Erntefaktor und energetische Amortisation von Kraftwerken

• Der Erntefaktor oder auch Energieerntefaktor ist ein Kennwert zur energetischen Bewertung von Erzeugungsanlagen und Energiequellen. Der Erntefaktor erfasst die gesamte Lebensdauer des zu betrachtenden Objektes.
• Ist der Erntefaktor kleiner 1, ist für die Anlage mehr Energie notwendig als durch die Anlage Endenergie produziert wird. Ist der Erntefaktor größer 1 wird mehr Endenergie produziert, als für die Anlage notwendig ist.
• Die energetische Amortisationszeit (Energy Payback Time) oder Energierückzahlzeit gibt an, wie lange ein Energiesystem oder eine Effizienzmaßnahme in Betrieb sein muss, damit die Energieproduktion bzw. Energieeinsparung gleich dem kumulierten Energieaufwand für das Energiesystem bzw. die Effizienzmaßnahme ist.
• Solaranlagen weisen eine energetische Amortisationszeit - bei einer mittleren jährliche Einstrahlungssumme in der Modulebene von 1200 kWh/(m²·a)) - von 1,6 Jahren für multi- bzw. 2,1 Jahren für monokristalline Si-Module auf. Bei einer Lebensdauer von 25 - 30 Jahren und einer jährlichen Ertragsdegradation von 0,35% folgen daraus Erntefaktoren von 11 - 18.

Der Erntefaktor oder auch Energieerntefaktor ist ein Kennwert zur energetischen Bewertung von Erzeugungsanlagen und Energiequellen. Er stellt das Verhältnis der durch die Anlage zu Verfügung gestellten Endenergie zum kumulierten, für die Anlage erforderlichen Energieaufwand entlang des Lebenszyklus dar.

Mit dem Erntefaktor lassen sich konventionelle, fossile Energiequellen wie z.B. Kohle-, Gas- oder Ölvorkommen bewerten. Ebenso ermöglicht die Berechnung des Erntefaktors eine Bewertung erneuerbarer Energien wie Sonnen-, Wind- oder Wasserkraft.

Auch hier sind der Gegenüberstellung von Input zu Output keine einheitlichen Grenzen gesetzt. Der Erntefaktor liefert eine Unterstützung bei der Frage: "Lohnt sich… das Kraftwerk, die PV-Anlage, der Abbau von Rohstoffen, …?"

Die für gewöhnlich betrachteten Gegenstände im Energiebereich sind "nutzbare" Energie (auch Exergie) wie z.B. Elektrizität oder Wärme. Mittels des Erntefaktors können aber auch Emissionen wie z.B. Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder der In- und Output finanzieller Mittel miteinander vergleichbar gemacht werden.

Das Prinzip des Erntefaktors wird daher in unterschiedlichsten Rentabilitätsbeurteilung genutzt. Im englischen Sprachraum sind daher auch Begriffe wie Energy Returned on Energy Invested (ERoEI) und Energy Return on Investment (EROI) gebräuchlich, die beide für den Erntefaktor stehen, wobei sich ERoEI eher auf die Energieeffizienz und EROI eher auf die finanzielle Effizienz bezieht.

Bei der Berechnung des Erntefaktors für Energiesysteme gilt allgemein die Formel:

\(Erntefaktor = {nutzbare Energie \over kumulierter Energieaufwand}\)

Zur einfachen Erklärung soll der Erntefaktor einer Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) berechnet werden. Der kumulierte Energieaufwand (auch Graue Energie), der für die PV-Anlage entlang des gesamten Lebenszyklus erforderlich ist, steht der insgesamt genutzten Energie aus der PV-Anlage gegenüber. Demnach ergibt sich für das Rechen-Beispiel:

\(Erntefaktor PV = {insgesamt genutzter Strom aus PV-Anlage \over kumulierter Energieaufwand PV-Anlage}\)

Unter der Annahme einer genauen Berechnung gilt:

• Ist der Erntefaktor kleiner als 1, ist für die regenerative Erzeugungsanlage mehr Energie notwendig als durch die Anlage Endenergie produziert wird. Die Investition und der Bau wären somit ökonomisch und ökologisch nicht sinnvoll.
• Ist der Erntefaktor größer als 1 lohnt sich die regenerative Erzeugungsanlage aus energetischer Sicht. Die regenerative Erzeugungsanlage produziert mehr Endenergie als für sie über den gesamten Lebenszyklus nötig ist.

Während der Erntefaktor bei regenerativen Erzeugungsanlagen zwingend größer als 1 sein sollte, hängt es bei der Bewertung von konventionellen Erzeugungsanlagen ab, ob der Primärenergieaufwand zur Umwandlung von Primärenergie in Endenergie berücksichtigt wird.

Wenn das der Fall ist, ist der Erntefaktor einer konventionellen Erzeugungsanlage wie Kohlekraftwerken oder Atomkraftwerken kleiner 1. Der Grund liegt in den Umwandlungsverlusten und Energieaufwendungen bei der Veredelung und dem Transport von Energieträgern.

Ein einfaches Beispiel soll die Berechnung und das Verhältnis des Erntefaktors verdeutlichen.

Genutzter Strom aus PV-Anlage:

Zur Berechnung des Erntefaktors sind zuerst einige Daten der PV-Anlage anzunehmen:

• Eine 3 m² Modulfläche mit 165 W_p (Watt peak) Leistung und
• gewichtetem Wirkungsgrad von 13,3 %,
• einer Lebensdauer von 20 Jahren und einer
• Systemperformance (auch Performance Ratio) von 75 % und
• einer für Deutschland günstigen jährlichen solaren Einstrahlung von 1200 kWh pro m²

produziert rund 7.248,33 kWh nutzbaren PV-Strom pro Jahr.

Ohne Berücksichtigung von Degradation der PV-Module, also mit einer Annahme einer konstanten Stromerzeugung werden in 20 Jahren rund 144.966,60 kWh Solarstrom produziert. Die Berechnung berücksichtigt 5 % Netzverluste.

Kumulierter Energieaufwand PV-Anlage:

Der Stromproduktion steht nun der kumulierte Energieaufwand für die Herstellung, Transport, Abfallbehandlung und Beseitigung einer PV-Anlage gegenüber. Zur Nutzbarkeit eines PV-Moduls sind Verkabelung, Befestigungsvorrichtung und Wechselrichter (Gleichstrom (DC) zu Wechselstrom (AC)) erforderlich. In 20 Jahren Nutzungsdauer sind in diesem Beispiel zwei Wechselrichter erforderlich.

Die Daten des kumulierten Energieaufwands einer PV-Anlage pro m² Fläche stammen von dem Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB). Das BNB bedient sich der ÖKOBAUDAT, einer Plattform mit Ökobilanz-Datensätzen zu Baumaterialien, Bau-, Transport-, Energie- und Entsorgungsprozessen. Die ÖKOBAUDAT basiert auf der DIN EN 15804.

Die DIN EN 15804: „Nachhaltigkeit von Bauwerken – Umweltproduktdeklarationen– Grundregeln für die Produktkategorie Bauprodukte“ stellt sicher, dass alle Umweltproduktdeklarationen (EPD) für Bauprodukte, Bauleistungen und Bauprozesse in einheitlicher Weise abgeleitet, verifiziert und dargestellt werden.

Insgesamt beläuft sich der kumulierte Energieaufwand einer 3 m² PV-Anlage mit aufgeführter Charakteristik auf 15.019,44 MJ, also 4.172,07 kWh.

Für die Ermittlung des Erntefaktors ergibt sich nun folgende Berechnung:

\(Erntefaktor = {144966,60 \over 4172,07} = 34,75\)

Somit erhält die betreibende Person der PV-Anlage im betrachteten Zeitraum von 20 Jahren das 34,75-fache an eingesetzter Energie wieder zurück. Der betrachtete Zeitraum sowie die Sonneneinstrahlung beeinflussen den Erntefaktor signifikant. Je länger die PV-Anlage produziert und je größer die Sonneneinstrahlung ist, desto höher wird der Erntefaktor!

Der Erntefaktor kann auch für Effizienzmaßnahmen im Gebäudesektor aber auch für Investitionen zur CO₂ Reduktion gebildet werden. Bei der Berechnung des Erntefaktors für Effizienzmaßnahmen wie z. B. Wärmedämmungen gilt allgemein:

\(Erntefaktor = {Einsparungen Effizienzmaßnahme \over Kumulierter Energieaufwand}\)

So beträgt der Erntefaktor einer Wärmedämmung mit jährlicher Heizenergieeinsparung gegenüber dem Status quo von 12.666,66 kWh, einem kumulierten Energieaufwand von 7.000 kWh über 30 Jahre Lebensdauer 54,29.

\(Erntefaktor Wärmedämmung = {12.666,66 kWh \over 7.000 kWh} = 54,29\)

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Die energetische Amortisation (englisch: Energy Payback Time) gehört zu den ökonomischen Bewertungskriterien von Energiesystemen. Das Verhältnis der Lebensdauer und dessen Energieerntefaktor bestimmt den Zeitpunkt der energetischen Amortisation oder auch die Energierückzahlzeit eines Energiesystems.

Die energetische Amortisation ist zeitlich erreicht, sobald das Energiesystem mehr Endenergie produziert, als kumulierte Energie zur Realisierung des Energieerzeugungsprozesses erforderlich ist. Die energetische Amortisation behandelt die Frage: "Wann habe ich die eingesetzte Energie wieder raus?".

Die Frage stellt sich nicht nur bei Energiesystemen, auch Entscheidungen im Gebäudesektor zur Steigerung der Energieeffizienz berücksichtigen die energetische Amortisation. Jede bauliche Maßnahme zur z.B. Reduktion des Heizenergiebedarfs bedarf im Vorfeld Energie zur Herstellung und zum Transport der Bau- und Wärmedämmstoffe.

Auch hier muss der kumulierte Energieaufwand entlang des gesamten Lebenszyklus beachtet werden. In diesem Fall gibt die energetische Amortisation an, wie lange eine neue Effizienzmaßnahme in Betrieb sein muss, damit die Energieeinsparungen gleich den kumulierten Energieaufwänden für die Maßnahme sind.

Zur Berechnung der energetische Amortisation teilt man lediglich die Lebensdauer des Energieerzeugers bzw. der Energiesparmaßnahme durch den jeweiligen Erntefaktor nach folgender Formel:

\(Energetische Amortisation = {Lebensdauer \over Energieerntefaktor}\)

Eine PV-Anlage mit einer

• nutzbaren Stromproduktion von 144.966,60 kWh in 20 Jahren und
• einem Erntefaktor von 34,75 erzielt eine energetische Amortisation von:

\(Energetische Amortisation = {20 Jahre \over 34,75} = 0,58 Jahre\)

Die energetische Amortisation bei Effizienzmaßnahmen berechnet sich wie folgt:

\(Energetische Amortisation = {Lebensdauer \over {Energieeinsparung \over Energieaufwand}}\)

Nach Berechnungen der Verbraucherzentrale fällt für die Herstellung und Entsorgung der Wärmedämmung für ein Einfamilienhaus ein kumulierter Energieaufwand von rund 7.000 bis 18.000 kWh an. Im Laufe der bilanziellen Lebensdauer (ca. 30 Jahre) lassen sich hingegen zwischen 380.000 bis 450.000 kWh Heizenergie durch die Effizienzmaßnahme einsparen.

Bei einer Wärmedämmung beträgt die energetische Amortisation daher zwischen wenigen Monaten bis zwei Jahren. In dem Fall eines kumulierten Energieaufwands von 7.000 kWh und 380.000 kWh Heizenergieeinsparung über 30 Jahre ergibt sich folgende energetische Amortisation der Wärmedämmung:

\(Energetische Amortisation = {{30 Jahre} \over {380.000 kWh \over 7.000 kWh}}\)

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Sucht man nach konkreten Werten für die Erntefaktoren einzelner Kraftwerkstypen, so fällt auf, dass die Angaben je nach Quelle sehr stark schwanken. Die Ursache dafür liegt meist nicht in einer Unbestimmtheit der Eingangsgrößen, sondern in abweichenden Definitionen des Erntefaktors selbst. Daher hat die Berechnung des Erntefaktors nur eine bedingte Aussagekraft.

Grund dafür sind oftmals unzureichende Informationen über den kumulierten Energieaufwand. Der größte „Unsicherheitsfaktor” ist dabei die Umrechnung in Primärenergie anhand verschiedener Faktoren. Bei der Berechnung des kumulierten Energieaufwandes besteht somit ein großer Spielraum der Systemabgrenzung.

Hilfreich ist dann die Festlegung von Systemgrenzen, die definieren, welche Stoff- und Energieflüsse in Abgrenzung zur Systemumwelt berücksichtigt werden. Lebenszyklusanalysen (Life Cycle Assessment, LCA) bilanzieren die ökologische Wirkung aller notwendigen Stoff- und Energieströme. Mit der Methode der LCA lässt sich so auch der kumulierte Energieaufwand systematisch und dann vergleichbar erfassen. Neben der Unvollständigkeit kann die Ungleichheit an genutzten Informationen bei der Berechnung zu einer lediglich bedingten Aussagekraft im Vergleich führen.

Ein Vergleich von Erntefaktoren ist somit mit Vorsicht zu genießen und bedarf einer genauen Prüfung der genutzten „Input“ und „Output“ Daten.

Um den großen Spielraum bei der Erstellung zu veranschaulichen, dient ein Kernkraftwerk als Objekt für ein übertriebenes Beispiel. Bei der Berechnung des Erntefaktors eines Kernkraftwerks kann der Betrachtungszeitraum für den kumulierten Energieaufwand entweder bei der letzten produzierten Kilowattstunde oder bei der endgültigen Beseitung radioaktiver Abfälle des Kraftwerkes enden. Ein genauer Blick in die Erstellung des Erntefaktors im Einzelnen liefert die Grundlage der Aussagekraft.

Im gleichen Zuge ist bei der Erstellung des Erntefaktors für konventionell betriebene Erzeugungsanlagen zu beachten, inwiefern die Energieaufwendungen (Stichwort: Umwandlungsverluste) zur Bereitstellung von Endenergie im Kraftwerksbetrieb berücksichtigt werden.

Folgt die Berechnung der energetischen Amortisation der des Erntefaktors, hängt die Aussagekraft der Ergebnisse stark von der Genauigkeit bei der Berechnung des kumulierten Energieaufwandes ab.

Ebenso ist die Prognostizierbarkeit der realen Endenergieproduktion bzw. Energieeinsparung über die gesamte Lebensdauer der betrachteten Erzeugungsanlagen bzw. Effizienzmaßnahmen begrenzt.

Eine genaue (umwelt-)technische oder wirtschaftliche Analyse ist daher ausschließlich auf Basis der energetischen Kennwerte nicht empfehlenswert. Ferner liefern die beiden energetischen Kennwerte Erntefaktor und energetische Amortisation eine Orientierungshilfe.

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