Energieeffizienz - das große Ganze

In der Physik spielt „Energie“ eine noch bedeutendere Schlüsselrolle; es könnte sogar gesagt werden, dass die Physik geradezu die „Lehre von der Energie“ ist. Lassen wir uns ein auf einen kleinen Ausflug, wie die Energiebegriffe aus Physik und Wirtschaft zusammenhängen: Es wird uns einen interessanten und veränderten Zugang ermöglichen.

Wer mag nicht heißen Kaffee? Nur dass dieser, in eine normale Kanne abgefüllt, nicht lang heiß bleibt, denn er verliert Wärme über die Oberflächen an die kältere Umgebung. Clevere Ingenieure haben den „Wärmebedarf“ berechnet und lassen die verlorene Energie einfach über eine elektrische Heizplatte nachliefern; das ist die aktive Methode. Es geht aber auch ohne viel Energie: Füllen wir den Kaffee in ein sehr gut dämmendes Gefäß (eine Thermoskanne) ein, dann ist der Verlust so gering, dass der Kaffee auch über Stunden heiß genossen werden kann. Überraschend für viele dürfte sein, dass fast unser gesamtes heutiges Energiesystem nur dazu dient, Verluste auszugleichen. Das genau wird in diesem Bilderbuch behandelt. Aber nun werfen wir erstmal einen Blick auf das heute übliche Energiesystem.

In der heutigen Industriegesellschaft spielt „Energie“ eine Schlüsselrolle für die gesamte Funktion der Wirtschaft. Maßgebliche Ökonomen haben „Energie“ als den Schmierstoff der Volkswirtschaft bezeichnet - und sehen „billige Energie“ als die Grundvoraussetzung für Wohlstand und Wachstum an. Fast die gesamte Gesellschaft hat ein ähnliches Bild – inkl. der schärfsten „Wachstumskritiker“. Diese Wahrnehmung wird stark geprägt von der täglichen Erfahrung, die inzwischen von den durch die Industriegesellschaft aufgebauten Strukturen geprägt ist:

Energie kommt vor allem als Energieträger (z. B. Heizöl, Benzin, Strom) ins Spiel und muss als solcher bezahlt werden.

Es gibt einen Energiesektor, der dafür zu sorgen hat, dass immer ausreichend ²⁾ Energie verfügbar ist.

Die Endverbraucher konsumieren die Energieträger. Von denen ist am Schluss nichts mehr da. Dabei entsteht der Wohlstand.

Die Physik kann als die „Wissenschaft von der Energie“ angesehen werden³⁾. Das Konzept 'Energie' wurde in voller Klarheit in der Physik erst im 19. Jahrhundert herausgearbeitet. Wir werden die Grundzüge des Konzepts hier in seiner einfachsten Form beschreiben. Dabei stellt sich heraus, dass die zentrale Charakterisierung energetischer Prozesse im Alltag deren „Effizienz“ ist. Interessanterweise ein Begriff, der von Ökonomen gern auf den Einsatz der menschlichen Tätigkeit angewendet wird, aber in Bezug auf Energie verdrängt wird⁴⁾. Verstehen wir diesen Zusammenhang erst einmal, dann sind wir gerüstet für eine neue Herangehensweise: Energie als Werkzeug in einer wissensbasierten Gesellschaft; das trifft die Sachlage recht gut – denn wie Werkzeuge im Grunde nur „wenig und ganz langsam“ verbraucht werden, so ist dann auch der Energieverbrauch gering.

Wollten wir den physikalischen Begriff „Energie“ umgangssprachlich möglichst anschaulich fassen, so ist wohl „die Fähigkeit zur Umsetzung von Veränderungen“ die zutreffendste Beschreibung. Regelmäßig sind mit Energieflüssen (das ist die Übertragung der Energie von einem System zu einem anderen oder die Umwandlung der Form der Energie in eine andere) sichtbare, spürbare, generell wahrnehmbare Veränderungen in den Systemen verbunden. Für viele überraschend ist dabei⁶⁾, dass bei solchen Umwandlungen und Übertragungen Energie gar nicht „verbraucht“ wird, sondern eben „nur“ in anderer Form oder an anderem Ort vorliegt⁷⁾.

Im Extremfall können solche Veränderungen dramatisch sein. Setzen wir extrem viel Energie in sehr kurzer Zeit um, dann nennen wir das eine Explosion. Die verändert in ihrer Umgebung vieles sehr grundsätzlich – und das ist der Kerngrund dafür, weshalb sich das Militär sehr für Energie und insbesondere für Systeme mit hoher Energiedichte interessiert. Viele Physiker und Ingenieure fasziniert dieser Aspekt. Und wirtschaftlich lässt sich davon auch gut leben. Allerdings: Außer an Neujahr spielen diese Dinge in unserem Alltagsleben kaum eine Rolle – und wenn doch, ist das meist sehr unangenehm.

Fangen wir mit der elementarsten Erfahrung an: Wir stehen vor der Aufgabe, einen Flügel in den zweiten Stock zu transportieren. Dessen Gewicht müssen wir dazu aufnehmen (das erfordert die Anwendung von Kraft durch uns), und unter Beibehaltung der Kraftanwendung müssen wir das Teil nun, ausgerechnet in Richtung der aufgewendeten Kraft⁸⁾ durch das Treppenhaus heben. „Kraft mal Weg“, das ist die Arbeit, die wir dabei verrichten. Mehr, wenn das Teil eine größere Masse hat, und ebenfalls mehr, wenn es höher hinaufgeht. Das wird in nebenstehendem Bild vorgerechnet. Und, eigentlich haben wir mit diesem Prozess bereits das gesamte Energiekonzept verstanden: Die geleistete Arbeit ist in diesem Fall nämlich nicht verloren, sondern in der Lageenergie (potentiellen Energie) des Flügels „gespeichert“. Wer das nicht glaubt, braucht das Teil ja nur durch das Treppenhaus runterrauschen zu lassen; das hat auch nach vielen Jahrzehnten immer die gleiche Auswirkung.

Für einen ganz anderen Vergleich zeigen wir hier eine typische moderne Energienutzung: Wir heizen ein Gebäude. Für ein durchschnittliches Haus im Bestand in Deutschland werden dafür auch heute immer noch in etwa 3000 Liter Heizöl gebraucht. Wieviel Energie steckt in diesem Brennstoff? Gut merken lässt sich der Heizwert von 'Heizöl EL' mit ziemlich genau 10 kWh/Liter. Das führt die gebräuchlichste Energieeinheit für den Alltag ein: die „kilo-Watt-Stunde“ kWh. In ihr wird Öl, Erdgas, Strom, Fernwärme, … abgerechnet. Viele haben daher ein Gefühl für die Größenordnung von 1 kWh. Wir können diese Einheit in die SI-Basiseinheit „Joule“ J umrechnen (dritte Zeile der Folie)¹⁰⁾. Der Jahres-Heizöl-Verbrauch zur Heizung dieses Hauses ist das 3000fache dieser 10 kWh oder, in SI-Basiseinheiten, 108 Milliarden(!!) Joule. Das ist das 26,2-Millionenfache unserer Aktion „Klavier in den zweiten Stock“. Was daraus insbesondere klar wird: Das Ausmaß der uns heute gewohnten Energieumsätze ist gigantisch¹¹⁾, viel höher als die uns natürlicherweise möglichen Körperleistungen.

Wir haben bisher drei Formen von Energie hier ausdrücklich kennengelernt: Mechanische potentielle Energie¹²⁾, chemische Energie¹³⁾ und Wärme¹⁴⁾. Die Tabelle rechts zeigt eine Übersicht der heute in der Physik behandelten Energieformen. Das Geniale am Energiekonzept ist, dass alle diese Energieformen ineinander umwandelbar sind. Als Übung kann eine Matrix erstellt werden, welche Art Prozess (oder 'Maschine') für die Umwandlung von einer dieser Energieformen in die jeweils andere oft genutzt wird. Beispiel: Um elektrische Energie in elektromagnetische Energie (z.B. Licht) umzuwandeln, benutzen wir eine Glühbirne. In der zweiten Spalte der Tabelle ist die kennzeichnende Formel für die betreffende Energieform angegeben. Zeile 1 und Zeile 10 kennen wir schon. An den anderen braucht ein Leser sich vorerst nicht zu stören - wen es interessiert, eine ganze Menge davon wird z.B. in unserem "Bauphysik-Kurs" erklärt.

Die Umwandlung mechanisch-potentieller Energie (Lageenergie) beim Fall eines Objekts aus der Höhe in Bewegungsenergie ist aus dem Alltag vertraut. Die stattfindende Verwandlung kleiner Höhendifferenzen in betragsmäßig gleiche 'kinetische Differenzen' ist leicht nachvollziehbar - wir erklären das genauer hier: Energiesatz der Mechanik. In dieser Übersicht geben wir nur das Ergebnis an: Die „Formel“ für die klassische 'kinetische Energie'

$ E_{kin}=\frac{1}{2} m v^2$.

„Energie geht nicht verloren“ - jedenfalls nicht in einem geschlossenen System. Das ist ein System, aus welchem die Systemumgrenzung durch NICHTS (Keine Materie, aber auch keinerlei Wirkung) überschritten werden kann. In so einem geschlossenen System bleibt die Energie dann erhalten¹⁵⁾ Manchmal ist die Aussage zu hören, wegen des Energiesatzes „gäbe es keine Energieverluste“. Das ist Unsinn: Dies würde nur gelten, wenn alle Systeme streng geschlossene Systeme wären - Energieströme, welche ansonsten die Grenzen eines Systems nach außen hin überschreiten, können mit Fug und Recht als „Energieverluste“ bezeichnet werden: Verloren für das System.

Ein drastischer Vergleich: Wenn ich Geld „zum Fenster raus“ werfe, dann ist dieses Geld für mich verloren.

Offene Systeme sind die Regel: Auch hier muss das System aber eindeutig charakterisiert werden durch eine räumlich abgrenzendend Systemhülle. Nur dass diese jetzt von Energie- und Stoffströmen überschritten werden kann. Der Vorteil des Energiebegriffs zeigt sich aber auch hier, denn es reicht jetzt offenbar, die „grenzüberschreitenden“ Energieströme durch diese Hülle zu bilanzieren. Ist ein solcher Energiestrom negativ (vom System aus gesehen), so handelt es sich per Definition um einen Verlust, ist er positiv, handelt es sich um von außen zugeführte Energie. Nun ist die Energiebilanz offensichtlich¹⁶⁾: Die Änderung der Energieinhalts (der „Inneren Energie“) ist gleich der Summe aller die Hülle durchtretenden Energieströme; oder, m.a.W.: Die Differenz von Energiegewinnen minus der Energieverluste.

Eine in der Technik beliebte Darstellung ist das Energiefluss-Diagramm. Hier liegt der Nachdruck auf den das System durchströmenden Energieströmen: In der Regel kommen von links „zuströmende Energieflüsse“ und gehen nach rechts die das System wieder verlassenden Energieströme. Oft werden „Verlustströme“ und „nutzbare Energieströme“ unterschieden, wobei die Verlustströme dann gern als 'ins Nirvana' führender Pfeil nach oben dargestellt werden. Weil die meisten technischen Systeme sich in einem Fließgleichgewicht befinden¹⁷⁾ ist in der Regel die im System liegende Energie konstant, d.h. die Änderung der inneren Energie Null. Dann ist die Energiebilanz ganz einfach: Die Summe aller Gewinne ist gleich der Summe aller Beträge der Verluste. Hier kann nun der Wirkungsgrad eines Systems definiert werden: Das ist genau der Anteil der zugeführten Energieströme $E_{in}$ , der als nutzbarer Energiestrom $E_{out}$ das System wieder verlässt:

${\displaystyle \eta = \frac{E_{out}}{E_{in}}}$

Häufig gibt es ganze Ketten aufeinderfolgender Energiesysteme, von denen das jeweils nachfolgende System den nutzbaren Output des vorausgehenden weiter verarbeitet. In jedem Glied der Kette gibt es zugehörige Verluste und für jedes Einzelsystem lässt sich ein individueller Wirkungsgrad angeben. Für die gesamte Kette ergibt sich ein „Gesamtwirkungsgrad“ gerade als Produkt der Einzelwirkungsgrade. Es gibt auch komplexere Flussbilder mit mehreren Output-Strömen (oft „Koppelprodukte“ genannt) und „Schleifen“, die entstehen, wenn Ströme aus einem späteren Prozess in eine vorausgehendes System¹⁸⁾ zurückgespeist werden¹⁹⁾. Das sog. Sankey-Diagramm ist ein mächtiges und zugleich hoch anschauliches Tool zur Bilanzierung komplexer Energiesysteme auf einer systemanalytisch pauschalisierten Ebene.

Ingenieure und Energieversorger lassen diese Energieflussbilder meist nach der dann als „Endsystem“ bezeichneten ersten Maschine des Energienutzers („End“-Nutzer oder Endverbraucher oder Kunde) enden. Was aus diesem System noch herauskommt wird gern als „Nutzenergie“ bezeichnet. Weil diese Energie aber auch beim Endnutzer in aller Regel nicht gespeichert wird, sondern der Energiestrom auch dort nicht endet, ist die Bezeichnung „Nutz“-Energie genau genommen eine Irreführung. Als Physiker und Ingenieure verfolgen wir die Energieströme noch ein paar Schritte weiter; nämlich so lange, bis sie das letzte System mit menschlicher Nutzung tatsächlich verlassen haben²⁰⁾ ODER „endgültig“ in einem System verweilen²¹⁾.

Das letzte in der Nutzung befindliche System ist hier allein dargestellt, für den Fall, dass der erzeugte Nutzen selbst nicht in Energieeinheiten gemessen werden kann²²⁾. Dies ist das eigentlich wichtigste Teilsystem der Kette überhaupt: Hier wird nämlich das erzeugt, wofür die gesamte Kette letztlich dient: Wir nennen das die Energiedienstleistung²³⁾, der eigentliche Nutzen des Energieeinsatzes²⁴⁾. Als Output gibt es auch hier²⁵⁾ einen Energiestrom. Dabei handelt es sich allerdings ausschließlich um einen Verlust: Denn nach der Nutzung ist die Energie aus unserer Sicht „endgültig verbraucht“, sie verlässt das letzte beachtete durchströmte System in die²⁶⁾ Umwelt.

Komfortabel haben wollen wir es schon in unseren Aufenthaltsräumen - was von der natürlichen Umgebung nicht immer unbedingt behauptet werden kann. Dort herrschen z.B. in Mitteleuropa zwischen Oktober und Anfang März Temperaturen, die spürbar unter der Komfortgrenze liegen. Also stellen wir im inneren unserer Gebäude komfortable Bedingungen her; üblicherweise machen wir das mit einem System, das sich „Heizung“ nennt. Daher wollen wir diese Dienstleistung hier auch „Raumheizung“ nennen. Sie besteht darin, dass der Aufenthaltsbereich auf behaglichen Temperaturen (zwischen 20 und 24°C) gehalten wird, auch und gerade dann, wenn es außen kälter ist. Um welchen Betrag kälter, das spielt für den Aufwand durchaus eine Rolle, weshalb es letztlich die Temperaturdifferenz nach außen ist, welche das Ausmaß der Dienstleistung kennzeichnet.

Das ist schematisch das eigentlich entscheidende Dienstleistungssystem der „Raumheizung“: Es ist das Gebäude selbst, in dessen Innerem (orange) die Dienstleistung gewährleistet wird: Vereinfacht hier mit einer konstanten Innentemperatur gekennzeichnet. Der Physiker weiß sofort: Bei konstanter Innentemperatur ändert sich die Innere Energie dieses Systems nicht; das täte sie aber, wenn wir das System in einer kälteren Umgebung einfach so sich selbst überlassen würden: Da fließt dann nämlich Wärme ab, nach außen, in die Umgebung. Diese Wärme verlässt unsere Nutzungskette endgültig und sie lässt sich aus der Umgebung auch nur noch mit Aufwand zurückholen³¹⁾. Hier handelt es sich somit um Energie-Verluste; und zwar ausschließlich Energieverluste, keine einzige kWh der im letzten Winter verbrauchten Heizenergie ist jetzt im Gebäude noch irgendwo „anwesend“. Die Höhe der Energieverluste entscheiden sich nach dem Aufbau der Hüllflächenkomponenten des Gebäudes: Lassen die einen zügigen Wärmetransport zu (z.B. ein Einfachglas), so sind die Verluste hoch; ist es eine Vakuumverglasung, so sind sie vernachlässigbar klein.

Das Ausmaß der Verluste lässt sich nach den Gesetzen des Wärmetransports sogar leicht ausrechnen: Materialien wie Beton leiten Wärme sehr gut von Bereichen höherer in Gebiete niedrigerer Temperatur weiter. Besteht eine Gebäudehülle im Wesentlichen nur aus Beton, so sind die Wärmeverluste sehr hoch und entsprechend viel muss nachgeheizt werden. Viele unseren bestehenden Gebäude sind so gebaut, als ob es ganz gleichgültig wäre, dass auf diesem Weg riesige Energiemengen 'einfach so' in die Umgebung abfließen können.

Was wir hier sehen: Es ist vor allem die Qualität des Dienstleistungssystems, in unserem Fall charakterisiert von der Wärmedämmwirkung (dem „Wärmedurchgangswiderstand“) der Gebäudehülle, wodurch der 'Bedarf' an nachzuliefernder Energie bestimmt wird.
(Elektro- und Elektronikingenieure und Facharbeiter können das an Hand des elektrischen Analogmodells³²⁾ sehr einfach verstehen).

Hier ist nun die quantitative Fassung der Energieverluste für ein konkretes Gebäude, wie wir es noch bis vor Kurzem üblicherweise gebaut haben³³⁾. Auf der linken Seite sind leicht ermittelbaren Verluste aufgestapelt: Es treten die Lüftung, die Außenwand und die Fenster hervor. Ein Teil der Verluste wird quasi kostenlos von solaren Beiträgen durch die Fenster und von Personen und Geräten geliefert. Weil aber die Verluste vollständig kompensiert werden müssen³⁴⁾, ist der bedeutende Energiestrom auf der Zufuhrseite die Heizwärme (rot dargestellt). Das sind in diesem Fall um 96 kWh/(m²a)³⁵⁾. Nicht mehr ganz so viel wie in den meisten Altbauten, aber immer noch eine gigantische Energiemenge, die, aus Öl nachgeliefert, so etwa 1500 Liter Heizöl jährlich verschlingt. Dabei wird die zugehörige Menge von fast genau 4 Tonnen CO₂ in die Atmosphäre freigesetzt.

Durch technische Verbesserungen am Nutzungssystem lassen sich die Verluste umfassend verringern. „Technisch“ heißt in diesem Fall bautechnisch; z.B. bessere Fenster (dreifachverglast), bessere Wärmeschutz im Dach (z.B. Dämmstoff in die Geschossdecke eingelegt), eine Verkleidung der Fassade. Diese Verbesserungen können mit dem heutigen Stand der Bautechnik die Verluste nicht nur „so ein bisschen“ reduzieren, sondern in sehr großem Umfang; im nebenstehenden Beispiel wurde dieser Neubau mit einer Gebäudehülle gebaut, die nur noch etwa ein Viertel der üblichen Verluste bewirkt. Weil die kostenlos nachgelieferte „freie Wärme“ aber in etwa gleich groß bleibt, schlagen die verringerten Verluste fast vollständig auf die Heizwärme durch, die sogar nur noch etwa ein Siebtel, nämlich ca. 14 kWh/(m²a), beträgt. Das ist i.Ü. so wenig Heizenergie, dass wir dafür gar keine Öl- oder Gasheizung mehr brauchen. So kleine Energiemengen können ganz problemlos aus Erneuerbaren Quellen kommen - und sie können ebenfalls ohne Problem über das bestehende Stromnetz geliefert werden³⁶⁾.

So sieht das dann in der Praxis aus: Die hier gerade angebrachte Wärmedämmung aus „verpackter Luft“ hat eine Wärmeleitfähigkeit, die nur etwa einem Achtzigstel des Betons entspricht. Die Dämmschicht ist etwa gleich dick wie die tragende Betonwand: Der Wärmeverlust nach der Dämmung dadurch auf einen extrem geringen Wert reduziert. Ebenfalls sehr gut ist die Dämmwirkung der hier verwendeten Fenster³⁷⁾. Die Fenster „sitzen“ auch korrekt in der Dämmebene, sodass zugleich auch Wärmebrücken vermieden werden. Solche Gebäude verlieren nur noch sehr wenig Wärme und brauchen daher auch nur ganz wenig aktive Heizwärmezufuhr; Heizung und Kühlung können in diesem Fall durch die Wohnungslüftung gleich „mit-erledigt“ werden. Die Energiedienstleistung wird in diesem Objekt überwiegend durch Effizienz-Techniken, also 'passiv' erbracht³⁸⁾.

Kommen wir vom konkreten Beispiel auf die grundsätzlichen Überlegungen zurück: Wir wollen ein Maß für die Effizienz des Nutzungssystems auch dann bestimmen, wenn die maßgeblich Output-Größe nicht die Dimension einer Energie hat. Da der Nutzen (die Dienstleistung) immer größer Null, der Aufwand aber auch Null sein kann³⁹⁾, ist der herkömmliche „Wirkungsgradansatz“ hier nicht zielführend. Wir verwenden vielmehr den Kehrwert, die „Aufwandszahl“, oder, in unserem Fall den „spezifischen Energieaufwand“ in kWh je Einheit der Dienstleistung: Nutzwärmeaufwand geteilt durch Dienstleistung. In der Folie wird vorgerechnet, dass das auf die Dimension $\frac{\mathsf{W}}{\mathsf{m^2K}}$ für den spezifischen Energiebedarf führt. Eine altbekannte Größe, das ist eine Art zusammengefasster Gesamtenergieverlust je m² Wohnfläche und Kelvin Temperaturdifferenz.

Was sind die essentiellen technischen Maßnahmen um die Wärmeverluste von Gebäuden niedrig zu halten? Es sind dies die drei hier nochmal illustrierten Maßnahmen:

1. Wärmedämmung (natürlich lückenlos, d.h., unter Vermeidung von Wärmebrücken)
2. verbesserte Fenster (im Wesentlichen drei statt nur zwei Scheiben)
3. Wärmerückgewinnung aus dem Abluftstrom (denn frische Luft wird gebraucht, die ist aber kalt. Also erwärmen wir sie mit dem Wärmestrom der verbrauchten Luft vor)

Wir wissen heute durch Millionen gebauter Projekte, dass alle diese Techniken so funktionieren wie intendiert und dass zugleich eine Vielzahl anderer Problem durch deren Einsatz mitgelöst wird.

Und das funktioniert sogar nachträglich bei bestehenden Gebäuden. Das Bild zeigt links einen Altbau, der ohnehin zur Modernisierung anstand. Der wurde (rechtes Bild) mit einer verbesserten Dämmung von Kopf bis Fuß, neuen, vergrößerten Fenstern, Balkonen und sogar einer Wärmerückgewinnung ausgestattet. Der Effekt: 85% der zuvor benötigten Raumheizenergie wurde eingespart, die Wohnungen sind heller und komfortabler geworden, die Substanz über weitere Jahrzehnte gesichert. Wir nennen diesen Ansatz heute "EnerPHit" und er hat sich inzwischen tausendfach bei den unterschiedlichsten Gebäuden und überall auf der Welt bewährt.

Die Alternativen sind nicht „Kohle“ oder „Erdöl“ oder „Erdgas“ oder „Uran“.

Die Alternative ist: „Effizienz und Erneuerbare“ oder „Abhängig von fossiler Energie und ihren Lieferanten“

Sehen wir uns das Gebäude wieder mit unserer Wärmebildkamera an⁴⁰⁾, so wird die Wirkung dieser Maßnahmen auch äußerlich erkennbar: Die Fassade ist kaum noch wärmer als der im freien stehende Baum und selbst die Fenster strahlen kaum noch Wärme ab. Im starken Kontrast zur Abstrahlung des noch ungedämmten Gebäudes im Hintergrund. Dieses Gebäude wird übrigens in EnerPHit-Beispiel genau beschrieben.

Wie relevant ist dieser Bereich der Raumheizung eigentlich? Das nebenstehende Kuchendiagramm zeigt, dass die beiden Dienstleistungen „Verkehr“ und „Raumwärme“ jeweils etwa um 30% des Gesamtverbrauchs an Endenergie ausmachen. Es sind damit tatsächlich die bedeutendsten Einzelanwendungen. Daraus, wie wir bei diesen Anwendungen die Effizienz verbessern, können wir auch für die übrigen Dienstleistungen lernen und werden das auch mit den folgenden Folien zeigen. Der dritte große Brocken, die „Prozesswärme“, ist in Wahrheit ein Sammelsurium ganz unterschiedlicher Anwendungen von der Erzschmelze bis zum Gießen von Wachs in Kerzenformen; bei allen diesen Prozessen müssen Experten der Verfahrenstechnik jeweils Konzepte für die Effizienzverbesserung entwickeln - was tatsächlich in vielen Fällen auch bereits gelungen ist.

Der Verkehr ist der andere dicke Brocken der Endenergie-Nachfrage. Und überwiegend ist es motorisierter Individualverkehr, der diesen Energieverbrauch erzeugt: Also PKWs und Krafträder. Ein Maß für die Energiedienstleistung ist hier in Europa seit Jahrzehnten eingeführt: Es ist die Fahrzeug-Jahres-km-Leistung; 2010 waren es 905 Mrd PKW-km $(=s_{EDL})$ (Energiedienstleistung), die in Deutschland insgesamt zurückgelegt wurden. Und dafür wurden als „Input“ 718 Mrd kWh Sprit verbraucht. Auf 100 km Fahrstrecke haben diese Fahrzeuge somit

$ e_{spez} = \frac {E_{sprit}}{s_{EDL}} = 80 \frac {kWh}{100 km} $

an spezifischem Energieverbrauch gehabt. Das entspricht übrigens ziemlich genau 8 Liter je 100 km; dieser Wert hat sich über Jahrzehnte kaum verändert⁴¹⁾. Wir setzen diesen Wert hier als Referenzwert für die weitere Analyse.

Dass diese Dienstleistung (Person von A nach B) durchaus auch mit herkömmlichen PKW mit deutlich höherer Effizienz erzeugt werden kann, zeigt das in dieser Folie dargestellte Fahrzeug. Mit 1400 kg Masse ist alles enthalten, was ein guter PKW braucht - schnell genug ist der PKW auch und mit um 45 kWh auf 100 km beträgt der spezifische Verbrauch nur 56% des gesamten Flottendurchschnitts. Auch beim PKW-Verkehr sind somit erhebliche Effizienzsteigerungen möglich und sogar bei konventionellen Fahrzeugen am Markt verfügbar.

Der Durchbruch an Effizienz kommt mit der Verwendung von elektrischen Antrieben - da moderne Elektromotoren dieser Leistungsklasse Wirkungsgrade von mehr als 95% haben, weit höher als jeder Verbrennungsmotor⁴²⁾. Dazu kommt, dass der E-Motor reversibel arbeiten kann: Ich kann mit dem Motor „bremsen“ und der arbeitet dann als Stromerzeuger und gewinnt mir kinetische Energie zurück, die sonst üblicherweise einfach in nutzlose Wärme in der Bremsscheibe verwandelt wird.⁴³⁾

Selbst für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sind die Grenzen verbesserter Effizienz damit aber noch lange nicht erreicht: Ein großer Fahrzeugkonzern hatte bereits einen Prototyp für einen „1-Liter-PKW“ realisiert - es waren vor allem die Ingenieure, die hier gezeigt haben, was sie eigentlich können. Ein Fahrzeug dieser Qualität kam dann allerdings nie auf den Markt⁴⁴⁾. Inzwischen ist, wissenschaftlich betrachtet, unstrittig, dass die Elektrotraktion auf Dauer die richtige Lösung ist. Auch bei dieser kann die Effizienz der Fahrzeuge natürlich immer noch weiter steigen, durch geringere Fahrzeugmasse beispielsweise, insbesondere durch noch bessere (leichtere!) Batterien⁴⁵⁾.

Die Effizienz von Fahrzeugen, das zeigt die Praxis, ist offenbar in hohem Maß verbesserbar. Gibt es dafür eine physikalische oder technische Grenze? Einen ersten Hinweis zur Beantwortung dieser Frage gibt die Fahrrad-Technologie: Rechnen wir die von der radelnden Person aufgenommene Nahrung (vollständig!) als Energieaufwand (Input) des Systems, so ergeben sich 2,4 kWh je 100 km. Gerade einmal etwa 3% des Referenzverbrauchs. Das Fahrrad ist ein Fahrzeug mit extrem hoher technischer Effizienz. Dies gilt auch dann noch, wenn wir das Gefährt mit einem zusätzlichen elektrischen Nabenmotor ausstatten - und wir werden dann im Schnitt auch etwas schneller.

Natürlich ist die Dienstleistung hier nicht 1:1 mit der eines PKW vergleichbar: Ich bin langsamer, ich habe kein Dach über dem Kopf, ich kann nicht so viel transportieren. Aber: Diese Technik lässt sich in diese Richtung ohne weiteres ausbauen. Siehe Folie 32.

Und es geht doch noch effizienter als beim Fahrrad… wie dieses Fahrzeug zur Teilnahme am Solar-Wettbewerb der Hochschule Bochum zeigt: Ein Dreisitzer, durchaus 100 km/h schnell, basiert auf Fahrradtechnik und ist sogar noch effizienter⁴⁸⁾. Solche Fahrzeuge verbrauchen letztlich nur noch ein Zehntel heutiger durchschnittlicher Elektrofahrzeuge. Die Praxis bereits realisierter Prototypen zeigt: es scheint keine Untergrenze (>0) für die Reduktion der Energieverluste im Verkehr zu geben. Zeit, das einmal aus Sicht grundsätzlicher Physik zu betrachten.

Wir machen das hier zumindest für einen Spezialfall: für den Radweg von A nach B (hier auf gleicher Höhe) (Folie 33). Beide Radfahrer starten mit der gleichen Anfangsgeschwindigkeit $v_{x0}$ in x-Richtung. Tom hat es eilig und folgt der waagerecht auf einem Damm verlaufenden Schnellstraße; während Anna pflichtgemäß der Tal- und Bergbahn des zum Radweg ausgezeichneten Wirtschaftsweges folgt (auch der ist fein asphaltiert). Die Reibung auf diesem kurzen Stück ist für beide Wege vernachlässigbar und keine der Personen tritt oder bremst. Wer ist vorher da? Zu aller Überraschung ist es Anna, trotz des Umweges, und das ist sogar leicht einzusehen.

Wir betrachten das Fahrrad auf der Muldenbahn. Seine Geschwindigkeit setzt sich aus einer vertikalen Komponente (nach unten) und einer horizontalen zusammen. Befindet sich der Körper um die Höhe $h$ unterhalb der Bezugsebene, so hat seine Lageenergie um $mgh$ abgenommen. Um genau diesen Betrag hat seine kinetische Energie zugenommen, mithin ist seine Geschwindigkeit gestiegen. Die vertikale Geschwindigkeitskomponente spielt in Bezug auf die Reisezeit i.A. keine Rolle⁵⁵⁾. Aber auch die horizontale Komponente hat auf der dargestellten Strecke überall zugenommen (im tiefsten Punkt ist die ganze Lageenergie in kinetische Energie der hier ausschließlich horizontalen Geschwindigkeit umgewandelt). Damit ist der Körper an jeder Stelle schneller als der Konkurrent in der Ebene.

Die Kerze - wohl mit bei den ersten künstlichen Lichtquellen; liefert gerade mal 0.1 lm/W, der Rest der Energie wird direkt in Wärme umgewandelt. Eine vernünftige Beleuchtung des Schreibtisches ist damit gar nicht möglich. Die mit Petroleum betriebene Starklichtlampe war mit 5 lm/W immerhin 50mal so effizient - und konnte bei einer umgesetzten Leistung von 140 Watt den Schreibtisch durchaus erhellen (Wirkungsgrad um 2%). Die Glühlampe war der nächste Fortschritt in der Effizienz - erstmals war ausreichend Licht auch in der Nacht ohne Gestank und Brandgefahr möglich; 12 lm/W entsprechen aber immer noch einem Wirkungsgrad von unter 5%; die Glühlampe wird immer noch so heiß, dass der Nutzer sich leicht daran die Finger verbrennt. Elektrische Energie lässt sich durch Anregung gezielter Quantenübergänge direkt in Licht verwandeln; die Fluoreszenz-Lampe war die dafür schon bald verfügbare Technik, die immerhin bereits Wirkungsgrade um 20% erzielte. Je mehr Umwandlungsschritte sich die Technik erspart, je effizienter wird die Lampe: Halbleiter-Rekombinations-Licht („light emitting diodes LED“) sind zwar im Prinzip schon lange bekannt, wurden aber erst in den letzten Jahrzehnten zu einer breit einsetzbaren Lichtquelle entwickelt. Wirkungsgrade marktgängiger Leuchtmittel liegen inzwischen bei 75% bis 80% und die besten Systeme kommen schon nahe an 100% heran. Damit ist die für gutes Licht erforderliche elektrische Leistung von über 60 W inzwischen auf gerade noch 3,5 W gesunken. Das ist kein Problem mehr für eine komplett erneuerbare Energieversorgung überall auf der Welt.

Ein bedeutender Teil des Energieverbrauchs bei Informations-Technologien kommt von den visuellen Endgeräten. Während die noch vor einem Jahrzehnt überwiegend verwendeten Röhrenbildschirme (typischer Verbrauch: 76 Watt) heiß wurden, Röntgenstrahlen emittierten, schwer waren und viel Platz brauchten, sind bereits LCD-Bildschirme platzsparend und haben eine erheblich verbesserte Effizienz: 10-20 Watt sind bei guten Geräten typisch. Ist das nun „gut genug“ oder gar die Grenze der physikalischen Möglichkeiten? Keinesfalls: Herkömmlich gedruckte Bücher führen uns vor Augen, dass zur Anzeige einer Information eigentlich gar keine Energie gebraucht wird (außer der Beleuchtung, und da reichen wenige Watt). Und tatsächlich zeigt die nächste Folie, dass es die Technologie mit höchster Effizienz tatsächlich bereits gibt: Reflexionsbildschirme mit durch elektrische Felder verstellbaren Pigmentpartikeln, sog. „elektronische Tinte“ ist in manchen Endgeräten sogar bereits im Einsatz.

Außer für das Licht und minimale Feldänderungen beim Bildwechsel braucht das elektronische Papier keine Energie für die Anzeige; das Bild kann sogar dauerhaft stehen bleiben, wenn das Gerät abgeschaltet ist. Bisher ist diese Technik noch relativ teuer, das kann sich aber schnell ändern.

Was ist denn nun mit den ganzen anderen Stromverbräuchen für den Computer am Arbeitsplatz, die Server und den Informationsfluss im Internet? Da gab es noch vor kurzem die schockierende Nachricht das „Video-Streaming“ extrem viel Energie verbrauchen würde (um 1 kW!). Der Kollege Rüdiger Paschotta ist dem einmal gründlich auf den Zahn gegangen: Video-Streaming. Und dem ist kaum etwas hinzuzufügen, ganz kurz zusammengefasst: „Allerdings zeigt eine neue Studie, dass dieser Effekt in einer früheren Studie massiv überschätzt wurde: Streaming ist keineswegs das neue Fliegen.“

Und nun doch noch eine Kleinigkeit ergänzt: Die Ausnahmefälle, in denen durch exzessive Fehlnutzung von Video-Übertragung (4-K-video per Mobilfunknetz (!) aufs Handy) ein extremer Stromverbrauch entstehen würde, lassen sich leicht abstellen und sind ohnehin völlig sinnlos.

Auch der verbleibende Verbrauch bei derzeitiger Technik ist zwar nicht spielentscheidend, aber doch immer noch überflüssig hoch. Hier sind, wie die Glasfasernetze zeigen, entscheidende Effizienzverbesserungen drin. Und jeder Internet-Teilnehmer sollte sich ab und an fragen, ob jetzt wirklich eine 4K-Übertragung notwendig ist oder den Video-Genuss entscheidend erhöht. Letzteres freilich gehört in den Bereich der „Suffizienz“; ist aber wohl keine existenzbedrohliche „Einschränkung“.

Zwischen 1990 und 2016 ist die Wirtschaftsleistung (gemessen durch das reale Brutto-Inlandsprodukt BIP) Deutschlands insgesamt um ca. 51% gestiegen⁶³⁾. Wir wollen hier davon ausgehen, dass dazu auch eine Steigerung der Energiedienstleistungen in etwa gleichem Umfang korrespondiert⁶⁴⁾. Bei gleichbleibender Energie-Intensität (insb. -Effizienz) war vor diesem Hintergrund erwartet worden, dass der Primärenergieverbrauch PEV in Deutschland im gleichen Maß, eben von 14913 PJ/a auf rund 22500 PJ/a zunimmt. Tatsächlich ist der PEV aber in diesem Zeitraum sogar gesunken, nämlich auf 13383 PJ/a (das sind -10%). Verbesserte „Effizienz-Energie“ deckt somit in DE bereits über 40% des Bedarfs und stellt daher schon heute den größten Einzelanteil aller „Energieträger“⁶⁵⁾. Die jährliche durchschnittliche Effizienzverbesserung liegt mit 2,3%/a sogar deutlich über dem Energiedienstleistungswachstum (1,9%/a).

So funktioniert die bereits seit Jahrzehnten bewährte Vorgehensweise zur Initiierung der benötigten Effizienz-Verbesserung. Ein Hersteller eines Produktes, das bei seinem Einsatz Energieströme verursacht, kann hierzu beitragen⁷⁰⁾. Der Hersteller überlegt sich einen Vorschlag für ein verbessertes Produkt und kontaktiert einen Energie-Effizienz-Zertifizierer⁷¹⁾. Der hat die Kompetenz, die verbesserte Komponente auf den tatsächlich erreichten Effizienzgrad zu prüfen⁷²⁾. Werden die Kriterien erfüllt, kann das Effizienz-Zertifikat vergeben werden. Ist das noch nicht der Fall, so ist ein Ingenieur am PHI in der Lage, Hinweise auf noch bestehende Schwachstellen zu geben und Tipps dazu, wie sich diese weiter verbessern lassen. Nach einer endlichen Zahl von Schleifen gelingt hier regelmäßig eine Verbesserung um Faktoren. So sind bereits Tausende von erheblich Effizienz-verbesserten Komponenten auf den Markt gekommen.⁷³⁾

Ein weiterer, komplementärer Ansatz besteht in der ganzheitlichen Planung und Qualitätssicherung z.B. bei Bauprozessen⁷⁴⁾: Fortschrittliche Planungswerkzeuge wie z.B. das Passivhaus-Projektierungs-Paket erlauben es dem Architekten und den Fachplanern solche Entwürfe von Anfang an auch energetisch zu optimieren. Die Erfahrung zeigt, dass dies, früh genug eingesetzt, den späteren Verbrauch der Gebäude um Faktoren gegenüber dem „Business as Usual 'BAU'“ reduzieren kann - und die erneuerbare Stromerzeugung auf Dach oder Fassade kann auch gleich integriert werden. Die Folie zeigt eine bunte Vielzahl von Neubauten und modernisierten Gebäuden mit nachgewiesenem Passivhausstandard - d.h., Energieverbrauchswerten, die gut einen Faktor 5 unter denen bei 'üblicher Vorgehensweise' liegen. Weil das ohnehin-Neubauten oder -Modernisierungen betrifft, ist der Aufwand dafür im Vergleich zum „ohnehin-Fall“ meist nicht sonderlich hoch⁷⁵⁾.

Hier noch ein paar Informationen und Links zum weiteren Studium: Eine kostengünstige Möglichkeit, Gebäude mit erneuerbarer Energie zu heizen, bieten die einfachen Raumklimageräte (auch Split-Gräte genannt). Die sind inzwischen erheblich effizienter, leiser und kostengünstiger geworden - und können neben Kühlung eben auch mit vernünftigen Arbeitszahlen heizen. Im Bericht "Heizen mit dem Klima-Split-Gerät" werden Messergebnisse aus zwei Jahren Erprobung eines solchen Raumgerätes dokumentiert und diskutiert. Hinweise und praktische Tipps für Maßnahmen zur Energieeinsparung stellt die Aktion „JETZT“ des Passivhaus Instituts zusammen. Erreichbar sind diese Informationen über das Internet mit der Adresse http://www.passipedia.de.

Die Verbesserung der Energieeffizienz erweist sich als der Schlüssel für eine nachhaltige Lösung der mit der Energieversorgung verbundenen Probleme. Die sorgfältige Analyse der heutigen Energienutzung, insbesondere jener Systeme, die am Ende der Nutzungsketten stehen, führte uns zur Quantifizierung der Energiedienstleistungen. In den überwiegenden Fällen lassen sich diese Dienstleistungen mit Energieaufwendungen nahe Null erbringen, in dem statt einer aktiven eine (evtl. geregelt) passive Techniklösung gewählt wird. Dann sinken die Verbrauchswerte typischerweise auf ein Viertel bis ein Zwanzigstel des sonst heute üblichen. „Von selbst“ erfolgt die Umstellung freilich nicht - allerdings lassen sich die erforderlichen Investitionen dann leicht schultern, wenn die Verbesserung im üblichen Erneuerungs-Zyklus ausgeführt wird. Inzwischen gibt es dazu Praxiserfahrungen, die eine auch ökonomisch attraktive Umstellung innerhalb weniger Jahrzehnte möglich erscheinen lassen. Mit diesem Pfad wird eine vollständig erneuerbare Energieversorgung ohne gigantische Infrastrukturkosten möglich. Maßgebliche Volkswirtschaften sind bereits vielversprechend auf dem Weg; weil die Zeit wg. der Klimakrise kritisch ist, lohnt sich ein verstärktes Engagement.