04009 Elektrifizierung – der Schlüssel zur Dekarbonisierung

In den vergangenen Jahrzehnten wurden in Deutschland bei der Dekarbonisierung von Gesellschaft und Wirtschaft beachtliche Erfolge erzielt. So sank der jährliche Treibhausgas-Ausstoß seit 1990 um mehr als 600 Mio. t CO2,eq. auf nahezu die Hälfte im Jahr 2024. Die Hauptrolle spielen dabei energiebedingte Emissionen mit einem Rückgang von mehr als 500 Mio. t CO2,eq [1].

Die Energiewirtschaft war 1990 mit einem Anteil von mehr als 40 % an den gesamten CO2-Emissionen der größte Emittent. Die seither stattfindende Transformation der Energiewirtschaft liefert mit einem Rückgang der CO2-Emissionen von jährlich mehr als 250 Mio. t CO2 den größten Beitrag zur Dekarbonisierung. Andere Sektoren, insbesondere der Verkehr, hinken dagegen mehr oder weniger weit hinterher [2]. Fossile Kraft- und Brennstoffe dominieren auch in industriellen Prozessen vielfach den Energiebedarf.

Jahrhundertprojekt Energiewende
Die Energiewende, so viel wird deutlich, ist das Jahrhundertprojekt des 21. Jahrhunderts. Im Sinne der weiteren Dekarbonisierung müssen neben der Bereitstellung von Energie (bislang: insbesondere elektrischer Energie) vor allem auch anwendungsseitig Prozesse zur Nutzung von Energie transformiert werden. Konkret ist ein Wechsel von Energieträgern, ein Fuel-Switch, weg von fossilen Energieträgern hin zu weniger emissionsintensiven Alternativen erforderlich.

Im Folgenden werden die Hintergründe und Handlungsmöglichkeiten aufgezeigt, wobei auch auf die Nutzung von elektrischer Energie (Elektrifizierung) eingegangen wird. Der Fokus liegt dabei auf energieintensiven Industrien wie der Herstellung und Verarbeitung von Eisen/Stahl, Nichteisenmetallen, Glas, Keramik, Zement und Papier.

Der Begriff Energie wird manchmal mit dem Begriff Strombedarf gleichgesetzt. Bei genauerer Betrachtung fällt jedoch auf, dass elektrische Energie nur einen Teil – und zudem den kleinsten Teil – des Energiebedarfs ausmacht. Denn sowohl die industrielle und private Wärmeversorgung als auch die Mobilität werden von fossilen Energieträgern beherrscht. Im Wärmesektor spielt Erdgas die führende Rolle, gefolgt von Heizöl und Kohle. Im Bereich der Mobilität ist mit weitem Abstand und in sämtlichen Sparten (Individualverkehr, ÖPNV, Gütertransport, auf Straßen, dem Wasser und in der Luft) der Einsatz von erdölbasierten Kraftstoffen dominierend. Lediglich im Schienenverkehr trägt elektrische Energie bislang einen größeren Teil zur Traktionsleistung bei.

Ähnlich sieht es bei den industriellen Energiebedarfen aus. Der Endenergiebedarf von 631 TWh im Jahr 2024 resultiert lediglich zu 30 % aus dem Strombedarf.

Im Sektor Gewerbe/Handel/Dienstleistungen sind ca. 40 % des gesamten Endenergiebedarfs von 312 TWh durch Strom bedingt. Allerdings sind in beiden Fällen auch Brennstoffbedarfe aus Anlagen zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung (KWK, Kraft-Wärme-Kopplung) zu berücksichtigen, sodass die tatsächlichen Strombedarfe in Industrie und Gewerbe höher liegen [4]. Bei den vorgenannten Zahlenrelationen ist auch zu berücksichtigen, dass der Verbrauchssektor Mobilität in den industriellen Bedarfen nicht enthalten ist.

Wärmeversorgung ausschlaggebend
Bereits an dieser Stelle wird sichtbar, dass sowohl gesamtwirtschaftlich als auch insbesondere im industriellen Umfeld die Wärmeversorgung den größten Anteil am Endenergiebedarf ausmacht. Und: Die Wärmeerzeugung wird weiterhin zu gut 80 % vom Einsatz fossiler Brennstoffe dominiert.

Die Summe in Abbildung 1 beschreibt jenen Energiebedarf, den es unabhängig von der Wahl der Energieträger für das Aufrechterhalten von Produktions- und Lebenshaltungsniveau oder Dienstleistungen zu decken gilt (aufgrund der wirtschaftlichen Entwicklung liegt dieser Wert aktuell ca. 10 % unter dem Niveau vor Ausbruch der Covid-Epidemie in 2019). Der künftige Endenergiebedarf wird beeinflusst von der Auslastung der industriellen Produktion, aber auch durch Veränderungen, die sich durch Effizienzgewinne und Umwandlungsverluste ergeben. Da in diesem Beitrag die Transformation der Energieversorgung und -nutzung im Vordergrund steht, werden insbesondere die Aspekte Umwandlung von Energieträgern sowie Effizienzgewinne durch einen Wechsel von Energieträgern vertieft.

Wie hoch der Einsatz fossiler Energieträger ist, wird noch deutlicher, wenn der Blick nicht auf den in Abbildung 1 dargestellten Endenergiebedarf fällt, sondern auf die für dessen Bereitstellung erforderliche Primärenergie. Denn nun treten auch die Umwandlungsverluste von thermischen Kraftwerken und Eigenbedarfen im Energiesektor in Erscheinung.

Ein geringer Teil der Primärenergieträger (aktuell 7,4 % [4]) wird, anders als es die Bezeichnung vermuten lässt, nicht energetisch, sondern als stoffliche Ressource genutzt. Beispiele sind Kokskohlen für die Reduktion von Roheisen über die Hochofenroute oder der Einsatz von Erdölprodukten und Erdgas als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Grundstoffchemikalien und Kunststoffen. Im langjährigen Verlauf weist der nichtenergetische Verbrauch nur geringe Schwankungen auf (6–8 %).

Differenz zwischen Primär- und Endenergie
Zur Differenz zwischen Primär- und Endenergie tragen außerdem die Eigenbedarfe und Netzverluste im Energiesystem (Strom- und Gasversorgung) sowie die Umwandlungsverluste beim Einsatz von Brennstoffen zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie bei. Die Netzverluste im Stromsystem sind aufgrund des Ausbaus dezentraler Stromerzeuger rückläufig. Insgesamt machen Eigenbedarfe und Netzverluste 5,5 % des Primärenergiebedarfs aus. Die Umwandlungsverluste machen derzeit nur gut 10 % des Primärenergiebedarfs aus. Bedingt durch den überwiegenden Einsatz von thermischen Stromerzeugern lag dieser Wert im Jahr 1990 bei über 24 %.

Dass in Deutschland der Anteil von elektrischer Energie am Endenergiebedarf noch immer vergleichsweise gering ist, hat verschiedene Gründe. Lange dominierte in Deutschland die brennstoffbasierte Stromerzeugung in thermischen Kraftwerken. Was liegt unter diesen Bedingungen näher, als den Brennstoff (Kohle, Erdgas, Erdöl) direkt einzusetzen, anstatt den Umweg über die verlustbehaftete Umwandlung in Strom zu nehmen?

Außerdem beschränkt sich die Eignung für den Einsatz von Wasserkraftwerken aus topologischen und hydrologischen Gründen auf den Süden Deutschlands.

Internationaler Vergleich
In Abbildung 3 lassen sich abweichende Szenarien in anderen Ländern erkennen. Insbesondere dort, wo bereits in der Vergangenheit große Teile des Stroms aus anderen Quellen gewonnen wurden, spielt der Einsatz von elektrischer Energie mit 60 % und mehr vom Endenergiebedarf eine bedeutendere Rolle. Dies trifft beispielsweise auf Länder wie Schweden und Norwegen zu.