-LKW auf Batteriebasis mit einer Nutzlast von 20 Tonnen derzeit nicht gibt: Diese LKW würden nur sich und ihre Batterien transportieren, von ''Nutz''-Last wäre keine Rede.

Die Energiedichten in einer postfossilen Welt werden sehr viel geringer sein, als wir das heute gewohnt sind. Umso wichtiger wird es, mit dem Arbeitspotential von Energie noch bewusster umzugehen und nicht hochwertige Energie für Prozesse zu verschwenden, in denen auch niederwertige Energie hätte eingesetzt werden können. Das betrifft insbesondere den Wärmebereich, denn Wärme ist eher der Endzustand jedes Energieumwandlungsprozesses: Letztlich landet das Licht von Lampen, die Antriebsenergie von Motoren oder der Stromverbrauch von Laptops in Form von Wärme in der Umgebungsluft.

Exergiewende

Der Prozess der Energiewende, wie er derzeit diskutiert wird, sollte noch stärker ausdifferenziert werden. Die Wertigkeit von Energie ergibt sich aus individuellen, aber auch aus gesellschaftlichen Überlegungen. Viel in Erdöl gespeicherte Energie könnte aus dem Heiz-Bereich in den Verkehrsbereich transferiert werden, wenn beim Bau und Umbau von Häusern die direkte Umgebung genutzt und auf Niedrigtemperatursysteme gesetzt wird. Wird dadurch in größerem Maße Heizöl substituiert, lässt sich das Ölzeitalter verlängern und es bleibt mehr Zeit für den Umbau des Verkehrssystems.

Doch um Sonneneinstrahlung und Umgebungswärme in Häusern wirklich intensiv zu nutzen, ist die Position der Gebäude und ihre Ausrichtung zur Sonne wichtig. In Bebauungsplänen spielen solche Aspekte bislang jedoch keine nennenswerte Rolle, dort dominieren Traufhöhen und deutsche Gradlinigkeit beim Ausrichten von Neubauten an den Linienführungen der Nachbargebäude. Kybernetische Architektur, die Gebäudestruktur und Energieversorgung gemeinsam denkt, ist bislang selten (siehe: Planungsstrategie: Kybernetisch vernetzen). Eine Energiewende die diesen Namen verdient, muss demnach bis in den Bereich der Bauleitplanung vordringen und dort Planungsspuren hinterlassen - und sie muss auch in die Architektenausbildung eingebettet sein.

Das Verkehrssystem spielt im Prozess der Energiewende eine untergeordnete Rolle. Die Schaufenster und Modellregionen Elektromobilität sind vergleichsweise kleine Übungen, deren Ziel offensichtlich der unbedingte Erhalt des motorisierten Individualverkehrs in heutiger Dimension ist. Obwohl Zweifel angebracht sind, dass dies rohstofflich wie auch ökologisch überhaupt machbar ist, muss klar sein: Es wird für den Betrieb einer Fahrzeugflotte immer hochwertigere Energie notwendig sein als für das Aufwärmen von Räumen auf 23 °C.

Je größer die Fahrzeugflotte ist, je länger die Transportwege sind und je größer der Exergieverbrauch pro km und kg, umso größer wird der Gesamtenergiebedarf hoher Qualität sein. Je größer dieser Gesamtbedarf ist, umso größer werden die Flächen sein, auf denen wir Strom ernten müssen und umso weniger Fläche bleibt für Nahrungsmittel, nachwachsende Roh-Stoffe oder schlicht: Natur. Die Flächenkonkurrenz wird eines der Hauptprobleme der Energiewende und die bestehende Bodenordnung könnte an ihre Grenzen kommen.

All diese Überlegungen sind aber irrelevant, so lange Fahrzeugflotte und elektrischer Strom zwei nahezu unvereinbare Elemente sind. Allein im Schienenverkehr spielt Elektroenergie eine relevante Rolle, doch Straßen- und Eisenbahn waren während des Ölzeitalters nicht unbedingt des Deutschen Lieblinge. Im Schienenfahrzeugbau gibt es auch nicht ansatzweise die industriellen Kapazitäten, wie sie die kriselnde Automobilindustrie entwickelt hat. Eine sprunghafte Nachfrage nach Straßenbahnen würden schnell die Herstellungskapazitäten der Industrie zu Tage treten lassen.

Die Energiewende konsequent mit einem Pfadwechsel im Verkehrssystem zu verbinden, würde bedeuten, die starke deutsche Automobilindustrie infrage zu stellen. Zwar gilt: Industrien kommen und gehen und so wie das Pferd vom Verbrennungsmotor und die Kutschenbauer durch die Autohersteller abgelöst wurden, könnte auch die heute so starke Industrie einer den neuen Energieformen angepasste Unternehmenslandschaft weichen. Im Autobauerland Deutschland sind solche Überlegungen bislang tabu, doch sie gehören im Rahmen der Energiewende auf den Tisch. Mit der Energierevolution werden sich Industrien verändern. Macht es da nicht Sinn, diesen Veränderungsprozess proaktiv zu begleiten, statt ihn zur Bewahrung alter Besitzstände zu verhindern?

Exergetisch betrachtet kommt es also darauf an, die Energieform dem Nutzungszweck anzupassen. Wird Energie hoher Wertigkeit für Anwendungszwecke eingesetzt, die auch durch Energie niedriger Wertigkeit hätten erfüllt werden können, wird Exergie verschwendet. Insbesondere im Wärmebereich liegt daher das große Potential in Niedrigtemperatursystemen und deren Kopplung an die direkte Umgebung, während für Hochtemperaturanwendungen, mechanische Antriebe oder Elektronik höherwertige Energieformen zwingend sind. Wie hoch die Wertigkeit ist, hängt jedoch von ihrer Umgebung ab.

Statt sich nur um die Erzeugung von Energie zu sorgen und ihr Einsatzfeld unbeachtet zu lassen, sollte der Energiewendeprozess um Aspekte erweitert werden, der die Umwelt des Energieverbrauchs verändert. Konkret kann dies bedeuten, Politikansätze zu entwickeln, die das Pendeln zum Arbeitsplatz verringern. Wenn die Wege kurz sind, kann auch Muskelkraft eingesetzt werden, statt Motoren zu betreiben - und die Exergie menschlicher Körperkraft steigt.

Fazit

Was in der Diskussion um die Energiewende bislang zu kurz kommt ,ist die unterschiedliche Qualität geernteter oder beschaffter Energie zu beachten. Daraus resultieren notwendige Folgemaßnahmen, die an den Wendeprozess angedockt werden sollten. Die Konzentration auf Energieerzeugung greift zu kurz ebenso wie die Strategie der Energieeffizienz. Letztlich greift ein Umbau der Energieversorgung in nahezu alle Subsysteme der Gesellschaft ein, denn Energie ist es, was die Strukturen dieser Gesellschaft aufrecht hält. Die Energiewende muss stärker als Kulturwende begriffen werden und ihre Umsetzung nicht allein technologisch, sondern noch stärker vernetzt gedacht werden.