Was ist Primärenergie: Unterschiede, Berechnung & Verbrauch

Wie unterscheiden sich Primär-, Sekundär- und Endenergie? Wie berechnet man den Primärenergiebedarf? Wie hoch ist der Primärenergieverbrauch in Deutschland? Was bedeutet „Jahres-Primärenergiebedarf“?

Der globale Bedarf an Primärenergie wächst trotz der Nachfragerückgänge im Zuge der Covid-19 Pandemie weiter an. Die International Energie Agentur (IEA) prognostiziert kontinuierliche Anstiege bis 2030. Eine besondere Bedeutung nehmen dabei Primärenergien wie Kohle, Gas oder Öl ein. Denn mit den Klima- und Energiezielen rücken diese in Hintergrund und werden mit erneuerbaren Primärenergieträgern ersetzt.

Auch der lokale Bedarf an Primärenergie im energieintensiven Gebäudesektor rückt zukünftig stärker in den Fokus. Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) in Deutschland sowie europäische Richtlinien zur Energieeffizienz im Gebäudesektor legen Höchstwerte für den Bedarf an Primärenergie neuer und bestehender Gebäude fest.

• Natürlich vorkommende Energieträger in ihrer ursprünglichen Form werden als Primärenergieträger bezeichnet. Der ursprüngliche Energiegehalt ist die Primärenergie.
• Es gibt sowohl nicht-erneuerbare als auch erneuerbare Primärenergie.
• Wird ein Primärenergieträger aufbereitet oder umgewandelt spricht man von einem Sekundärenergieträger. Der Energiegehalt eines Sekundärenergieträgers ist die Sekundärenergie.
• Die Endenergie ist die Energie, die innerhalb eines Systems durch die Zähler des Gebäudes gemessen und von Letztverbrauchern unmittelbar zur Erzeugung von Nutzenergie eingesetzt wird.
• Der Jahres-Primärenergiebedarf QP [kWh/(m²·a)] ergibt sich aus der Multiplikation des Endenergiebedarfs (Q_e) [kWh/(m²·a)] und des Primärenergiefaktors (f_P).

Der folgende Text liefert eine Definition und Begriffsabgrenzung der Primärenergie und stellt die Relevanz des Primärenergiebedarfs im Gebäudesektor und der Energiewende dar.

Natürlich vorkommende Energieträger in ihrer ursprünglichen Form werden als Primärenergieträger bezeichnet. Der Energiegehalt in den Primärenergieträgern ist die Primärenergie.

Rohöl, Schiefergas, Braun- oder Steinkohle zählen zu den bekanntesten (fossilen) Primärenergieträgern. Aber auch Windenergie und Sonnenenergie zählen zur Primärenergie. Es wird daher zwischen nicht-erneuerbare und erneuerbare Primärenergie unterschieden.

Primärenergieträger in ihrer ursprünglichen Form sind häufig nicht direkt nutzbar, noch sind sie praktisch lager- oder transportierfähig. Ein durchschnittlicher Wärmeenergiebedarf eines Einfamilienhauses pro Jahr beträgt rund 22.400 Kilowattstunden (kWh). Die gleiche Primärenergie steckt in rund 2752 Kilogramm Steinkohleeinheiten (SKE) (1 Kg SKE ≈ 8,14 kWh). Ein Haushalt hat weder die Lagerkapazität noch die technischen Anlagen, um die Steinkohle in ihrer Urform zu nutzen.

Wird ein Primärenergieträger aufbereitet oder umgewandelt (z. B. Kohle zu Koks oder Briketts) spricht man von einem Sekundärenergieträger. Der Energiegehalt eines Sekundärenergieträgers ist die Sekundärenergie.

Bei der Umwandlung von Primär- zu Sekundärenergieträger entstehen Umwandlungsverluste. Je nach Energieträger sind Umwandlungsprozesse unterschiedlich energieintensiv. Die Umwandlung von Rohöl zu Benzin weist einen Umwandlungsverlust von rund 5 Prozent auf.

Der Unterschied von Primär- zu Sekundärenergie ist hier gering. Die Umwandlungsverluste in der konventionellen Stromerzeugung, z. B. von Steinkohle zu Strom, sind deutlich höher. Ein konventionelles Steinkohlekraftwerk weist lediglich einen Wirkungsgrad von rund 30 bis 40 Prozent auf.

Zwischen Primär- und Sekundärenergie entstehen so durch die Abwärme und benötigte Prozessenergie Verluste in Höhe von 60 bis 70 Prozent. Die Primärenergie einer Tonne Steinkohle ist höher als die daraus produzierbare Sekundärenergie in Form von Strom oder Koks. Es besteht ein deutliches Energiegefälle (Energieverluste) von Primär- zu Sekundärenergie.

Die Primärenergie abzüglich aller Energieaufwendungen bis zur endgültigen Bereitstellung ergibt die Endenergie. Die Endenergie ist die Energie, die innerhalb eines Systems, also schlussendlich durch die Zähler des Gebäudes gemessen und unmittelbar zur Erzeugung von Nutzenergie (z. B. Raumwärme; Licht) oder für Energiedienstleistungen eingesetzt wird.

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Soll ein Gebäude oder auch die Energiebilanz eines Landes energetisch bewertetet werden, reicht die Betrachtung der erforderlichen Endenergie für den Betrieb innerhalb eines Jahres nicht aus. Die vorgelagerten Prozesse bis zur Lieferung des finalen Energieträgers im Gebäude (z. B. Heizöl, Strom oder Gas) werden aus der bezogenen Endenergie nicht ersichtlich.

Zudem fallen weitere Energieaufwendungen außerhalb der Betriebs- bzw. Nutzungsphase an. Diese sogenannte „graue Energie“ bezeichnet die kumulierte Primärenergie, die für Rohstoffgewinnung, Herstellung, Transport, Wartung, Abriss und Entsorgung eines Gebäudes aufgewendet werden muss.

Denn viele Baustoffe sind in der Produktion energieintensiv. So wird beispielsweise Zement bei Temperaturen von 1450 Grad Celsius unter hohem Verbrauch an fossilen Energien hergestellt. Entsprechend hoch ist der CO₂-Ausstoß, der bei rund 600 Kilogramm pro Tonne liegt. Davon sind ein Drittel Brennstoff- und zwei Drittel rohstoffbedingte Prozessemissionen.

Soll ein geplantes Einfamilienhaus mit vorgeschriebener Wärmedämmung für Neubauten nach Gebäudeenergiegesetz (GEG) mit einer Wärmepumpe beheizt werden ist die geplante Art der Stromversorgung für den Primärenergiebedarf maßgeblich.

In beiden Fällen bedarf es die gleiche Menge an Raumwärme im Jahr. Die eine Wärmepumpe wird überwiegend durch eine eigene Solaranlage und einem Batteriespeicher betrieben während die andere Wärmepumpe ausschließlich durch den konventionellen Strommix in Deutschland betrieben wird. Daher ist die Auswahl und der Bedarf der Primärenergieträger ist für die energetische Bewertung von Relevanz.

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Der Nachweis für den energetischen Standard eines Wohn- und Nicht-Wohngebäudes erfolgt über eine Energiebedarfsrechnung anhand von quantifizierbaren Zielvorgaben. Hierzu zählen:

• Primärenergiebedarf Q_P
• Transmissionswärmeverlust H´_T

Die Berechnungsgrundlage für den Primärenergiebedarf eines Gebäudes liefert § 20 des Gebäudeenergiegesetzes (GEG). Dabei bezieht sich die energetische Bewertung auf den Primärenergiebedarf innerhalb eines Jahres, den Jahres-Primärenergiebedarf.

Das GEG gibt Vorgaben für den energetischen Standard von Neubauten und bestehenden Gebäuden. Ein Referenzhaus (Anlage 1+2 GEG) gibt den maximal zulässigen Jahres-Primärenergiebedarf eines Wohn- und Nichtwohngebäudes an.

Nach § 20 GEG wird für die Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs die DIN V 18599: 2018-09 angewendet:

Der Jahres-Primärenergiebedarf Q_P in Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr [kWh/(m²·a)] ergibt sich aus der Multiplikation des Endenergiebedarfs (Q_e) in Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr [kWh/(m²·a)] und des Primärenergiefaktors (f_P).

Jahres-Primärenergiebedarf (Q_P) = Endenergiebedarf (Q_e) x Primärenergiefaktor (f_P)

Ein Wohngebäude hat eine Wohnfläche von 160 m² mit einer Holzpellet-Heizung, die zur Warmwasserbereitung von einer Solaranlage unterstützt wird. Die Heizleistung des Hauses wurde mit 2,1 kW berechnet.

Nutzenergie = Heizleistung × Heizzeit

2,1 kW x 2.100 h/a = 4.410 kWh/a

Der Aufwand für die Warmwasserbereitung mit Solarenergie ergibt sich aus:

Warmwasserbereitung = 12 kWh/m² x Wohnfläche 12 kWh/m² x 160 m² = 1.920 kWh

Der Endenergiebedarf in kWh/m²·a:

4.410 kWh/a + 1.920 kWh = 6.330 kWh/a

6.330 kWh/a / 160 m² = 39,562 kWh/m²·a

Primarenergiebedarf = Endenergiebedarf x Primärenergiefaktor

39,562 kWh/m² a x 0,2 = 7,912 kWh/m²·a

Der Primärenergiebedarf beträgt 7,912 kWh/m²·a.

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Der Primärenergieverbrauch (PEV), der auch im Energieausweis angegeben wird, bezeichnet den Energiegehalt aller im Inland eingesetzten Energieträger. Der Primärenergieverbrauch ergibt sich dann aus dem Endenergieverbrauch und den Verlusten, die bei der Erzeugung der Endenergie aus der Primärenergie auftreten.

Der Primärenergieverbrauch wird durch die

• wirtschaftliche Konjunktur,
• Preise für Rohstoffe (noch),
• technische Entwicklungen und
• durch Witterungsverhältnisse beeinflusst.

Seit 1990 hat sich der Energieträgermix stark verändert:

• Der Verbrauch von Braunkohle ging um mehr als 70 % zurück, der von Steinkohle um mehr als 60 %.
• Der Gasverbrauch stieg beträchtlich an. Auch der Einsatz erneuerbarer Energieträger ist stark gewachsen

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Im Zuge der Energiewende in Deutschland wird der berechnete Stromverbrauch insbesondere durch

• Elektromobilität,
• die Substitution von Öl- und Gasheizungen durch Wärmepumpen und
• die Herstellung von grünem Wasserstoff deutlich steigen.

Nach Abschätzungen der Prognos AG vom Juli 2020 liegt der deutsche Bruttostromverbrauch in 2030 daher bei bis zu 665 Terawattstunden pro Jahr. Dies sind rund 120 Terawattstunden und damit rund 20% mehr als 2020 (545 Terawattstunden).

Der Bundesverband Erneuerbare Energie (BEE) ermittelte aus den Treibhausgasminderungszielen, die das Bundes-Klimaschutzgesetz für die einzelnen Sektoren vorgibt, sogar einen Bruttostromverbrauch in 2030 von 740 TWh.

Um diesem erhöhten Strombedarf und der Notwendigkeit der CO₂-Reduktion Rechnung zu tragen, müssen daher die Erneuerbaren Energien in den nächsten Jahrzehnten massiv ausgebaut werden. In diesem Zusammenhang lassen sich bei Betrachtung der Primärenergieverhältnisse interessante Zusammenhänge ableiten.

So führt der steigende Stromverbrauch aufgrund der geringen Umwandlungs- und Verteilungsverluste erneuerbarer Energien und der direkten Nutzung des grünen Stroms im Gegensatz zur z. B. Kohleverstromung dazu, dass die in 2030 zu bereitstellende Primärenergiekapazität unterproportional weniger Primärenergie umfasst als dies im Energiemix 2020 der Fall ist.

Auch bei der Abschätzung des Umfangs der Elektrifizierung, insbesondere im Verkehrsbereich, spielt die Primärenergiebetrachtung eine wichtige Rolle. Denn, ob Strom oder Wasserstoff Benzin und Diesel in energetisch sinnvoller Weise ablösen können, zeigt sich, wenn man sich den nötigen Primärenergieeinsatz vergleicht.

Wirkungsgrad-Problematik: Während ein Elektroauto über 75% der elektrischen Energie in Vortrieb umzusetzen vermag, bleiben beim Umweg über die Wasserstofferzeugung nur gut 25 bis 30% der ursprünglichen Primärenergie übrig.

Wer auf Wasserstoff setzt, der benötigt daher pro Kilometer mehr als die dreifache Primärenergiemenge. Im Zuge der Energiewende müssten daher dreimal so viele Windkraft- oder Solaranlagen gebaut werden.

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