Experten-Ratgeber: Die wichtigsten Energieträger im Überblick

Energieträger werden Stoffe oder andere Medien genannt, die Energie in sich tragen (speichern). Man kann sie im wahrsten Sinne des Wortes aber auch tragen wie z. B. Kohlen oder Holz und so Energie von A nach B transportieren. Physikalisch misst man die Menge Energie, die in einem Träger steckt, mittels der Energiedichte. Im heutigen Sprachgebrauch wird der Begriff "Energieträger" i.d.R. nach unterschiedlichen Kriterien weitergehend differenziert, um eine bestimmte Eigenschaft hinsichtlich seiner Verwendung und zunehmend auch der Bedeutung für die Energiewende und Klimaschutz zu unterstreichen.

Von Energieträgern spricht man, wenn es um Großteils materielle Stoffe geht, die Energie besitzen oder speichern – sprich: in sich „tragen“. Wieviel Energie sie in sich tragen, wird als "Energiedichte" ausgedrückt.

Diese bezieht sich immer auf ein bestimmtes Gewicht (gravimetrische Energiedichte, spezifische Energie, Einheit Joule/kg) oder Volumen (volumetrische Energiedichte, Einheit Joule/m³).

So ist die Energiedichte von nuklearen Energieträgern (Kernbrennstoffen) deutlich höher als die chemischer Energieträger. Deshalb braucht man davon auch deutlich weniger, um eine bestimmte Menge an Energie umzusetzen oder kann mit der gleichen Menge deutlich mehr Energie speichern.

Unter einem Energieträger ist daher i.d.R. ein Körper mit einer sehr hohen Energiedichte gemeint, den man entsprechend von A nach B mit herkömmlichem Aufwand mit z. B. einem Güterwagon, Tankwagen oder Gasleitung transportieren ("tragen") kann.

Energieträger kommen entweder als sogenannte primäre Energieträger (auch Rohenergieträger) in der Natur vor, die von dort mit mal mehr (z. B. Kohletagebau) mal weniger Aufwand (z. B. Holzfällen) Aufwand gewonnen werden können. Primärenergieträger werden direkt der Natur entnommen und nur wenig verarbeitet. Dazu gehören zum Beispiel:

• fossile Energieträger (Erdöl, Erdgas, Steinkohle, Braunkohle)
• Kernbrennstoffe (Uran, Plutonium)
• Biomasse (Holz, Stroh)
• Fett, Kohlenhydrate und Proteine in der Nahrung

Oder es kommen sekundäre Energieträger zum Einsatz, die ihrerseits das Ergebnis bestimmter technischer Umwandlungsprozesse sind. Dazu zählen unter anderem:

• verschiedene Kraft- bzw. Treibstoffe, die beim Raffinieren von Erdöl entstehen
• Ethanol, wie er beim Vergären von Biomasse entsteht,
• Wasserstoff, wie ihn ein Hybridkraftwerk mit Hilfe von Windenergie erzeugt,
• Druckluft,
• das Kohlenhydrat Glukose, das in Tieren als Glycogen und in Pflanzen als Stärke gespeichert wird,
• ATP (Adenosintriphosphat), ein universeller und unmittelbar zur Verfügung stehende Energieträger in Zellen,
• Elektrizität

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Der Begriff der fossilen Energieträger zielt vor Allem auf deren Entstehung vor vielen Millionen Jahren aus Abbauprodukten von toten Pflanzen und Tieren ab. Während sich vor 200 bis 400 Mio. Jahren aus Torf unter Druck in oberen Schichten Braunkohle und in unteren Schichten Steinkohle bildete, entstanden Erdgas und Erdöl vor etwa 70 Mio. Jahren aus lebenden Wassertieren und -pflanzen, die küstennahe Gewässer besiedelten.

Fossile Energieträger sind aufgrund ihrer chemischen Verbindungen insbesondere der in ihnen gespeicherten Kohlenwasserstoffe (Kohlenstoff und Wasserstoff) besonders energiereich, führen beim Verbrennen jedoch zum Freisetzen von vor Millionen von Jahren aus der Atmosphäre aufgenommenen Kohlendioxid (CO₂), das als Treibhausgas zur menschengemachten, anthropogenen Klimaerwärmung beiträgt.

Im Gegensatz dazu bezeichnet man Energieträger als erneuerbar, wenn sie im Rahmen des menschlichen Zeithorizonts praktisch "unerschöpflich" zur Verfügung stehen (wie z. B. Solarenergie) oder sich verhältnismäßig schnell erneuern (wie z. B. Holz). Damit grenzen sie sich von fossilen Energieträgern dadurch ab, dass sie nicht endlich sind oder sich nicht erst über den Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren müssen.

Zu den wichtigsten erneuerbaren Energieträgern mit dem höchsten Anteil am deutschen Primärenergieverbrauch zählen

• Windkraft
• Wasserkraft
• Biomasse
• Fotovoltaik

Auch Geothermie zählt zu den erneuerbaren Energieträgern, diese wird jedoch in Deutschland trotz Potenzials bisher aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten nur vereinzelt genutzt.

Ein Großteil der erneuerbaren Energieträger wird zur Stromproduktion eingesetzt. Ihr Anteil am Bruttostromverbrauch lag mit 224,7 TWh Strom aus erneuerbaren Energieträgern 2018 bei 37,8 Prozent und erreichte damit erstmals in etwa das Niveau der Stromerzeugung aus Braun- und Steinkohle zusammen.

Der Anteil des Endenergieverbauchs für Wärme und Kälte aus erneuerbaren Energieträgern lag 2018 mit 171 TWh bei 14,2 Prozent. Der Verkehrssektor ist der Bereich mit dem geringsten Anteil erneuerbarer Energieträger.

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Im modernen Verständnis spricht man heute von chemischen Energieträgern, bei denen Energie aus anderen, idR erneuerbaren Energieträgern "chemisch" hergestellt wird wie z. B. im Power to Gas-Verfahren, bei dem aus Ökostrom Wasserstoff oder auch Methan ("Biomethan") hergestellt wird. Diese Verfahren werden eingesetzt, um elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen in chemischen Energieträgern speicher- und transportierbar (z. B. als Gas im Erdgasnetz oder als verflüssigtes Gas) zu machen.

Power-to-X bedeutet die Wandlung und Speicherung elektrischer Energie in einen Energieträger (Gas, Kraft- oder Rohstoff), Wärme (Power-to-Heat) oder ein Produkt (Grundstoff). Nach dem Energieträger eingeteilt spricht man von

• Power-to-Gas,
• Power-to-Liquid oder
• Power-to-Heat.

Hier kommen Techniken wie die Methanisierung, Wasserelektrolyse/ Wasserstofferzeugung, CO₂-Abscheidung / -bereitstellung, Methanol-Synthese sowie Wasserbereitstellung und -entsorgung zu Einsatz.

Sogenannte Kernenergie steht in verschiedenen Formen zur Verfügung: In Kernbrennstoffen stecken Atomkerne. Beschießt man diese, geschieht eine Kernspaltung, bei der sehr viel Wärmeenergie freigesetzt wird. In der Natur findet man Uran. Vom Natururan ist ein geringer Teil (etwa 0,7 Prozent) spaltbar. In sogenannten Brutreaktoren lässt sich aus Uran Plutonium gewinnen und aus Thorium Uran. Noch mehr Energie als bei der Kernspaltung lässt sich mit einer Kernfusion, also dem Verschmelzen von Atomkernen, erzeugen.

Der Aufwand für die Gewinnung von Kernenergie ist extrem hoch und dabei fallen radioaktive Abfälle an, die höchstgefährlich sind und ein Lagerungsproblem schaffen.

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Bei den leitungsgebundenen Energieträgern handelt es sich u.a. vielfach um Erdgas, Fernwärme und Strom. Ihnen ist gemein, dass sie eine vordefinierte Leitung benötigen, um zum Verbraucher zu gelangen, und damit hohe Kosten (Netzkosten) verursachen, die letztlich wiederum die Verbrauchskosten erhöhen.

Trotzdem zählen leitungsgebundene Energieträger als Heizenergiequelle in Gebäuden (Erdgas-Brennwerttechnik, elektrische Wärmepumpen und Fernwärme) als wirtschaftlich attraktiver als die leitungsungebundenen.

Die Kritik an der Ökonomie wird vielfach mit dem monopolistischen Charakter des Marktes begründet und entsprechende Regulierungen gefordert. Teilweise werden daher Strom-, Gas- und Wärmenetze, die noch vor wenigen Jahren privatisiert wurden wieder von der öffentlichen Hand zurückgekauft (wie z. B. in Hamburg).

Der Rückkauf dieser Netze soll aber nicht nur die Preise stabilisieren, sondern auch die Netze verstärkt für erneuerbare Energien im Wärme-, Strom- und Gasmarkt öffnen.

Zu den nicht leitungsgebunden Energieträgern zählen Heizöl, Kohle, Holz oder auch Flüssiggas, das z.B. per Tanklastwagen direkt zum Endkunden geliefert wird.

Gasförmige Energieträger wie Erdgas oder Wasserstoff sind hingegen - wenngleich sie auch in Flaschen oder eben entsprechenden LKW transportiert werden können - in der deutschen Versorgungspraxis vor Allem leitungsabhängige Energieträger.

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Erdgas, Biogas und Wasserstoff sind vielfältig einsetzbare Energieträger:

• Die Industrie nutzt sie, um Düngemittel und Chemikalien herzustellen,
• die Energiewirtschaft zur Strom- und Wärmeerzeugung,
• mehr als die Hälfte aller Haushalte hierzulande heizen mit gasförmigen Energieträgern und
• mehr als 100.000 Erdgas-Fahrzeuge fuhren 2019 auf deutschen Straßen.

Nahezu 24 Prozent des Primärenergieverbrauchs in Deutschland entfielen im Jahr 2018 auf den Energieträger Erdgas. Zukünftig könnte ein Teil durch klimaneutrale Gase wie Biogas ersetzt werden. Dieses entsteht bei der Vergärung von Biomassein Biogasanlagen. Aus Biogas, lässt sich zudem in weiteren Prozessen Biomethan gewinnen, das ebenfalls in das bestehende Erdgasnetz eingespeist, gespeichert und nach Bedarf flexibel genutzt werden kann.

Zu den zukünftig deutlich an Bedeutung gewinnenden gasförmigen Energieträgern zählt zudem der Wasserstoff, der sich aus Strom unter anderem mittels Elektrolyse durch die Aufspaltung von Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff erzeugen lässt. Man kann so Ökostrom als Wasserstoff speichern, transportieren, wieder Verstromen oder in einem weiteren Prozessschritt in synthetisches Methan umwandeln (siehe oben).

Nachteilig ist, dass der Wirkungsgrad der Wasserstoffherstellung und -verstromung nicht sehr hoch ist. Der Wirkungsgrad der thermochemischen Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse wird je nach Verfahren zwischen 69 % und 78 % angegeben, der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse wird mit 70 bis 90 % angegeben. Der elektrische Wirkungsgrad einer PEM-Brennstoffzelle hingegen beträgt nur 60 %. Bei einer umfassenden Einbindung von Wasserstoff in das deutsche Energiesystem ist zudem ein deutlich höherer Anteil an Ökostrom nötig, oder ein Import aus dem Ausland.

Flüssige Energieträger sind gut speicher- und transportierbar. Ihre chemischen Eigenschaften machen sie sehr vielseitig. Sie bilden daher die Grundlage für wichtige industrielle Wertschöpfungsketten in Deutschland. Ca. 98 % der Antriebsenergie im Verkehrssektor und 22 % der Heizenergie stammen aktuell aus flüssigen Energieträgern.

Flüssige erneuerbare Kraft- und Brennstoffe sind für eine weitgehend treibhausgasneutrale Energieversorgung unverzichtbar. Da die Akzeptanz für "Biosprit" in den letzten Jahren gesunken ist, misst man flüssigen Energieträgern aus Biomasse lediglich eine ergänzende Bedeutung zu, um Treibhausgas-Emissionen zu senken. Vor Allem in Power-to-Liquids-Techniken sieht man Chancen für eine weitgehend treibhausgasneutrale Energieversorgung.

Laut der Studie "Status und Perspektiven flüssiger Energieträger in der Energiewende" der Prognos AG, des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT und des Deutschen Biomasseforschungszentrums DBFZ Mai 2018 ergeben sich hinsichtlich der zukünftigen Nutzung flüssiger Energieträger große Unterschiede.

So wird der Einsatz flüssiger Energieträger aufgrund der besseren Speicherbarkeit vor allem bei der Mobilität längerfristig Nutzungsvorteile begründen, wohingegen ihr Einsatz zur Beheizung von Gebäuden kurz- und mittelfristig durch elektrische Lösungen abgelöst werden.

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